電機試驗站用同步電動機的研制

張亞鴿，王肖肖

(中船重工電機科技股份有限公司，山西太原 030027)

0 引言

試驗站用的同步電機是試驗電源核心部件。本文介紹的7 500kVA 三相無刷勵磁同步電機(以下簡稱同步電機)是我公司研制的，用于大型電機試驗站，能完成5MW 以下功率電機。這其中包括船用發電機，電動機及風力發電機等直接負載法試驗項目，以及10MW 以下功率電機間接法試驗項目。定子繞組可實現1Y、1△、2Y、2△接線方式，可以輸出/輸入電壓等級為10.5 kV、6kV、5.2 kV、3 kV。同步機的主要參數包括額定容量:7 500kVA;額定電壓:10.5 kV/6 kV ;5.2 kV/3 kV;額定轉速:1 000r/min，1 200r/min;額定頻率:50Hz/60Hz;功率因素:0.7(滯后);效率:95.6% /95.3%;極數:6 極。連接方式:1Y、1△;2Y、2△。

1 試驗基本原理

同步電機與兩臺三相交流變頻調速異步電機組成試驗電源機組，見圖1。

圖1 電源機組構成簡圖

同步電機作為大電機試驗站的主要設備，具備兩種工作狀態。

1.1 當被試電機為電動機時，同步電機由圖1 所示的變頻機1 和變頻機2 拖動，由外部勵磁柜為其勵磁機提供勵磁，勵磁機輸出三相交流電經旋轉整流器整流后輸入主機轉子繞組給主機勵磁，同步電機輸出電功率，為被試電動機提供電源，同步電機做發動機狀態運行，發電機原理結構框圖見圖2。

圖2 發電機原理結構框圖

1.2 當被試電機為發電機時，同步電機作電動機運行，作為被試發電機的負載。同步電機首先由圖1 中的變頻機1 和變頻機2 拖動做發電機運行，與被試發電機并聯運行后，通過減小變頻機1和變頻機2 輸入功率使拖動轉速逐漸降低，使同步電機由發電機狀態轉變為電動機狀態。此時同步電機定子由被試電機提供對稱三相交流電產生旋轉磁場，外部勵磁柜為勵磁機供電使之發出三相交流電，并通過旋轉整流器整流并供給同步電機轉子，同步電機轉子產生的磁場與定子旋轉磁場要保持同步而旋轉。同步電機做為電動機狀態運行，電動機原理結構圖如圖3 所示。

圖3 電動機原理結構框圖

2 利用Ansoft/Maxwell2D 對電機進行電磁場有限元分析

有限元仿真是基于對電機磁路分析的結果進行的，是對磁路計算的的驗證并對電機進行優化的依據。為把電機電磁場的三維恒定磁場問題轉化為二維非線性恒定場問題，現假設:(1)電機軸向無限長;(2)電機氣隙、電機截面結構沿主極軸線對稱;(3)略去電機電樞繞組端部漏磁。

2.1 創建Ansoft/Maxwell2D 幾何模型及分組

由于電機是6 極并且每極每相槽數為整數所以可以按鐵心截面的1/6 進行建模(如圖4 所示)，這樣可以大大縮短仿真時間。對A、B、C 三相及勵磁繞組等進行分組以便于下一步材料及激勵的設置。

圖4 電機幾何模型

2.2 材料設置及邊界條件

按照電機實際材料不同對電機各組材料進行賦值。邊界條件要將電機的兩個扇形邊主從邊界設置為相反。

2.3 創建基本網格剖分圖

電機1/6 模型仿真前的有限元剖分圖見圖5。

圖5 電機有限元網格剖分圖

2.4 創建外電路

根據不同仿真目的對電機的外電路進行設置。圖6 為同步電機作為發電機空載運行時電路設置，其中上圖為勵磁繞組設置下圖為定子三相繞組外電路的設置。R4，R5，R6 設置為無限大電阻以模擬空載狀態。

圖6 發電機狀態外電路

圖7 為同步電機作為電動機運行時的外電路設置，在定子繞組三相繞組中串入激勵源。

圖7 電動機狀態外電路

2.5 發電機狀態的空載電壓波形

2.5.1 磁場分布

圖8、圖9 為發電機狀態運行時的在某些時刻電機空載磁場的分布。

圖8 1.3UN 磁場分布

圖9 UN 磁場分布

2.5.2 空載電壓

發電機空載電壓仿真波形見圖10 和圖11。其中下圖為上圖的放大截圖。由電機的仿真結果可以直觀、準確的看出電機設計是否科學合理。

由圖10 中可以看出電壓頻率為50Hz，峰值為6 100V 換算到有效值為4 313V。由圖11 可以看出電壓頻率為50Hz，峰值為4 500V 換算到有效值為3 182V。

以上兩組數據表明電機的仿真值接近預設值，只要對電機的勵磁進行微調即可得到設計所需值。

圖10 1.3UN 空載相電壓波形

圖11 UN 空載相電壓波形

3 電磁及結構設計

3.1 電磁設計按正常同步電機計算程序即可，需要特別指出的是為了適應4 種額定電壓，最簡便及合理的方法就是改變接線法。電磁設計按某個額定電壓進行計算，其它電壓時只核實一下電磁負荷及性能是否合理即可。本文的同步電機以額定電壓為10.5kV、1Y、50Hz 進行計算，并確定繞組有關參數及出幾號頭，改變接線法即可。

10kV 時為1Y，6kV 時1△;

5.2kV 時為2Y，3kV 時2△

3.2 結構設計，冷卻方式、軸承結構通風結構等都與正常同步電機相同，只是接線盒很大，應當有9 個接線端子(或6 個)，需要特殊設計，也可以采用接線排結構進行設計。

4 結語

本文介紹了同一套繞組適合4 種額定電壓是如何考慮的，應該注意的是當電機功率比較大時，由于額定電流大繞組導線截面積很大，給線圈加工帶來很大困難，為此采用增加并聯支路數以減小導線截面積還應考慮到電機的極數、定子槽數等因素。

［1］ 許實章.電機學.北京:高等教育出版社.1986.

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［4］ 張景利，楊日.交流交頻同步電動機的研究.防爆電機，2013.2.

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