基于磁场变化的双馈异步风力发电机定子绕组匝间短路故障仿真分析

基于电机定子绕组发生匝间短路故障时阻抗参数的变化,根据匝间短路故障程度与定子阻抗参数之间的关系,基于有限元方法,提出了一种电机定子绕组匝间短路故障建模方法,该模型可以用于分析电机匝间短路故障研究。运用有限元分析软件对电机在正常运行和不同程度故障情况下的内部磁场进行了模拟,验证了运用有限元法进行电机内部故障仿真分析的可行性。     

水轮发电机转子典型机电故障的不平衡磁拉力研究

针对水轮发电机发生转子偏心和转子绕组匝间短路故障产生不平衡磁拉力,进而引起机组强烈振动的情况,通过有限元仿真软件建立一台550MW水轮发电机二维仿真模型,分别对转子动、静偏心故障及转子绕组匝间短路故障进行模拟,计算各故障情况下的不平衡磁拉力,分析转子偏心程度、方向和转子绕组匝间短路程度对不平衡磁拉力大小和方向的影响。结果表明,不论是发生转子偏心故障还是发生转子绕组匝间短路故障,不平衡磁拉力数值均随故障程度的加重而增大,且不平衡磁拉力方向为诊断转子偏心方向和空载情况下匝间短路故障磁极提供帮助。研究成果为未来研究水轮发电机振动现象和故障检测奠定了基础。     

电网短路故障下双馈风电机组传动链扭振疲劳可靠性分析

双馈风电机组电气故障扰动引起的电磁转矩波动易造成轴系传动链扭振疲劳,有必要研究电网短路故障对机组传动链扭振疲劳可靠性的影响。首先建立考虑关键部件柔性的传动链有限元模型,通过模态分析获取传动扭振模态。其次基于集中质量法,建立机电耦合模型,以电网短路故障为扰动因素,仿真分析电网短路故障下电磁转矩动态响应。最后将电网短路故障下发电机电磁转矩扰动作为激励,借助ANSYS Designlife平台构建传动链扭振疲劳可靠性模型,分析机组传动链在电网短路故障下电磁转矩波动对扭振疲劳可靠性的影响。结果表明：三相接地故障时电磁转矩波动最剧烈,对传动链的疲劳可靠性影响更大;电网发生短路故障时,电磁转矩中存在低频分量可与高速轴的扭振模态耦合,激发高速轴的扭振,加剧高速轴的疲劳损伤;电磁转矩激发的扭振具有传递效应,越靠近发电机的部件扭振越明显,可靠性越低。     

空-空冷中型异步电机流体场与温度场计算及分析

针对某中型空-空冷异步电机,为研究电机内部各通风道的冷却空气流量分布与内部流场特征,建立了电机内部冷却空气的物理模型。依据流体动力学原理,采用有限体积法,利用工程计算得到压力入、出口边界条件,对计算域内的三维湍流流场进行了数值模拟。并以流体场计算得到的结果作为边界条件,对电机进行了温度场计算。另外还研究了在不同的冷却风速条件下,冷却通道内空气流速的变化情况及其对温度场计算结果的影响。最终发现靠近两端的通风道内的冷却风速要比靠近中间的通风道高,这造成定子铁心两端的温升比中间低;而电机的最高温升出现在下层绕组端部。     

无刷双馈电机直接转矩控制失控分析

根据无刷双馈电机统一坐标系下的数学模型,推导电磁转矩和控制绕组磁链的导数方程,由导数方程得到在不忽略转子磁链条件下的磁链和转矩关于基本电压矢量的曲线图,作为直接转矩控制开关表选择的依据。根据曲线图分析无刷双馈电机在高转矩条件下的失控问题,并从转矩、控制绕组磁链及直流母线电压大小变化对于失控问题存在的影响进行理论分析及仿真验证,提出动态调节电压矢量的方法给以解决,改善系统的控制性能,仿真结果证明所提方法的有效性。     

电动及发电工况下抽水蓄能发电电动机的电磁特性分析

为研究抽水蓄能发电电动机电动和发电两种工况对电机自身及电力系统的影响问题,以广州抽水蓄能电站B厂内一台发电电动机为例,建立二维有限元模型,结合有限元和场路耦合方法,联立求解得到两种工况的磁场分布,并对比分析了两种工况下的磁力线分布、气隙磁密、电磁转矩等。结果表明,与发电工况相比,电动工况下单个磁极内的磁场分布不均匀程度更高,磁力线偏移更大,转子所受电磁转矩的波动更强,对电机自身及系统稳定性的影响更高。研究结果可为抽水蓄能发电电动机组长期稳定运行提供参考。     

永磁直驱风力发电机瞬态温度特性研究

采用有限元法对大功率永磁直驱风力发电机定子三维瞬态温度场进行计算,得到了电机定子温度场。对发电机进行了型式试验,测试结果与计算的稳态结果较为接近,验证了计算的准确性。结果表明,电机在额定工况下,温升稳定后端部绕组温度高于中间绕组,最高温度点在背风侧的端部绕组,最高温度与平均温度相差16℃左右。将实际风场的风资源数据作为外界条件,对永磁直驱发电机一定时间跨度的瞬态温度进行计算,结果与SCADA系统采集的风力发电机运行数据较为接近,为绝缘系统设计和电机的优化提供了参考。     

碾压混凝土坝温度场及温度应力仿真分析

碾压混凝土坝在施工过程中容易产生温度裂缝,降低了碾压混凝土的完整性,影响大坝安全,因此温度场、温度控制的研究具有重要意义。应用有限元分析软件的温度场仿真功能,采用三维有限元程序对温度场和温度应力进行仿真计算,并对其结果进行分析。     

基于有限元热-流耦合场仿真的变压器风道结构改进

变压器的热点温升是影响变压器正常运行的一个重要因素,合理的风道结构改进可以在一定程度上降低热点温升。为此,首先建立变压器的二维有限元模型,采用有限元磁场分析得出各部分的热源荷载;再通过有限元热-流耦合仿真计算,得到变压器绕组的温度分布,确定绕组的热点位置;然后针对热点分布位置提出了风道结构改进方案,并再次进行仿真分析。对比分析改造前后绕组的温度和热点情况,表明改造后热点温升降低15%,证明了改造方案的可行性。     

碾压混凝土坝温度场及温度应力仿真分析

碾压混凝土坝在施工过程中容易产生温度裂缝．降低了碾压混凝土的完整性，影响大坝安全，因此温度场、温度控制的研究具有重要意义。。应用有限元分析软件的温度场仿真功能，采用三维有限元程序对温度场和温度应力进行仿真计算，并对其结果进行分析。     

负荷波动对灯泡贯流式水轮发电机转矩及损耗的影响

针对灯泡贯流式水轮发电机组负荷波动影响发电机转矩波动及转子涡流损耗的问题,以一台24 MW灯泡贯流式水轮发电机为例,利用有限元法建立了水轮发电机二维电磁场模型,并计算了发电机负载运行与空载运行时的定子绕组的电压与电流,验证了模型正确性。在此基础上,对比分析了发电机组工作在不同负荷工况下发电机的转矩脉动系数及其转子涡流损耗的差异,并得到二者随机组负荷的变化规律,揭示了机组负荷波动对发电机转子涡流损耗的影响机理,为灯泡贯流式水轮发电机的设计提供参考。     

基于对称绕组的水轮发电机定子铁损试验中圆周磁场的分析

为分析对称绕组布置形式的适用性,以某40 MW水轮发电机为例,根据麦克斯韦电磁场基本原理,建立了基于有限元法的定子铁芯仿真模型,在忽略集肤效应等影响因素的情况下计算了铁损试验中对称绕组的定子铁芯在不同磁导率、不同位置的电磁参数,并结合现场试验数据与计算结果进行了对比。结果证明,在相同的激励源情况下,圆周磁场内特定两点位置的磁场强度比值较小,圆周磁场强度与相对磁导率变化成正比关系,对称绕组布置方法对于不同材料的该型定子铁芯均有较强的适应性。研究结果可为铁损试验分析及诊断提供参考。     

抽水蓄能发电电动机电磁场三维有限元分析

发电电动机是抽水蓄能电站的核心部分,其运行时涉及的电磁、机械、散热等问题十分复杂,是一个多物理场耦合分析问题,其中电磁场分析是基础。以广州抽水蓄能B厂某发电电动机为例,采用三维有限元法对其进行电磁场计算,建立了发电电动机的三维模型,分析了电流密度、磁场分布和气隙磁密的分布情况。结果表明,定子绕组电流和励磁绕组电流大小符合电机在满载运行时的情况;磁极处磁密最大,槽齿处磁密也较大,轭部和相邻两磁极交界处的磁密较小;气隙磁密沿轴向的大小不是恒定值,由于端部漏磁通的影响,靠近端部的气隙径向磁密小于轴向中心处。     

发电电动机定子端部绕组电磁-结构耦合场计算

针对发电电动机定子端部绕组在电磁力作用下易发生故障的问题,以广州抽水蓄能电站B厂的发电电动机为例,建立了发电电动机定子端部绕组的三维模型,通过有限元法对模型电磁与结构顺序耦合进行仿真计算,得到了额定运行时电机端部绕组的应力和应变分布。结果表明,该方法能够有效地分析发电电动机定子端部绕组在电磁力作用下的应力应变分布,计算精确度比较高。     

机电复合作用下发电电动机磁极连接线建模及应力分析

针对抽水蓄能机组发电电动机转子磁极连接线现有设计校核往往仅考虑单一机械应力作用,提出计及机端短路故障的机电复合作用下发电电动机磁极连接线建模及应力分析方法。首先,基于有限元方法建立某抽水蓄能机组发电电动机转子结构有限元模型,得到磁极连接线不同工况下单一机械应力结果,然后建立机端三相短路故障下发电电动机电磁场有限元模型,得到计及故障下电磁力作用的机电复合应力结果。结果表明,磁极连接线飞逸工况下承受机械应力约为额定工况时的2倍,电磁力对磁极连接线不同区域影响不均,受力方向和大小的变化规律与机械应力不同,机电复合作用下会造成磁极连接线局部应力激增。     

磁芯材料对电磁阀静态电磁力的影响研究

利用电磁场有限元分析软件JMAG Designer建立了电磁阀有限元仿真模型.经与试验数据对比,该模型的静态电磁力的平均误差为4.8％,仿真模型的正确性得到验证.基于该仿真模型对比分析了在不同工作气隙和电流条件下,16MnCr5和20CrMn两种磁芯材料对电磁阀磁感应强度的分布以及静态电磁力大小的影响规律.研究结果表明:磁芯材料对电磁阀的性能有较大的影响,不同磁芯材料的电磁阀在相同工况下衔铁表面产生的磁感应强度不同,进而导致电磁阀产生的静态电磁力不同.相比之下,以16MnCr5作为磁芯材料的电磁阀,其衔铁表面产生的磁感应强度更大,从而使得电磁阀产生静态电磁力更大.     

Torque ripple analysis of a PM brushless DC motor using finite element method

Three-phase permanent magnet brushless DC motors are widely used. As a function of the rotor position, the torque produced by these machines has a pulsating component in addition to the DC component. This pulsating torque has a fundamental frequency corresponding to six pulses per electrical revolution of the motor. The shape of the torque waveform and, thus, the frequency content of the waveform can be influenced by several factors in the motor design and construction. This paper addresses the various factors that influence the torque waveshape. It is shown that in addition to the basic induced electromotive force (EMF) waveshape, the magnetic saturation in the stator core, and the accuracy in the skewing are also key factors in determining the torque waveshape. Computer simulation using finite element technique has been conducted to study the torque waveform. Simulation results successfully duplicated the torque waveforms measured in experiments under different excitation currents.     

Integrated Nonlinear Magnetic Field-Network Simulation of an Electronically Commutated Permanent Magnet Motor System under Normal Operation

An integrated magnetic field-network computer-aided method is presented, and is verified here by applying it in the determination of the performance of an electronically commutated permanent magnet motor system, and comparing the results with test results at rated operating conditions. Test results were found to be in very good agreement with numerical simulation data. At the core of this method are the instantaneous calculation of the magnetic field distribution within the machine, using the finite element method, and the determination of the winding inductances from these field solutions with the aid of an energy perturbation technique. The armature induced emfs are also obtained from these field solutions. These winding parameters, which are load dependent, are used in a nonlinear time domain network model of first order differential equations governing the dynamic performance of the motor to solve for the instantaneous phase currents. These new currents are then used at every time instant to determine the corresponding machine winding parameters, and the above process is repeated at successive time instants until the complete analysis period is covered. Though the validity of this method of analysis is verified in this paper by applying it to a 15 hp (11.2kw), 120 volt electronically commutated brushless dc motor system operating under normal and balanced conditions, the real utility of the method lies in its ability to analyze these motor systems under unbalanced partial or total component failure (fault) in the windings and associated conditioners. This type of application is given in a companion paper.     

Axial Field Permanent Magnet DC Motor With Powder Iron Armature

The paper describes a double-gap axial field permanent magnet (PM) dc motor whose double-layer armature wave winding is constructed of copper strips. It investigates the performance of two machines using powder iron and lamination steel materials as armature teeth. Tests are conducted to evaluate the motor torque and speed curves as well as their efficiency under different loads. Finite element analysis (FEA) and equivalent circuit models are used to determine the levels of the magnetic saturation in the motors; calculate torque, inductance, and electromotive force (EMF); and determine the distribution of losses in the machine. The results show that the powder iron armature machine has lower back EMF and torque constants, and is less efficient than the steel laminations machine, which is due to the lower permeability and saturation flux density of the powder iron material.     

基于机械阻抗法的开关磁阻电机振动模型研究

开关磁阻电机的振动和噪声问题一直是限制其应用和推广的瓶颈,而定、转子之间的径向电磁力导致定子的形变是产生电磁噪声和振动的根本原因,因此通过有限元仿真分析得出电机在不同电流、不同转子位置时的非线性电感曲线族、瞬时转矩和电磁力,在此基础上基于机械阻抗法建立了Matlab/Simulink电机模型,计算电机运行时所产生的振动加速度,总结了一些减小电机振动和噪声的设计原则,并通过试验样机验证了所提建模仿真方法的有效性,可为开关磁阻电机的减振和降噪研究提供理论指导。