Powerformer电磁设计及参数的有限元计算

摘要

Powerformer是一种新型的高压发电机，采用高压交联聚乙烯(XLPE)电缆作为定子绕组，定子绕组的截面为圆形，导体周围产生均匀电场分布，使发电机的输出电压达到电网电压水平。因此，不需要升压变压器而直接和输配电网相连，这给电厂带来很多好处，如提高了电厂的稳定性、效率等。Powerformer作为一种新型能量转换装置，其定子结构与传统电机有本质的不同，同时高压电缆的机械和电气特性也将影响Powerformer的性能，因而采用传统电机的设计方法很难准确的进行电磁设计。 首先介绍了Powerformer的原理、结构、特点和发展概况，以及国内高压电缆的现状。根据电缆的特性和外形尺寸，确定了Powerformer定子主要尺寸以及槽形的设计方法。即根据电缆的弯曲半径计算电机的定子内径，由电缆的外径确定电机的定子槽形，在此基础之上设计了一台容量2550kW，额定电压35kV的Powerformer。 其次，利用有限元软件ANSYS，计算Powerformer的端部漏抗和槽漏抗，详细介绍了端部漏抗的建模和求解过程。计算槽漏抗时，对三种槽形分别进行讨论，确定了根据圆形槽和矩形槽漏抗的解析解计算半圆形槽漏抗的方法。 最后，详细地介绍了有限元法计算Powerformer电抗参数的原理，包括二维稳态电抗、瞬态电抗和超瞬态电抗的求解。并介绍了Powerformer二维数学模型的建立，以及利用ANSYS计算稳态、瞬态和超瞬态参数。并将有限元法得到的Powerformer电磁参数跟设计结果进行比较，确定稳态参数的计算方法。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景

1.2 Powerformer的原理

1.3Powerformer的结构特点

1.3.1定子绕组和电缆结构

1.3.2定子铁心

1.3.3冷却系统

1.4 Powerformer的优点

1.5 Powerformer的发展展望

1.6 Powerformer电磁设计的意义

1.6.1同步电机磁路计算的意义

1.6.2同步电机参数计算的意义

1.7本论文研究的主要内容

第2章Powerformer的电磁设计

2.1 Powerformer主要尺寸的确定

2.1.1 Powerformer定子尺寸的确定

2.1.2 Powerformer定子槽形的确定

2.1.3定子每极每相槽数

2.1.4每槽导体数

2.1.5气隙的选择

2.1.6转子和阻尼绕组设计

2.2磁路计算

2.3设计结果

2.4本章小结

第3章Powerformer有限元计算的理论基础

3.1能量泛函

3.2剖分插值

3.3非线性方程的解法

3.4本章小结

第4章Powerformer漏抗的有限元计算

4.1端部漏抗的有限元计算

4.1.1三维物理模型的建立

4.1.2单元网格的获得

4.1.3电流密度加载

4.1.4边界条件处理

4.1.5端部磁场和漏抗的计算

4.2槽漏抗的有限元计算

4.2.1数学模型

4.2.2基本方程和边界条件

4.2.3磁场计算

4.3本章小结

第5章Powerformer稳态同步电抗的计算

5.1引言

5.2计算模型

5.3负载法求解额定负载饱和电枢反应电抗

5.3.1负载时定子端电压的确定

5.3.2端点条件的迭代

5.3.3负载场的求解

5.3.4额定负载场的饱和电枢反应电抗

5.3.5电枢反应电抗计算

5.4用直交轴电枢磁场确定电枢反应电抗

5.4.1直交轴电枢磁场计算

5.4.2电枢反应电抗计算

5.5同步电抗计算结果

5.6本章小结

第6章Powerforrffer瞬态同步电抗的计算

6.1引言

6.2二维正弦涡流场的边值问题

6.3计算瞬态电抗的基本方法

6.3.1将旋转状态转化为等效的静止状态

6.3.2直轴磁势的形成

6.3.3交轴磁势的形成

6.3.4直交轴瞬态电抗计算

6.3.5直交轴超瞬态电抗计算

6.3.6计算结果

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢