高压发电机功角特性的计算与分析

摘要:高压发电机以电缆作绕组突破了传统电机设计理念，其输出电压可直接并网。为分析结构变化对其功角特性的影响，采用有限元法对其样机功角特性进行了计算分析。计算结果表明，按传统电机结构尺寸设计的高压发电机样机的极限功率角与额定功率角比常规电机小，其功率有较大的可提升空间，样机的结构设计有待改进。

关键词：高压发电机；功角特性；有限元法

前言：功角特性是电机的重要运行特性，反映了电机输出电磁转矩与功角之间的关系，高压发电机采用电缆作绕组引发的定子结构[1]改变会对功角特性造成影响，故有必要对其功角特性进行研究。功角特性的研究已有较成熟的理论，为考虑饱和对其影响，本文采用有限元数值法对其进行计算分析。

端电压迭代是计算各功角相应工况磁场的必要环节，而端电压由绕组电势计算所得，故准确计算电势是准确计算功角特性的关键[2]。本文将通过磁链计算电机的电势，进而计算功角特性这一电机的稳态运行特性。

1.数学模型

1.1 求解域数学模型与变量参考方向

设磁场分布沿轴向不变化，进而将3D求解域化为2D求解域，取直角坐标系，设电机轴向为z轴方向，根据结构的对称性，建立高压发电机1/4轴截面模型，如图1-1所示。

式中，Jz为电流密度；μ为材料的磁导率。

将(1-1)式转化为变分极值问题，离散后得到矢量磁位Az的非线性方程组，求解后得Az数值解，即可确定磁场分布。

计算时定子侧各电量参考方向取发电机惯例，转子侧取电动机惯例，定转子磁链参考方向为正值电流产生正值磁链，定子相带分布及定转子电流参考方向如图1-1所示，定子各相电流取值为：

式中，λ为İ与直轴夹角；I为定子电枢电流幅值。

1.2 电压迭代与功角特性计算[3]

功角特性各运行点磁场分布由输出电压U、励磁电流If和功角δ决定，但有限元计算需场源分布条件，需将其转化为场源条件。这里将If作已知条件，同时将U和δ作目标条件，并分别由控制条件I和λ经迭代计算达到。为简化计算，实际计算时，将λ也作为已知条件，只进行I对U的迭代。设置I为某一值，用有限元法计算此时的磁场分布，确定端电压U，当不满足 时，按下式调整电流[4-5]：

当满足 时，迭代收敛，得到该功角工况磁场分布，由此求出绕组磁链波基波幅值 和 ，进而由式(1-4)计算该功角工况电势基波幅值

计算λ处于不同值时的磁场，由式(1-4)至式(1-9)确定不同λ时的功角和电磁功率，最终确定功角特性[2]。

2.功角特性的计算结果

采用有限元法对高压发电机样机在 、 时的功角特性进行计算，计算结果列于表2-1。

结束语：

高压发电机样机的极限功率角的数值计算结果较小，仅为60º左右，其额定功率时的功角亦较小，为8.64°。所以按传统电机结构尺寸设计的高压发电机样机的极限功率角与额定功率角比常规电机小，其功率有较大的可提升空间，样机的结构设计有待改进。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。