抽水蓄能机组发电电动机电磁参数与端部电磁场问题研究

摘要

发电电动机是抽水蓄能机组的核心设备，经常在静止、发电、抽水和调相四种运行状态之间频繁切换，给电机的设计分析带来很多困难。特别是关乎发电电动机运行性能与可靠性的电磁参数和端部磁场问题，一直是学术界和工程界的研究热点。本文以抽水蓄能发电电动机为研究对象，对多工况运行下电磁参数和端部电磁场的计算方法、变化规律、影响因素以及结构优化问题进行研究。
　　针对发电电动机具有多工况运行的特点，提出了快速确定发电电动机稳态负载运行工况的新端点迭代法—内切圆迭代法，并通过与实测值对比验证了方法的合理性;提出了发电电动机电磁参数的三维磁场计算方法，给出了求解域的合理简化方法，得到了发电电动机在发电与抽水两种运行工况下稳态和瞬态电磁参数的饱和值与不饱和值;对比了发电电动机电磁参数的三维磁场计算方法与二维磁场计算方法之间的差异并分析了引起差异的原因，为电磁参数数值计算方法的合理选择提供了参考。
　　研究了发电电动机在发电和抽水两种运行工况下作无功调节时，稳态电磁参数的变化规律;分析了转子极靴结构对发电电动机稳态电磁参数与瞬态电磁参数的影响，得到了在发电与抽水两种工况下分别采用单圆弧结构、均匀气隙三段圆弧结构与非均匀气隙三段圆弧结构时电磁参数的变化规律;分析了阻尼绕组结构对发电电动机瞬态电磁参数的影响，得到了在发电与抽水两种工况下，瞬态电磁参数随阻尼条根数、阻尼条节距以及阻尼环连接方式变化的规律，为发电电动机转子结构的优化设计提供依据。
　　建立了多种稳态运行工况下发电电动机端部磁场的三维瞬态涡流场有限元计算模型，对比了在额定发电与额定抽水工况下端部磁场和端部结构件损耗的分布特点，并将端部结构件损耗作为热源计算了电机的端部温度场，通过与温升实测值的对比间接地验证了端部磁场的计算模型与损耗计算方法的合理性;研究了发电电动机在发电进相运行时的端部磁场与端部结构件损耗随进相深度变化的规律;针对发电电动机稳态运行时定子端部结构件涡流损耗的分布特点与产生机理，提出了可以有效降低定子压板涡流损耗的拱形定子压板结构以及可以有效降低定子压指涡流损耗的阻流陶瓷式定子齿压板结构。
　　建立了发电电动机在异步起动、电气制动和并网三种典型的复杂动态过程中的磁场—电路—机械运动耦合计算模型，得到了在空载全压异步起动、2倍空载励磁电流时电气制动和95％工频并网过程中，发电电动机的各绕组电流、转速和电磁转矩的动态变化规律。研究了发电电动机的端部磁场在三种工况下的暂态过程以及端部结构件损耗的动态变化规律，并与稳态运行工况进行了对比。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．2 国内外研究现状及存在问题

1．2．1 发电电动机研究现状

1．2．2 电磁参数计算研究现状

1．2．3 端部磁场数值计算研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第2章 基于三维磁场分析的发电电动机电磁参数计算

2．1 电磁参数的三维磁场计算方法

2．1．1 三维磁场的计算模型

2．1．2 电磁参数的计算过程

2．2 基于内切圆迭代法的稳态负载运行工况计算

2．2．1 稳态负载运行工况计算原理

2．2．2 内切圆迭代法

2．2．3 计算结果与实验验证

2．3 电磁参数的三维磁场计算结果

2．3．1 稳态电磁参数计算结果

2．3．2 瞬态电磁参数计算结果

2．4 三维磁场与二维磁场计算结果对比

2．4．1 稳态电磁参数计算结果对比

2．4．2 瞬态电磁参数计算结果对比

2．5 本章小结

第3章 发电电动机电磁参数的变化规律与影响因素研究

3．1 稳态电磁参数随工况的变化规律分析

3．1．1 有功功率不变时稳态电磁参数变化规律分析

3．1．2 视在功率不变时稳态电磁参数变化规律分析

3．2 极靴结构对电磁参数的影响

3．2．1 极靴结构对稳态电磁参数的影响

3．2．2 极靴结构对瞬态电磁参数的影响

3．3 阻尼绕组结构对瞬态电磁参数的影响

3．3．1 阻尼环连接方式对瞬态电磁参数的影响

3．3．2 阻尼条节距对瞬态电磁参数的影响

3．3．3 阻尼条根数对瞬态电磁参数的影响

3．4 本章小结

第4章 发电电动机稳态运行时端部磁场与降低结构件损耗方法研究

4．1 端部磁场与结构件损耗的计算方法

4．1．1 端部磁场的计算方法

4．1．2 结构件损耗的计算方法

4．2 发电与抽水运行时端部磁场与结构件损耗分析

4．2．1 端部磁场分析

4．2．2 结构件损耗分析

4．2．3 计算结果的间接实验验证

4．3 发电进相运行时端部磁场与结构件损耗分析

4．3．1 端部磁场分析

4．3．2 结构件损耗分析

4．4 降低端部结构件损耗的方法

4．4．1 降低定子压指损耗的方法

4．4．2 降低定子压板损耗的方法

4．5 本章小结

第5章 发电电动机端部磁场暂态分析与结构件损耗研究

5．1 并网时端部磁场与结构件损耗分析

5．1．1 发电工况并网的数值计算

5．1．2 并网时端部磁场分析

5．1．3 并网时结构件损耗分析

5．2 电气制动时端部磁场与结构件损耗分析

5．2．1 发电工况电气制动的数值计算

5．2．2 电气制动时端部磁场分析

5．2．3 电气制动时结构件损耗分析

5．3 异步起动时端部磁场与结构件损耗分析

5．3．1 抽水工况异步起动的数值计算

5．3．2 异步起动时端部磁场分析

5．3．3 异步起动时结构件损耗分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

致谢