电机试验站用同步电动机的研制

张亚鸽，王肖肖

(中船重工电机科技股份有限公司，山西太原 030027)

0 引言

试验站用的同步电机是试验电源核心部件。本文介绍的7 500kVA 三相无刷励磁同步电机(以下简称同步电机)是我公司研制的，用于大型电机试验站，能完成5MW 以下功率电机。这其中包括船用发电机，电动机及风力发电机等直接负载法试验项目，以及10MW 以下功率电机间接法试验项目。定子绕组可实现1Y、1△、2Y、2△接线方式，可以输出/输入电压等级为10.5 kV、6kV、5.2 kV、3 kV。同步机的主要参数包括额定容量:7 500kVA;额定电压:10.5 kV/6 kV ;5.2 kV/3 kV;额定转速:1 000r/min，1 200r/min;额定频率:50Hz/60Hz;功率因素:0.7(滞后);效率:95.6% /95.3%;极数:6 极。连接方式:1Y、1△;2Y、2△。

1 试验基本原理

同步电机与两台三相交流变频调速异步电机组成试验电源机组，见图1。

图1 电源机组构成简图

同步电机作为大电机试验站的主要设备，具备两种工作状态。

1.1 当被试电机为电动机时，同步电机由图1 所示的变频机1 和变频机2 拖动，由外部励磁柜为其励磁机提供励磁，励磁机输出三相交流电经旋转整流器整流后输入主机转子绕组给主机励磁，同步电机输出电功率，为被试电动机提供电源，同步电机做发动机状态运行，发电机原理结构框图见图2。

图2 发电机原理结构框图

1.2 当被试电机为发电机时，同步电机作电动机运行，作为被试发电机的负载。同步电机首先由图1 中的变频机1 和变频机2 拖动做发电机运行，与被试发电机并联运行后，通过减小变频机1和变频机2 输入功率使拖动转速逐渐降低，使同步电机由发电机状态转变为电动机状态。此时同步电机定子由被试电机提供对称三相交流电产生旋转磁场，外部励磁柜为励磁机供电使之发出三相交流电，并通过旋转整流器整流并供给同步电机转子，同步电机转子产生的磁场与定子旋转磁场要保持同步而旋转。同步电机做为电动机状态运行，电动机原理结构图如图3 所示。

图3 电动机原理结构框图

2 利用Ansoft/Maxwell2D 对电机进行电磁场有限元分析

有限元仿真是基于对电机磁路分析的结果进行的，是对磁路计算的的验证并对电机进行优化的依据。为把电机电磁场的三维恒定磁场问题转化为二维非线性恒定场问题，现假设:(1)电机轴向无限长;(2)电机气隙、电机截面结构沿主极轴线对称;(3)略去电机电枢绕组端部漏磁。

2.1 创建Ansoft/Maxwell2D 几何模型及分组

由于电机是6 极并且每极每相槽数为整数所以可以按铁心截面的1/6 进行建模(如图4 所示)，这样可以大大缩短仿真时间。对A、B、C 三相及励磁绕组等进行分组以便于下一步材料及激励的设置。

图4 电机几何模型

2.2 材料设置及边界条件

按照电机实际材料不同对电机各组材料进行赋值。边界条件要将电机的两个扇形边主从边界设置为相反。

2.3 创建基本网格剖分图

电机1/6 模型仿真前的有限元剖分图见图5。

图5 电机有限元网格剖分图

2.4 创建外电路

根据不同仿真目的对电机的外电路进行设置。图6 为同步电机作为发电机空载运行时电路设置，其中上图为励磁绕组设置下图为定子三相绕组外电路的设置。R4，R5，R6 设置为无限大电阻以模拟空载状态。

图6 发电机状态外电路

图7 为同步电机作为电动机运行时的外电路设置，在定子绕组三相绕组中串入激励源。

图7 电动机状态外电路

2.5 发电机状态的空载电压波形

2.5.1 磁场分布

图8、图9 为发电机状态运行时的在某些时刻电机空载磁场的分布。

图8 1.3UN 磁场分布

图9 UN 磁场分布

2.5.2 空载电压

发电机空载电压仿真波形见图10 和图11。其中下图为上图的放大截图。由电机的仿真结果可以直观、准确的看出电机设计是否科学合理。

由图10 中可以看出电压频率为50Hz，峰值为6 100V 换算到有效值为4 313V。由图11 可以看出电压频率为50Hz，峰值为4 500V 换算到有效值为3 182V。

以上两组数据表明电机的仿真值接近预设值，只要对电机的励磁进行微调即可得到设计所需值。

图10 1.3UN 空载相电压波形

图11 UN 空载相电压波形

3 电磁及结构设计

3.1 电磁设计按正常同步电机计算程序即可，需要特别指出的是为了适应4 种额定电压，最简便及合理的方法就是改变接线法。电磁设计按某个额定电压进行计算，其它电压时只核实一下电磁负荷及性能是否合理即可。本文的同步电机以额定电压为10.5kV、1Y、50Hz 进行计算，并确定绕组有关参数及出几号头，改变接线法即可。

10kV 时为1Y，6kV 时1△;

5.2kV 时为2Y，3kV 时2△

3.2 结构设计，冷却方式、轴承结构通风结构等都与正常同步电机相同，只是接线盒很大，应当有9 个接线端子(或6 个)，需要特殊设计，也可以采用接线排结构进行设计。

4 结语

本文介绍了同一套绕组适合4 种额定电压是如何考虑的，应该注意的是当电机功率比较大时，由于额定电流大绕组导线截面积很大，给线圈加工带来很大困难，为此采用增加并联支路数以减小导线截面积还应考虑到电机的极数、定子槽数等因素。

［1］ 许实章.电机学.北京:高等教育出版社.1986.

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