本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是一種電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)是依據(jù)相似定理，按照原型電力系統(tǒng)的物理性質(zhì)建立起來的縮小比例模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行特性分析、二次設(shè)備試驗(yàn)測試、繼電保護(hù)技術(shù)研究的重要實(shí)驗(yàn)工具。大型汽輪發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)中主要的電氣設(shè)備之一，對電力系統(tǒng)的運(yùn)行有著重要的影響，在電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)中，采用小型電勵(lì)磁同步電機(jī)作為模擬電機(jī)來模擬作為原型電機(jī)的大型汽輪發(fā)電機(jī)的機(jī)電與電磁特性，尤其是原型電機(jī)的暫態(tài)特性。模型電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，反映在其對原型電機(jī)的模擬的準(zhǔn)確性上，決定了電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)的可靠性及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性，對于電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)的建設(shè)與電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)的開展都具有重要意義。傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)理論相對完善，對模擬電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考與借鑒作用。但傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證電機(jī)在額定運(yùn)行點(diǎn)附近達(dá)到需求的運(yùn)行特性，并在此目標(biāo)的基礎(chǔ)上形成電機(jī)的設(shè)計(jì)程序。該設(shè)計(jì)程序一般是在確定了電機(jī)基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通過成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，對經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整或重新設(shè)計(jì)，得到電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法，例如有限元方法等也在電機(jī)設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用，主要用于對電機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行校核。但現(xiàn)有的電勵(lì)磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)方法并不適合于電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)中模擬電機(jī)的設(shè)計(jì)。模擬電機(jī)的設(shè)計(jì)不能通過單純的將原型電機(jī)按比例縮小實(shí)現(xiàn)，而是需要根據(jù)相似判據(jù)，使得模擬電機(jī)的主要電磁參數(shù)標(biāo)幺值、時(shí)間常數(shù)與原型電機(jī)分別相等，模擬電機(jī)的非線性特性與原型電機(jī)相似。設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同使得傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以滿足模擬電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。因此，研究并提出適合模擬電機(jī)的設(shè)計(jì)方法就顯得尤為必要。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，該方法在滿足電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)微型化、試驗(yàn)安全方便的同時(shí)，使得模擬電機(jī)可以精確模擬大型汽輪發(fā)電機(jī)組的機(jī)電與電磁過程，實(shí)現(xiàn)對原型電機(jī)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)特性的精確模擬。本發(fā)明的目的可以通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，所述方法包括以下步驟：1)確定電機(jī)基本參數(shù)，包括電機(jī)的視在功率、功率因數(shù)、額定電壓、額定電流、及額定轉(zhuǎn)速等；2)根據(jù)電勵(lì)磁同步電機(jī)磁路計(jì)算公式，通過轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性時(shí)間常數(shù)與電樞反應(yīng)電抗目標(biāo)值計(jì)算確定轉(zhuǎn)子主要尺寸、氣隙長度、磁負(fù)荷與線負(fù)荷，通過定子繞組電阻與定子槽漏電抗目標(biāo)值選擇并計(jì)算定子槽型、定子槽尺寸以及定子繞組主要參數(shù)；3)根據(jù)電勵(lì)磁同步電機(jī)磁路計(jì)算公式，通過阻尼繞組漏抗與勵(lì)磁繞組漏抗目標(biāo)值，選擇并計(jì)算轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組與阻尼繞組的槽型和尺寸，計(jì)算勵(lì)磁繞組與阻尼繞組主要參數(shù)，勵(lì)磁繞組的主要參數(shù)包括：勵(lì)磁繞組電阻、漏電抗、端部漏電抗，阻尼繞組的主要參數(shù)包括：阻尼繞組直軸與交軸電阻、直軸與交軸漏電抗、端部電阻、端部漏電抗；4)在步驟2)與步驟3)的基礎(chǔ)上，完成電機(jī)初步電磁設(shè)計(jì)，包括硅鋼片材料的選擇、定子繞組與勵(lì)磁繞組線規(guī)的選擇與端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、阻尼籠尺寸與端部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等，使定子繞組與阻尼繞組主要電阻參數(shù)標(biāo)幺值與原型機(jī)基本相同，轉(zhuǎn)子繞組標(biāo)幺值與原型機(jī)基本相同；5)根據(jù)步驟4)完成的電機(jī)初步電磁設(shè)計(jì)，建立參數(shù)化電機(jī)有限元仿真模型，校核初步設(shè)計(jì)的結(jié)果，采用凍結(jié)磁導(dǎo)率有限元計(jì)算方法，根據(jù)同步電機(jī)雙軸等效電路模型逐個(gè)驗(yàn)證電抗參數(shù)并依次修正電機(jī)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸；6)根據(jù)步驟5)修正后的電機(jī)模型，通過有限元數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算電機(jī)穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)參數(shù)，校核電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)是否一致。優(yōu)選地，所述電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)電勵(lì)磁同步電機(jī)包括隱極同步電機(jī)與凸極同步電機(jī)。優(yōu)選地，步驟1)中，確定電機(jī)基本參數(shù)時(shí)需要考慮與電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)的匹配，包括：額定電壓的優(yōu)化選擇應(yīng)提高試驗(yàn)安全性，并綜合考慮電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)各段電壓等級的選擇，從而減少冗余設(shè)備；額定容量的優(yōu)化選擇在額定電壓選擇的基礎(chǔ)上，考慮電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)的容量需求以及繼電保護(hù)動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)研究對運(yùn)行電流的要求；額定轉(zhuǎn)速的選取需考慮原電動機(jī)與發(fā)電機(jī)的配合；模擬電機(jī)額定參數(shù)選擇應(yīng)同時(shí)顧及電機(jī)在容許發(fā)熱范圍內(nèi)改變?nèi)萘窟\(yùn)行的可能性。優(yōu)選地，步驟2)與步驟3)中所述電勵(lì)磁同步電機(jī)磁路計(jì)算公式是采用等效磁路法的思想，將空間磁場等效為多段磁路，將繞組等效為磁勢源、磁路結(jié)構(gòu)等效為磁導(dǎo)并進(jìn)行計(jì)算的方法。優(yōu)選地，步驟2)需考慮機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)的調(diào)節(jié)方式，模擬電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)取值應(yīng)小于原型電機(jī)并預(yù)留足夠的裕度給原電動機(jī)，為縮小電機(jī)體積，轉(zhuǎn)子長徑比可適度取大，但必須考慮定轉(zhuǎn)子槽滿率與電阻的要求，避免導(dǎo)致鐵芯高度飽和，定子槽設(shè)計(jì)原則為首先根據(jù)齒磁密與定子電阻要求確定槽寬與槽高，再根據(jù)漏抗和工藝要求確定槽口尺寸。優(yōu)選地，步驟3)應(yīng)首先考慮阻尼繞組槽與勵(lì)磁繞組槽在轉(zhuǎn)子空間平面的配合，避免轉(zhuǎn)子齒和軛的磁密飽和，再確定槽寬與槽高，通過槽口尺寸調(diào)節(jié)漏抗，瞬態(tài)過程中阻尼繞組感應(yīng)電流趨膚效應(yīng)程度與阻尼繞組槽型與尺寸選擇相關(guān)，趨膚效應(yīng)使得阻尼繞組電流分布不均，槽頂電密提高，影響阻尼繞組直、交軸槽漏抗參數(shù)，阻尼繞組槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮趨膚效應(yīng)對阻尼繞組漏抗的影響，調(diào)整槽頂與槽口結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，步驟4)應(yīng)重點(diǎn)考慮阻尼繞組端部與勵(lì)磁繞組端部的配合設(shè)計(jì)，將阻尼繞組端部同時(shí)兼做轉(zhuǎn)子端板，端板預(yù)留勵(lì)磁繞組線圈槽，勵(lì)磁繞組端部在端板外側(cè)，阻尼繞組銅條與端板焊接固定。優(yōu)選地，步驟5)中所述的凍結(jié)磁導(dǎo)率有限元計(jì)算方法包括以下步驟：第一步，建立電機(jī)瞬態(tài)有限元分析模型與定子繞組空載穩(wěn)態(tài)三相短路電路模型；第二步，通過電磁場-電路耦合計(jì)算，得到電機(jī)定子繞組三相短路瞬態(tài)過程中各時(shí)間點(diǎn)的定轉(zhuǎn)子硅鋼片磁導(dǎo)率仿真信息；第三步，建立電機(jī)靜態(tài)有限元分析模型，通過將第二步凍結(jié)的定轉(zhuǎn)子硅鋼片磁導(dǎo)率導(dǎo)入，采用靜態(tài)場有限元數(shù)值仿真方法，得到瞬態(tài)過程中定子繞組漏電抗、d軸電樞反應(yīng)電抗、q軸電樞反應(yīng)電抗、勵(lì)磁繞組漏電抗、d軸阻尼繞組漏電抗、q軸阻尼繞組漏電抗的標(biāo)幺值。優(yōu)選地，步驟5)中所述的凍結(jié)磁導(dǎo)率有限元計(jì)算方法，通過建立參數(shù)化電機(jī)有限元分析模型，編制計(jì)算機(jī)程序反復(fù)調(diào)整電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)并采用凍結(jié)磁導(dǎo)率有限元計(jì)算方法計(jì)算電機(jī)電抗，最終找到所需的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。優(yōu)選地，步驟6)中所述的通過有限元數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算電機(jī)穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)參數(shù)采用的是電磁場-電路耦合數(shù)值計(jì)算方法，具體包括凍結(jié)磁導(dǎo)率法與模擬實(shí)驗(yàn)法。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：本發(fā)明采用了將磁路計(jì)算與有限元計(jì)算結(jié)合的同步電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)方案，該方案具體提出針對動模電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并通過該磁路設(shè)計(jì)計(jì)算方法完成電機(jī)的初步設(shè)計(jì)，提出針對動模電機(jī)的電機(jī)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)參數(shù)有限元校核分析方法，并通過有限元分析完成動模電機(jī)設(shè)計(jì)方案的校核與修正，從而達(dá)到了形成適應(yīng)于動模電機(jī)的同步電機(jī)設(shè)計(jì)方法、形成適應(yīng)于動模電機(jī)的同步電機(jī)參數(shù)有限元計(jì)算方法、提高動模電機(jī)對原型電機(jī)參數(shù)模擬的精確性的效果，對于指導(dǎo)電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)中模擬電機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)，對于動模系統(tǒng)的建設(shè)與電力系統(tǒng)動模實(shí)驗(yàn)研究的開展具有重要意義。附圖說明圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)同步電機(jī)定子沖片設(shè)計(jì)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計(jì)示意圖。圖3是本發(fā)明電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法的流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1：如圖1、圖2所示的電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)同步電機(jī)定子沖片與轉(zhuǎn)子沖片，采用如圖3所示的電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，所采用的計(jì)算方法包括電勵(lì)磁同步電機(jī)等效磁路計(jì)算方法、瞬態(tài)電磁場-電路耦合有限元數(shù)值計(jì)算方法、靜態(tài)電磁場有限元數(shù)值計(jì)算方法，該設(shè)計(jì)方法包括下述步驟：1)確定電機(jī)基本參數(shù)，包括電機(jī)的視在功率、功率因數(shù)、額定電壓、額定電流、及額定轉(zhuǎn)速；2)根據(jù)電勵(lì)磁同步電機(jī)磁路計(jì)算公式，通過轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性時(shí)間常數(shù)與電樞反應(yīng)電抗目標(biāo)值計(jì)算確定轉(zhuǎn)子主要尺寸、氣隙長度、磁負(fù)荷與線負(fù)荷，通過定子繞組電阻與定子槽漏電抗目標(biāo)值選擇并計(jì)算定子槽型、定子槽尺寸以及定子繞組主要參數(shù)；3)根據(jù)電勵(lì)磁同步電機(jī)磁路計(jì)算公式，通過阻尼繞組漏抗與勵(lì)磁繞組漏抗目標(biāo)值，選擇并計(jì)算轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組與阻尼繞組的槽型和尺寸，計(jì)算勵(lì)磁繞組與阻尼繞組主要參數(shù)，勵(lì)磁繞組的主要參數(shù)包括：勵(lì)磁繞組電阻、漏電抗、端部漏電抗，阻尼繞組的主要參數(shù)包括：阻尼繞組直軸與交軸電阻、直軸與交軸漏電抗、端部電阻、端部漏電抗；4)在步驟2)與步驟3)的基礎(chǔ)上，完成電機(jī)初步電磁設(shè)計(jì)，包括硅鋼片材料的選擇、定子繞組與勵(lì)磁繞組線規(guī)的選擇與端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、阻尼籠尺寸與端部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等，使定子繞組與阻尼繞組主要電阻參數(shù)標(biāo)幺值與原型機(jī)基本相同，轉(zhuǎn)子繞組標(biāo)幺值與原型機(jī)基本相同；5)根據(jù)步驟4)完成的電機(jī)初步電磁設(shè)計(jì)，建立參數(shù)化電機(jī)有限元仿真模型，校核初步設(shè)計(jì)的結(jié)果，采用凍結(jié)磁導(dǎo)率有限元計(jì)算方法，根據(jù)同步電機(jī)雙軸等效電路模型逐個(gè)驗(yàn)證電抗參數(shù)并依次修正電機(jī)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸；6)根據(jù)步驟5)修正后的電機(jī)模型，通過有限元數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算電機(jī)穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)參數(shù)，校核電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)是否一致。下面對模擬某型號汽輪發(fā)電機(jī)組的電磁與機(jī)械特性進(jìn)行進(jìn)一步的說明，根據(jù)動模系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，確定電機(jī)視在功率6kVA、額定功率因數(shù)0.9、額定轉(zhuǎn)速1500rpm、額定電壓100V，根據(jù)原型機(jī)組機(jī)械慣性時(shí)間常數(shù)與動模機(jī)組原動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，計(jì)算出電機(jī)機(jī)械慣性時(shí)間常數(shù)，根據(jù)合理長徑比確定電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑與鐵芯有效長度，根據(jù)原型電機(jī)電樞反應(yīng)電抗標(biāo)幺值計(jì)算電機(jī)氣隙長度。根據(jù)定子繞組電阻與定子漏抗標(biāo)幺值設(shè)計(jì)定子槽型與定子繞組，并通過等效磁路解析計(jì)算方法計(jì)算調(diào)整，同時(shí)根據(jù)合理的定子軛飽和程度確定定子軛寬與定子外徑，根據(jù)勵(lì)磁繞組漏抗標(biāo)幺值設(shè)計(jì)勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組槽型，并通過等效磁路法進(jìn)行計(jì)算調(diào)整，根據(jù)阻尼繞組漏電抗與阻尼繞組電阻標(biāo)幺值設(shè)計(jì)阻尼繞組槽型，并通過等效磁路法進(jìn)行計(jì)算調(diào)整，完成電機(jī)其他部分的電磁初步設(shè)計(jì)。建立電機(jī)參數(shù)化有限元計(jì)算模型，采用凍結(jié)磁導(dǎo)率法計(jì)算電機(jī)定子繞組漏抗、勵(lì)磁繞組漏抗、阻尼繞組漏抗、直軸同步電抗、交軸同步電抗、直軸瞬態(tài)電抗、直軸超瞬態(tài)電抗，采用模擬試驗(yàn)法計(jì)算電機(jī)空載特性、負(fù)載特性、短路特性等。根據(jù)本實(shí)施例設(shè)計(jì)的電機(jī)的部分主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1所示，根據(jù)本實(shí)施例設(shè)計(jì)的電機(jī)的部分穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)參數(shù)與原型電機(jī)的參數(shù)對比見表2所示，其中同步電抗為額定負(fù)載運(yùn)行值。表1實(shí)施例1的電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)名稱數(shù)據(jù)單位名稱數(shù)據(jù)單位定子外徑435mm轉(zhuǎn)子內(nèi)徑50mm定子槽數(shù)36槽鐵芯長度177.5Mm轉(zhuǎn)子實(shí)槽數(shù)16槽轉(zhuǎn)子虛槽數(shù)20槽阻尼繞組槽數(shù)20槽定子繞組型式雙層疊繞組勵(lì)磁繞組型式同心式繞組阻尼繞組型式鼠籠全阻尼表2實(shí)施例1的電機(jī)參數(shù)與原型機(jī)對比以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的實(shí)施例，但本發(fā)明專利的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明專利所公開的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明專利的技術(shù)方案及其發(fā)明專利構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3