同步发电机电磁性能分析计算

论文摘要

三相同步发电机是电力系统中最常见的发电设备,具有供电品质好、带负载能力强、既能发出有功又能发出无功等优点。本文为同步发电机多种电磁设计方案的比较分析与优化设计提供理论基础,采用有限元法对电机的部分参数和性能指标进行了分析计算,取得了较为理想的结果。相对于传统的解析计算公式或磁路法,有限元法基于电机的几何结构和材料特性,能较为准确地考虑定、转子铁心饱和与齿槽效应的影响,计算结果更加准确。在静态场下,依据气隙磁密与感应电势之间的物理关系,利用迭代算法求取了同步发电机不同运行方式下励磁电流。给转子绕组加载试探电流,求出感应电势并与理论值对比,不断修正励磁电流直到满足误差要求即可求得实际工况下的励磁电流大小。通过边界条件的加载区分开主磁场和漏磁场,利用磁场能量法计算了定子、转子槽漏抗并给出了三相绕组漏磁场能量与一相漏感之间的数学关系。在暂态场下,利用场路耦合-时步有限元法分析了三相突然短路电流的大小与变化趋势。在短路的瞬间,通过与外电路耦合,在励磁绕组中串入恒定电压源来实现绕组电流的突变。为考虑定、转子间相对运动引起的齿谐波磁导变化,即电机铁心开槽对转子损耗的影响,采用暂态场计算转子铁心涡流损耗。通过气隙节点的耦合模拟转子转动,改变时间步长控制电机转速,每进行一步暂态运算都计算一次损耗,最后绘出转子损耗随时间变化的曲线,求取一段时间内的平均损耗即是转子铁心涡流损耗。本文利用有限元法对同步电机槽漏抗、直轴交轴电枢反应电抗不饱和值、瞬变电抗、超瞬变电抗等重要参数和不同工况下的励磁电流、三相突然短路电流以及转子附加损耗等性能指标进行详细分析和计算,部分结果还与磁路法进行了对比验证,研究工作为大容量、高性能同步发电机的设计优化、运行分析奠定了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题的背景及研究意义
• 1.2 研究动态
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究动态
• 1.3 本文研究内容和研究方法
• 第二章 有限元方法及计算流程
• 2.1 电磁场基本原理
• 2.2 有限元法原理
• 2.3 ANSYS介绍
• 2.4 有限元法计算流程
• 2.4.1 假设条件
• 2.4.2 建模与赋材料属性
• 2.4.3 剖分与边界条件
• 2.4.4 加载与求解
• 2.4.5 后处理
• 2.5 小结
• 第三章 励磁电流计算
• 3.1 概述
• 3.2 空载电压为额定电压时的励磁电流
• 3.2.1 二维场计算
• 3.2.2 三维场计算
• 3.3 稳态短路电流为额定电流时的励磁电流
• 3.4 带额定负载（功率因数给定）时的励磁电流
• 3.5 小结
• 第四章 稳态参数计算
• 4.1 概述
• 4.2 定子、转子电阻
• 4.2.1 定子相电阻
• 4.2.2 转子电阻
• 4.3 定子、转子槽漏抗
• 4.3.1 等效磁路法计算槽漏抗
• 4.3.2 磁场能量数学模型
• 4.3.3 槽漏感与磁场能量的关系
• 4.3.4 定子槽漏抗
• 4.3.5 转子槽漏抗
• 4.4 直轴、交轴电枢反应电抗不饱和值
• 4.4.1 等效纯直轴磁势与纯交轴磁势
• 4.4.2 直轴电枢反应电抗不饱和值
• 4.4.3 交轴电枢反应电抗不饱和值
• 4.5 小结
• 第五章 暂态特性分析
• 5.1 概述
• 5.2 暂态参数计算
• 5.2.1 谐波场计算原理
• 5.2.2 瞬变电抗
• 5.2.3 直轴超瞬变电抗
• 5.3 三相突然短路时的冲击电流分析
• 5.3.1 场路耦合-时步有限元法介绍
• 5.3.2 空载时三相突然短路
• 5.3.3 额定负载时三相突然短路
• 5.3.4 计算结果分析
• 5.4 小结
• 第六章 转子铁心损耗计算
• 6.1 概述
• 6.2 额定空载时转子铁心损耗
• 6.3 稳态短路时转子铁心损耗
• 6.4 额定负载时转子铁心损耗
• 6.5 槽楔和阻尼绕组对转子铁心损耗的影响
• 6.5.1 单独考虑槽楔时的转子铁心损耗
• 6.5.2 考虑槽楔和阻尼绕组共同作用时的转子铁心损耗
• 6.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 个人简历、攻读学位期间的研究成果
• 致谢