原创《贯流式水轮发电机空载电压波形畸变和阻尼条损耗发热抑制》：本论文可用于水轮发电机论文范文参考下载，水轮发电机相关论文写作参考研究。
摘 要：为改善水轮发电机电能质量,预防阻尼绕组过热,保证机组与电网运行安全,基于电机电磁场、电路及传热学理论,建立了水轮发电机三维分层非线性时变运动电磁场一电路结合模型与磁极系统三维稳态温度场模型.进而针对一台q等于1（1/2）的36 MW贯流式机组的128种结构设计方案,通过电磁场一温度场综合计算,广泛深入地分析了定转子槽距比、定子斜槽程度以及每极阻尼条根数等结构参数对空载电压波形畸变率和额定工况阻尼绕组损耗发热的影响,在此基础上,讨论了同时抑制空载电压波形畸变率与阻尼绕组损耗发热的设计措施.计算结果与实测数据相吻合.关键词：贯流式水轮发电机；空载电压波形畸变；阻尼绕组损耗与发热；电磁场；温度场
DOI：10.15938/j.emc.2016.04.003
中图分类号：TM 312 文献标志码：A 文章编号：1007-449X（2016）04-0017-10
0 引言
由电压谐波引发的空载电压波形畸变,可能对水轮发电机电能质量与并网运行安全造成不利影响.作为水轮发电机的重要组成部分,阻尼绕组是发电机与电网安全稳定运行的重要保障.在发电机设计阶段,定转子槽距比、每极阻尼条根数、以及定子斜槽等结构参数的选取,不但影响着阻尼绕组损耗发热分布,还对空载电压波形有着密切影响.特别是对于近年在低水头大流量电站广泛应用的贯流式水轮发电机而言,在其设计制造与运行中,不但面临电压谐波导致空载电压波形畸变的难题,还屡次在额定负载工况下发生阻尼条过热故障.为改善贯流式水轮发电机电能质量,预防阻尼绕组过热断条故障,保证运行安全,很有必要采用电磁场与温度场综合分析方法,针对其空载电压波形畸变率与阻尼绕组损耗发热抑制问题,进行全面深入的研究.
在水轮发电机空载电压波形分析与优化方面,早期文献多采用电磁场解析法或电路磁路法进行研究.其中,文献着重研究了发电机附加磁场与谐波电动势的解析计算；文献则在上述文献成果的基础上,较为全面地分析了增大气隙、采用分数槽绕组、采用定子斜槽或转子斜极、改善极靴表面形状、移动磁极位置、改变阻尼绕组几何形状等方法对空载电压波形的改善效果.以上解析方法具有概念清晰,便于工程人员理解的优点,然而由于难以考虑铁磁材料饱和、定子斜槽、转子旋转及阻尼条涡流等因素的影响,其定量计算的精确度尚有较大提升空间.为克服上述缺陷,近年来,国内外研究者多使用数值计算方法,开展水轮发电机空载电压波形分析研究,取得了较大进展.文献通过建立凸极同步发电机的运动电磁场时步有限元计算模型,研究了空载电压波形.文献将解析法与有限元方法相结合,计算分析了叠片式凸极同步发电机的空载电压波形,并初步讨论了阻尼绕组偏心0.25倍定子节距对空载电压波形质量的影响.文献将多回路法与电磁场有限元法相结合,用于求解凸极同步发电机电压波形.文献通过建立水轮发电机二维场路耦合时步有限元计算模型,分析了不对称磁极设计方案对空载电压波形的优化效果.
针对阻尼绕组电流、损耗与发热计算问题,文献将阻尼绕组电路网络分析与解析法建模相结合,研究了阻尼条电流波形.文献通过建立凸极电机谐态电磁场有限元计算模型,分别求解了暂态和稳态阻尼条电流.文献将水轮发电机静态电磁场与谐态电磁场有限元模型结合使用,求解了阻尼条损耗.文献应用运动电磁场时步有限元模型,计算了水轮发电机额定与负序工况下的阻尼条电流与损耗.文献使用三维等参元模型,计算了水轮发电机转子稳态温度场.文献基于流场一温度场模型,研究了转子的气体流动和发热情况.
文献综合运用二维运动电磁场有限元模型与三维温度场模型,初步探讨了不同结构与材料参数对阻尼绕组损耗发热的影响.在此基础上,文献通过建立分层运动电磁场模型与三维温度场模型,针对5种定转子槽距比方案与1种定子斜槽方案,开展了空载波形与阻尼绕组损耗发热计算分析.但上述两篇文献所讨论的设计方案较为有限,其研究广度和深度尚待进一步提高.
鉴于此,本文在文献的基础上,以抑制空载电压波形畸变率与阻尼条发热为目标,通过建立三维多层运动电磁场与电路相结合的时步有限元模型与三维温度场有限元模型,以1台36 MW分数槽大型贯流式水轮发电机（q等于1（1/2））为算例,针对常规设计手册上q等于1（1/2）分数槽机组常用的每极阻尼条根数nb等于4与nb等于3以及定转子槽距比与定子斜槽程度取值范围,选定4类共128种不同的定转子槽距比、定子斜槽程度设计方案,分析计算了该机组空载电压波形畸变率与额定负载工况阻尼条损耗发热分布随上述结构参数变化的规律,在此基础上,探讨了同时抑制上述两项参数的结构设计措施.
1 电磁场计算模型
1.1 发电机基本参数
作为算例的贯流式水轮发电机型号为WG36-72/7350,其基本参数见表1.
选定以下4类共128种结构设计方案进行研究,其编号及含义见表2,nb为每极阻尼条根数,其中t1为定子齿距,并保持不变,t2为转子阻尼绕组节距,可调节,t2/t1为定转子槽距比,△t2/t1为槽距比变化步长.△skew为定子斜槽程度变化步长.
1.2 运动电磁场边值问题
根据磁场分布的周期性,选定1对磁极的范围作为发电机电磁场的求解区域,并沿轴向将该发电机分为12段,以便准确分析斜槽方案,参见图1.
在求解区域内,考虑到铁心的饱和效应,描述非线性时变运动电磁场问题的偏微分方程为（1）式中：4为矢量磁位；Js为外部强加的源电流密度；v为媒质的磁阻率；V为媒质相对于参考坐标系的运动速度；σ为媒质的电导率.
在三维多层运动电磁场模型中,对每一层而言,设电流密度和矢量磁位只有z轴分量,速度只有x轴分量.引入库仑规范▽·A等于0,加入边界条件,便可得到发电机二维非线性时变运动电磁场的边值问题：（2）式中：Vx为速度的x轴分量；Jslz为源电流密度的z轴分量；Aslz为矢量磁位的z轴分量,它在转子磁轭内侧圆弧arc_in和定子磁轭外侧圆弧arc_out上满足第1类齐次边界条件,在电角度0度及360度的磁极分界线cyclic_boundary_start和cyclic_boundary_end上满足整周期性边界条件.
水轮发电机论文参考资料：
结论：贯流式水轮发电机空载电压波形畸变和阻尼条损耗发热抑制为关于本文可作为相关专业水轮发电机论文写作研究的大学硕士与本科毕业论文水轮发电机论文开题报告范文和职称论文参考文献资料。
