37283字硕士毕业论文发电机电机阻尼绕组电流和空负载电压畸变率的计算与分析

第一章引言

1.1项目背景和研究意义

能源是推动社会和经济发展的因素之一。它不仅关系到民生，也是国家战略的重要组成部分。中国的能源问题面临着国内外环境和资源的制约。改善能源问题还有很长的路要走。推进能源生产和利用方式转变，优化和调整能源结构势在必行。增强能源科技创新能力，提高新能源和可再生能源比重，加强智能电网建设是能源产业改革的方向。随着智能电网的蓬勃发展，抽水蓄能电站在储能、调峰填谷、电网稳定运行等方面发挥着越来越重要的作用。[1，2]。此外，随着风电和太阳能装机容量的不断提高，风电和抽水蓄能的组合优化逐渐成为应对风电和太阳能等间歇性能源随机性和不确定性的新趋势，电网对风电的吸收能力也有了很大提高[3-6]；核电和抽水蓄能的联合运行降低了电力系统的调峰压力，极大地提高了经济性[7-9]。发电电动机作为抽水蓄能电站的核心设备，具有运行条件多、转换频繁、过渡过程复杂等特点。它的安全稳定运行已成为技术人员和学者[的热门话题。阻尼绕组是大型电机的基本结构之一。当处理诸如突然负载变化、短路故障和不对称操作的严重操作条件时，由阻尼绕组中感应的电流产生的附加磁场可以有效地减小对电机转子[11、12的影响。阻尼绕组的损坏是由焊接、振动疲劳等引起的。阻尼绕组上的应力包括电磁力、热应力和离心力，它们都与阻尼绕组中感应的电流有关。当电机不对称运行时，阻尼绕组中负序磁场的过度损耗会导致阻尼条升得过高而变形，在离心力的作用下，阻尼条会被挤出槽口，甚至被甩出并折断。阻尼绕组损坏在国内外很常见，如湖南高滩电站[13]。抽水蓄能电站在电网中的作用决定了发电机电机的频繁启停和双向旋转。因此，发电机电机的阻尼绕组面临更多的问题，需要更多的关注。电机设计初期应注意阻尼绕组温升过高等问题。通过阻尼绕组的优化设计，减小阻尼绕组中感应电流的大小，以减少不必要的损耗。阻尼绕组对电机的稳定运行非常重要。然而，阻尼绕组电流和空负载电压的畸变率往往不能同时达到最优。有必要确保失真率小于国家标准值[14]，同时确保阻尼绕组的电流或损耗较小。

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1.2国内外研究现状

在电机实际运行期间，阻尼杆中的电流测量通常通过安装在其上的电流霍尔传感器来完成。1960年，国外专家学者提出了一种计算阻尼条电流的分析方法。此后，该分析方法被用于计算不同运行条件和电机故障条件下的阻尼绕组电流。然而，该分析方法不能考虑结构因素和岩心饱和度的影响。有限元法的引入解决了这一问题，在研究工作中取得了历史性突破。哈尔滨电机学院学者李盛喆从直轴回路、横轴回路和磁引入手分析计算了阻尼绕组中感应的电流，并推导出感应电流[产生的附加磁动势的解析公式。浙江大学学者王玉东等。提出了齿谐波电势和齿频电流的解析计算方法。在此基础上，对阻尼绕组中各谐波电流产生的附加磁场和定子绕组中感应的齿谐波进行了[研究。国外学者李希兹-加里克深入研究了定子绕组和阻尼绕组中的谐波数和幅值，用解析法得到了阻尼绕组和电枢绕组产生的谐波磁势表达式，并研究了阻尼绕组电流[17，18]的分布。瑞士联邦理工学院学者班亚伊(Banyai)等人提出了阻尼绕组电流的多回路分析方法和等效电路的简化分析算法，并获得了阻尼条电流及其分布。与数值方法的计算结果相比，前者更准确，[19]。华中科技大学学者李汝龙等。用多回路法计算了同步电机负载突然变化时，不同阻尼杆数量、直径和阻尼节距的阻尼绕组的暂态电流和损耗。通过优化阻尼绕组的结构，可以减小功角振荡，提高系统的稳定性，[20]。克拉克森理工大学学者约万诺夫斯基将等效电路法应用于同步电机异步运行时阻尼条电流的计算，并进行了实验，获得了不同转差率下阻尼条电流的变化规律[21]。

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第二章发电机电机阻尼绕组电流的计算与分析

2.1导言

阻尼绕组是发电机和电动机的基本结构之一。在应对负载突变、短路故障和电机不对称运行等恶劣工况时，阻尼绕组中感应电流产生的附加磁场可以有效降低对电机转子的影响。然而，感应电流将导致阻尼绕组的额外损耗。此外，附加磁场在定子绕组中感应出谐波磁势，导致电机电压波形恶化和潜在失真率增加[39]。抽水蓄能发电机由于其特殊的运行方式，运行条件多，转换频繁，转换过程复杂。在不同的工作条件和工作条件转换过程中，在阻尼绕组中感应的电流及其谐波频率是不同的，导致更复杂的附加磁场。本章采用时步有限元法对发电机和电动机不同运行条件下阻尼绕组的电流和谐波分布进行了计算和分析。

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2.2电机空负载运行阻尼绕组电流

选择SFD250-24/8500发电机电机和SFD150-30/8100发电机电机为研究对象，其中前一极靴为三段弧形极靴，后一极靴为单弧形极靴。两台发电机电机的参数见表2-1。在空负载操作期间，每个阻尼槽壁的平均磁密度如图2-5b所示)。极靴两侧阻尼槽壁的磁密度较大，而磁极中心附近阻尼槽壁的磁密度较小。两侧阻尼槽靠近极靴，磁力线相对集中，磁密度相对较高。顺时针方向依次标记阻尼条，1号阻尼条的电流波形和谐波分解如图2-6所示。由于转动定子槽的顺序，阻尼绕组的电流相位依次滞后，滞后角由夹在上述阻尼条之间的机械角计算。当电机空在负载下运行时，阻尼条电流的主要成分是齿谐波，电机每极对定子槽数为1Z/ p =30，因此电流的主要成分是30倍的齿频电流。此处采用电机设计方案，即槽距比为1，对降低齿谐波影响不大，定子绕组为全距绕组。除基波外，气隙磁场还具有5至7倍空的谐波。谐波磁场在阻尼绕组中感应出谐波磁势，因此有6n个谐波电流，如图2-7所示。当阻尼节距合适时，感应电流仅为齿频电流。

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第三章谐波……发电机电机20的阻尼绕组电流

3.1导言.........20

3.2阻尼间距对阻尼绕组电流的影响.........20

3.2.1极靴类型的影响......20

3.2.2阻尼器数量对……23

3.3磁性槽楔对阻尼绕组电流的影响.........25

3.4阻尼条直径对阻尼绕组电流29的影响

3.5阻尼绕组中心偏移对阻尼绕组电流的影响.........31

3.6总结.........32

第四章发电机电机空电压波形的分析与研究……34

4.1导言.........34

4.2电机空负载测试.........34

4.3阻尼间距对电压畸变率37的影响

4.4阻尼绕组中心偏移对电压畸变率的影响…… 41

4.5阻尼杆直径对电压失真的影响.........44

4.6本章总结.........45

第四章发电机电机空负载电压波形的分析与研究

4.1导言

大型电机作为发电设备之一，其电压波形直接关系到机组和电网的安全稳定运行。电压谐波不仅会在定子和转子电路以及铁芯中造成不必要的额外损耗，还会带来噪音和温升等危险，[41]。发电电动机作为黑启动电源之一，在电网供电恢复中起着重要作用，电压等电能指标的质量非常重要。此外，在电机设计阶段，阻尼绕组电流和空负载电压畸变率往往不能同时达到最优，因此需要进行结构优化设计以满足两者的要求。阻尼绕组和极靴形状是影响空负载电压畸变率[42]的重要因素。本章分析了极靴形状和不同阻尼参数如阻尼节距、阻尼绕组数量、阻尼绕组直径、阻尼绕组中心偏移等结构因素对电压波形畸变率的影响，并研究了电压谐波的分布和规律。

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结论

阻尼绕组是发电机电机的重要结构。阻尼绕组的电流和产生的附加磁场不仅关系到电机的稳定运行，还与电压波形的畸变率密切相关。研究阻尼绕组的结构具有重要的理论意义和工程实用价值。本文研究了发电机和电动机不同工况下阻尼绕组电流和阻尼槽磁密度的分布规律，结构因素对阻尼绕组电流和阻尼槽壁磁密度分布规律的影响，及其对空负荷电压畸变率和电压主谐波的影响规律，得出如下结论:

1.建立了计算阻尼绕组电流和各谐波的数学模型，分析和揭示了磁场对阻尼绕组感应电流的影响。得出了发电机和电动机不同工况下阻尼绕组电流、谐波特性和阻尼槽壁磁密度的分布规律，并从阻尼结构优化、定子谐波磁动力等方面降低了阻尼绕组电流。

2.在发电机电机空负载条件下，用时间步长有限元法计算了阻尼槽壁的阻尼绕组电流、谐波和磁密度，得到了它们的分布特性。揭示了阻尼节距、阻尼杆数量、阻尼杆直径、阻尼绕组中心偏移、磁槽楔等一个或多个因素对阻尼绕组电流和谐波分布规律的影响，确定了各种因素影响下的最优值。得出了结构因素对阻尼槽壁磁密度分布的影响特征。

3.发电机电机的电压谐波通过电机空负载测试进行测量，并计算空负载电压波形的失真率。通过与有限元计算结果的比较，验证了计算结果的正确性。采用时步有限元法计算发电机电机结构因素变化时的电压波形。分析并给出了槽距比、阻尼杆数量、阻尼绕组直径、中心偏移等结构因素对电压波形畸变率的影响规律。得到了空负荷电压波形中主要谐波随结构参数的变化规律。提出了优化方案，为发电机电机电压波形优化提供了参考。

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参考文献(省略)