大容量隱極同步調相機惰走轉速計算

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(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

大容量隱極同步調相機惰走轉速計算

朱志佳，曹尚陽，張健

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

介紹了大容量隱極同步調相機惰走過程中的轉子運動方程，給出轉子轉動慣量、機械阻力轉矩的計算方法。以某200MW同步電機轉子為研究對象，通過與試驗數據對比，驗證了計算方法的可行性。

調相機；惰走；轉速計算

0 引言

同步調相機本質上是一種不對外輸出機械轉矩的同步電動機，它從電網吸收少量的有功功率，用于克服自身的損耗，同時通過調節勵磁電流，控制向電網發出或吸收的無功功率，用于電力系統的無功功率平衡，調節系統電壓。

由于調相機投資大，運行維護復雜，自上世紀70年代以來，隨著電力電子技術的發展，調相機逐步被運行維護簡單的SVC、SVG所替代。當前，隨著遠距離直流輸電系統的建設，對系統動態無功補償的需求越來越大，靜止無功補償裝置受其工作原理限制，在系統電壓大幅波動時，無法提供足夠的動態無功補償。而調相機在電網故障時，能通過強勵向電網瞬時提供大量的無功功率，因此目前國內直流輸電系統的換流站正在逐步加裝大容量隱極同步調相機。

不同于常規發電站，調相機沒有汽輪機為其提供機械輸入轉矩，僅通過從電網吸收有功維持自身轉速，一旦出現全廠斷電的突發故障，高速旋轉的調相機轉子由于失去輸入電磁轉矩來平衡自身所受的機械阻力轉矩，轉速必然逐步下降，進入惰走過程。油系統必須在失去常規能源供應的條件下，在調相機轉子惰走過程中持續提供足夠的冷卻潤滑油來為轉軸提供滑動支撐，避免轉軸損傷甚至損毀。

一般油系統在全廠失電的條件下，采用高位油箱或者直流油泵設計為調相機轉子惰走過程提供潤滑油，這就需要對調相機轉子惰走過程的轉速變化進行準確的計算。

1 轉子運動方程

對于隱極同步調相機，在正常運行條件下，通過定子繞組從電網吸收有功功率克服自身的損耗，即轉子受到的電磁轉矩(Me)與機械阻力轉矩(Mm)平衡，維持轉子轉速處于額定轉速，見圖1。

圖1調相機轉子轉矩平衡圖

對于失電工況，調相機轉子失去電磁轉矩(Me)，僅受機械阻力轉矩(Mm)，轉矩失去平衡，在此過程中，轉子滿足剛體定軸轉動定律

(1)

式中，Mm—機械阻力矩，N/m；J—轉子轉動慣量，kg·m2；A—轉子角加速度，rad/s2；ω—轉子角速度，rad/s；t—時間，s。

由式(1)可知，惰走過程中，調相機轉子的角加速度等于其機械阻力矩與轉動慣量的比值。因此計算調相機惰走過程轉速變化關鍵在于確定轉子的轉動慣量、機械阻力矩，然后求解微分方程。

2 轉子轉動慣量

圖2為某隱極同步調相機轉子的結構圖。調相機轉軸主要用途是產生勵磁磁勢，由轉子繞組、轉軸、護環、風扇等組成。 轉軸中間部分比其他部分直徑大、長度長的位置叫做轉子本體，用于放置轉子線圈；套在轉子本體兩端的轉子護環用于保護端部線圈；轉子風扇用于通風，冷卻調相機；軸頸部分與軸承配合，用于對轉軸進行滑動支撐。

圖2調相機轉子結構圖

為精確計算調相機轉子的轉動慣量，需要逐項、逐段計算轉子每部分的轉動慣量，而后求和。這里給出工程上計算調相機轉子轉動慣量的近似算法。

(2)

式中，ρ—轉軸材料密度；R2—轉軸半徑，m；l2—轉子本體長度，m；D2—轉子本體直徑，m；K—經驗系數，一般取1～2。

3 轉子機械轉矩

調相機轉子所受的機械轉矩取決于其各部分產生的機械損耗。轉子機械損耗主要由以下部分構成：轉子本體摩擦損耗、轉子護環摩擦損耗、轉子風扇通風損耗、轉子軸頸處的摩擦損耗，這些損耗在轉子惰走過程中并非保持不變，而是隨著轉速的變化而變化，均可寫成以轉速為自變量的函數。轉子本體摩擦損耗(采用空氣冷卻)

(3)

式中，D2—轉子本體直徑，m；l2—轉子本體長度，m；ω—轉子角速度，rad/s。

轉子護環摩擦損耗(采用空氣冷卻)

(4)

式中，Dk—轉子護環直徑，m；lk—轉子護環長度，m；ω—轉子角速度，rad/s。

轉子風扇通風損耗(采用空氣冷卻)

(5)

式中，Qfn—3000r/min時轉子風扇的通風損耗，kW，由通風計算得到；ω—轉子角速度，rad/s。

轉子軸頸處摩擦損耗(ω>33.33π/s)

(6)

式中，Qmn1—3000r/min時轉子軸頸處摩擦損耗，kW，由軸承靜態性能計算得到；ω—轉子角速度，rad/s。

轉子軸頸處摩擦損耗(轉速≤33.33π/s)

(7)

式中，Qmn2—1000r/min時轉子軸頸處摩擦損耗，kW；ω—轉子角速度，rad/s。

按式(3)～式(7)完成轉子機械損耗計算后，即可得到調相機轉子惰走過程所受的機械阻力矩為

(8)

4 轉子惰走過程計算與試驗校驗

以上述的計算方法，對某200MW同步電機轉子自轉速為3150r/min開始的惰走過程進行計算，并與試驗結果進行對比驗證。該同步電機轉子惰走過程計算輸入數據見表1。

表1 某200MW同步電機惰走過程計算輸入數據

按上述方法，計算得到轉子的轉動慣量為

J=6937(k g·m2)

(9)

當轉子轉速ω>33.33π/s，機械阻力轉矩為

Mm(ω)=0.0329ω2+2.23ω

(10)

當轉子轉速ω≤33.33π/s，機械阻力轉矩為

Mm(ω)=0.0329ω2+233

(11)

將式(9)～式(11)帶入式(1)求解微分方程，即可得到轉子惰走過程轉速ω隨時間變化的的表達式，它是一個分段函數。

當轉子轉速ω>33.33π/s，轉速為

(12)

當轉子轉速ω≤33.33π/s，轉速為

ω(t)=-84.19tan(0.0004t-1.282)

(13)

在該機組型式試驗時，使用拖動機將轉子轉速拖動至3150r/min，而后斷開拖動機電源，記錄轉子轉速隨時間變化的曲線。

將轉子轉速單位轉換為r/min，時間單位轉換為min，將惰走過程轉子轉速計算曲線與試驗測量的曲線對比見圖3。

圖3惰走過程轉子轉速計算曲線與實測曲線對比

由圖3可知，當轉子轉速>1500r/min時，計算轉速曲線與實測轉速曲線吻合度很好；當轉子轉速<1500r/min后，計算轉速曲線變化率較實測轉速曲線偏小；總的惰走時間，計算值較試驗值偏大約12%，滿足工程計算要求。

5 結語

本文通過分析轉子運動方程，得出了調相機轉子轉動慣量和機械阻力轉矩的計算方法，通過實例的驗證，取得了良好的驗證結果，證實了該計算可行。

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CalculationforIdleSpeedofLarge-CapacityCylindricalRotorSynchronousCondenser

ZhuZhijia，CaoShangyang，andZhangJian

(Harbin Electric Machinery Company Limited，Harbin 150040，China)

This paper introduces the rotor motion equation of large- capacity cylindrical rotor synchronous condenser in idle process, gives the calculation methods of rotor inertia movement and the mechanical drag torque. Taking a rotor of 200 MW synchronous machine as a research object, the feasibility of method is verified by comparing with test data.

Rotary condenser；idle operation；speed calculation

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.05.05

TM303.5

A

1008-7281(2017)05-0016-003

朱志佳男1988年生；畢業于天津大學電氣工程學院電氣工程及其自動化專業，現從事汽輪發電機設計工作.

2016-11-18