Advances in Energy and Power Engineering
Vol.03 No.03(2015), Article ID:15382,10 pages
10.12677/AEPE.2015.33008

Finite Element Simulation of Electromagnetic Properties for 300 MW Turbogenerator

Yi Zhang, Shuquan Zhang, Cai Chen, Huijuan Liu

Electrical Engineering Institution, Beijing Jiaotong University, Beijing

Email: 14121512@bjtu.edu.cn, tjzhshq@163.com, hjliu@bjtu.edu.cn, 13121387@bjtu.edu.cn

Received: May 20th, 2015; accepted: Jun. 2nd, 2015; published: Jun. 9th, 2015

Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc.

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ABSTRACT

In this paper, no-load characteristic, short-circuit characteristic and air-gap flux density, EMF, electromagnetic torque and core losses of a 300 MW turbogenerator are calculated and presented by using the Ansoft Maxwell finite element software. The coreloss distributions in stator yoke along radial are simulated by using the accurate Bertotti model. All the results can provide theoretical foundation for temperature field calculation and reducing consumption measures, and at the same time provide some references for the further study of unit operation and parallel operation as well as various fault diagnosis of the turbogenerator.

Keywords:Turbogenerator, Electromagnetic Properties, Electromagnetic Parameter, Finite Element Analysis

300 MW汽轮发电机电磁性能的有限元仿真计算

张 毅,张树权,陈 财,刘慧娟

北京交通大学电气工程学院,北京

Email: 14121512@bjtu.edu.cn, tjzhshq@163.com, hjliu@bjtu.edu.cn, 13121387@bjtu.edu.cn

收稿日期:2015年5月20日;录用日期:2015年6月2日;发布日期:2015年6月9日

摘 要

本文利用Ansoft Maxwell有限元软件对一台300 MW汽轮发电机的空载特性、短路特性以及气隙磁密、感应电势、电磁转矩和铁耗等电磁参数进行了计算分析,采用精度较高的Bertotti铁耗模型得到定子轭部铁耗沿径向分布状况,为发电机温度场计算以及降耗措施提供理论依据,同时为进一步研究汽轮发电机单机运行、并网运行及各种故障状态提供参考依据。

关键词 :汽轮发电机,电磁性能,电磁参数,有限元分析

1. 引言

汽轮发电机作为我国电力系统的主要发电机组,其电磁性能对于提高发电系统稳定性和效率有重要的影响作用,随着科技生产力的不断发展,汽轮发电机组的容量日益提高,相应的其温升和损耗也在不断增加,研究其电磁性能可以更好地分析其运行特性以便提升汽轮发电机的效率。目前,国内外计算汽轮发电机电磁性能的方法主要有:采用连续场模型的解析方法和采用离散模型的数值方法,以及以场为基础的齿回路法,但这些方法存在计算时间长或计算精确度低的缺点,随着电机容量和电磁负荷的逐渐增加,这些方法已不能满足计算需求[1] 。Ansoft Maxwell有限元计算软件的广泛应用,可以使汽轮发电机电磁参数的计算以及瞬态过程的仿真更加准确。另外,有限元技术为进一步优化发电机结构设计,如为转子侧所采用的偏槽及小槽结构的分析提供了强有力的支持,使汽轮发电机的电磁参数的计算分析提高到了一个新的水平。通过有限元仿真使得电磁参数更加精确,在分析磁场和铁耗分布时得到的结果更加趋于实际情况。本文利用Ansoft Maxwell有限元软件对一台300 MW汽轮发电机各运行状态进行了有限元分析与计算。

2. 电机有限元分析与计算

利用Ansoft Maxwell有限元软件分析电机电磁场的主要步骤包括模型建立、材料设置、边界条件和激励源设置,网格剖分,求解和后处理等[2] 。

2.1. 电机模型

300 MW汽轮发电机的参数如表1所示,电机的二维模型如图1所示。其中,电机极数为2,定子槽数为54,定子绕组为双层短距绕组,转子槽数为32,转子槽的排列如图1所示为不均匀的分布,其中28个槽分配给两个大齿,另外的4个槽分别靠近大齿,且比其它槽浅。电机的定子铁芯材料为DW310-35,转子铁芯采用26Cr2Ni4MoV合金钢。电机模型的网格剖分如图2所示。为了采用精度较高的Bertotti模型研究电机空载和额定负载时定子轭部铁耗分布,在仿真模型中,将定子轭部沿径向均分为11等分,将最外层定为第1层,依次往内递增1,最内层为第11层,如图3所示。定子铁芯材料DW310-35在工频50 Hz时的损耗曲线,即B-P曲线如图4所示。

2.2. 空载特性

当转子以同步转速3000 rpm旋转,定子绕组开路,逐渐增加转子绕组的激励电流,可以得到电机的空载特性曲线如图5所示。

Figure 1. The model of turbogenerator

图1. 汽轮发电机模型

Figure 2. Mesh figure

图2. 网格剖分图

Figure 3. The model of sharing yoke

图3. 轭部均分后的模型

当转子绕组激励电流为987 A时,电机空载运行的气隙磁密波形为如图6所示的平顶波,对该气隙磁密进行谐波分析,得到如图7所示的谐波含量图,其中气隙磁密基波的幅值为0.98 T,由于采用的是短距绕组,节距y = 22,因此5次谐波含量较少,3次和7次谐波的含量较大,其幅值分别为0.048 T和0.038 T。

电机空载时利用Ansoft软件计算的铁耗曲线如图8所示,可见,在空载运行时,定子铁耗会维持在463~464 kW左右。为了精确计算定子轭部的铁耗分布,利用Bertotti模型[3] -[5] ,计算图3所示的各层

Figure 4. DW310-35 coreloss versus flux density curve (50 Hz)

图4. DW310-35铁损曲线(50 Hz)

Figure 5. The characteristic curve at no-load and short-circuit condition

图5. 空载与短路特性曲线

Figure 6. The air gap flux density waveform at no-load condition

图6. 汽轮发电机空载时气隙磁密波形

Figure 7. The harmonic contents of the air gap flux density at no-load condition

图7. 空载时气隙磁密谐波含量

Figure 8. Coreloss curve at no-load condition and at the rated operation

图8. 铁耗曲线

Table 1. Main parameters of turbogenerator

表1. 汽轮发电机主要参数

铁耗值,计算中,需要考虑硅钢片因加工、磁密分布不均匀、磁密波形非正弦及旋转磁化等因素而引起的损耗,引入了损耗增加系数,其中齿部损耗增加系数取为kt = 1.5 ,轭部损耗增加系数取为ky = 1.3。该方法利用有限元计算得到的单元面积Δe 和对应的磁感应强度Be,通过下式[6] 计算发电机定子齿部和轭部铁心损耗值。

(1)

(2)

其中,N为定子铁心总剖分单元数;为齿部第i个单元的磁密幅值;为轭部第i个单元的磁密幅值;为齿部第i个单元的重量,为轭部第i个单元的重量, 为铁心材料密度,l为定子铁心净长;为材料常数。在本文中 [7] 。利用铁耗计算模型得出定子轭部11层的铁耗分布如图9所示。

图9可以看出在空载运行时汽轮发电机定子轭部铁耗值从外层到内层逐渐增大,原因是越靠近气隙磁密越大,铁耗值与磁密幅值的平方值成正比[8] ,因此也相应增强,符合实际情况,此分布情况也可用于分析温度场的变化。

2.3. 短路特性

当电机转子以同步转速3000 rpm旋转,定子绕组短接,逐渐增加转子绕组的激励电流,可以得到电机定子绕组电流与转子励磁电流的关系曲线,即电机的短路特性曲线,如图5中的短路特性所示。由于当电机定子绕组短路时,电枢磁动势接近于纯去磁性的直轴磁动势,因此磁路处于不饱和状态,故短路特性曲线近似为一条直线。从图5中可以看出,当电机定子绕组的短路电流为电机额定电流时,此时的转子励磁电流约为1700 A,电机空载时,感应电动势达到额定电压时的励磁电流为987 A,因此该发电机的短路比约为0.58,而设计值为0.6,因此,可知此电机模型与实际电机比较接近。

2.4. 交直轴电抗的计算

电抗是反映电机内磁饱和程度的参数,对于隐极同步发电机,其同步电抗可以通过空载特性和短路特性来获得,对本文的300 MW汽轮发电机,根据其额定数据可得到其同步电抗值为

(3)

本文利用有限元软件采用转差法来测量并计算Xd和Xq。将电机转子转速设为2970 rpm,即接近但

Figure 9. Distribution of yoke coreloss at no-load condition

图9. 空载轭部铁耗分布图

不等于同步转速,转差率为0.01,励磁绕组开路,定子绕组施加50 Hz三相对称交流电流,电流幅值为100 A,当定子旋转磁场与直轴重合时,此时计算出的电抗为直轴电抗Xd,当定子旋转磁场与交轴重合时,此时计算出的电抗为交轴电抗Xq

有限元仿真计算出A相磁链波形如图10所示。磁链呈包络线形状,由于是隐极电机,因此其交、直轴磁链几乎相等,若是凸极电机,其磁链包络线形状则会更加明显。由,可以推出Xd和Xq。从图10可以读出:,则Ld = 0.0056H,Lq = 0.0054 H,因此Xd = 1.758 W,Xq = 1.696 W。根据发电机的额定数据,可计算出阻抗基值为

(4)

因此,分别为155%和150%。由于转差法是在磁路不饱和的情况下进行测量的,因此得到的电抗值均为不饱和值。

2.5. 额定运行状态的仿真

在仿真发电机额定运行性能之前,首先需要确定发电机转子的初始位置。利用Ansoft Maxwell软件,可以通过堵转运行的仿真计算来确定转子初始位置角,或者通过改变定子电流的初相位,计算出发电机的转矩随定子电流初相位角变化的曲线,以此来确定转子初始位置角[9] 。本文通过堵转运行的仿真计算,得到如图11所示的发电机转矩随转子位置角变化的曲线,从中可确定转子初始位置角为103.33度,且发电机转矩随转子位置角呈正弦规律变化,与发电机的功角特性曲线类似,发电机的最大转矩可以达到1300 kNm。

在确定发电机的转子初始位置后,给发电机的转子绕组加额定励磁电流(2510 A),转子转速为3000 rpm,定子绕组加频率为50 Hz、有效值为10,189 A的三相对称交流电流时,发电机处于额定运行状态。图12图13为发电机在额定状态时的磁力线分布图和磁密云图。

图14为额定运行时的气隙磁密波形,与空载时的气隙磁密波形相比可知,额定运行时的气隙磁密波形近似为正弦波,且由于电枢反应的作用,使得负载时的磁密波形相对于电机直轴发生了偏移。图15为额定运行时气隙磁密的谐波含量图,可见,其基波幅值为1.45 T,3次和5次谐波含量较大,其幅值分别为0.13 T和0.06 T,5次以上谐波含量较少。

图16为发电机在额定运行时的定子绕组三相感应电动势波形。根据发电机的额定数据UN = 20 kV,

Figure 10. The flux linkage waveform of stator winding A

图10. 定子绕组A相磁链波形

Figure 11. The torque versus rotor position curve

图11. 转矩与转子位置曲线

Figure 12. Distribution of magnetic lines at the rated operation

图12. 磁力线分布图

Figure 13. Flux density at the rated operation

图13. 磁密云图

IN = 10189 A,定子绕组为双Y连接,由隐极同步发电机的相量图可知 [10] ,可以计算出发电机的感应电动势,即额定状态下的感应电动势有效值应为24.57 kV,其幅值为34.74 kV,而从图16中可读出发电机感应电动势的幅值为34.57 kV,有限元仿真计算值与发电机的设计值基本一致。

Figure 14. The air gap flux density waveform at the rated operation

图14. 额定运行时气隙磁密波形

Figure 15. The harmonic contents of the air gap flux density at the rated operation

图15. 额定运行时气隙磁密谐波含量

Figure 16. EMF waveform at the rated operation

图16. 感应电动势曲线图

发电机额定运行时的转矩曲线如图17所示,从图中可得到转矩的平均值为949.15 kNm。利用发电机的额定数据可计算出额定转矩的理论值为:

Figure 17. Torque waveform at the rated operation

图17. 转矩曲线

Figure 18. Distribution of stator yoke coreloss at the rated operation

图18. 额定运行定子轭部铁耗分布图

(5)

可见发电机转矩的有限元计算值与理论计算值非常一致。

电机额定负载运行时利用Ansoft软件计算的铁耗曲线如图8所示,可见,该电机在额定负载运行时定子铁耗最终会稳定在674~676 kW之间,其铁耗值较大。由图2的剖分图可以观察到轭部单元面积,结合磁密分布图可以得到剖分单元对应的磁密值,利用汽轮发电机定子铁耗计算模型(公式(2))计算相应的轭部铁耗,得出定子轭部11层的铁耗分布如图18所示。由上图看出铁耗值从轭部最外层到最内层逐渐增大,这主要是由于磁密逐渐增大;在齿轭联接处附近由于对应剖分面积减小过多导致铁耗值下降,由此可见,沿径向从外层到内层定子轭部铁耗呈现递增趋势。

3. 总结

本文利用Ansoft Maxwell有限元软件对300 MW汽轮发电机的空载特性、短路特性及额定运行时的各电磁参数进行了计算分析,分析结果表明:1) 利用有限元软件能精确仿真发电机的运行特性,通过对空载特性和短路特性的仿真,计算出发电机的短路比(0.58)与设计值(0.6)的误差为0.02;通过对发电机额定运行状态的仿真计算,仿真出的感应电动势幅值为(34.57 kV)与设计值(34.74 kV)的误差为0.17 kV;仿真的转矩(949.15 kNm)与设计值(955 kNm)的误差为5.85 kNm,都有很好的一致性。2) 利用Bertotti模型可以计算得到空载与额定负载时定子轭部铁耗的分布特点,即定子轭部外层铁耗低于内层铁耗,从外层到内层总体上呈现递增趋势。总之,有限元软件能够精确计算发电机在不同工况下的电磁性能,为发电机温度场计算和降耗措施的制定提供依据,同时为进一步研究汽轮发电机单机运行、并网运行及故障状态提供有效的参考依据。

文章引用

张 毅,张树权,陈 财,刘慧娟, (2015) 300 MW汽轮发电机电磁性能的有限元仿真计算
Finite Element Simulation of Electromagnetic Properties for 300 MW Turbogenerator. 电力与能源进展,03,45-55. doi: 10.12677/AEPE.2015.33008

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