Calculation method for strand current distributions in armature winding of a turbine generator

We have developed a calculation method for the strand current distributions in the turbine generator armature windings. These distributions are calculated by using a circuit equation and a 3D finite element method. In the circuit equation, the strand current is solved by introducing a circulating current at each strand of the armature windings. The induced voltage in the circuit equation is produced by leakage flux of the coil end region. The leakage flux is obtained by the 3D finite element method. The calculated strand current distributions had good agreement with the measurements of 360°, 450°, and 540° transposed model coils. © 2003 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 143(2): 50–58, 2003; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.10131     

核主泵电机定子线棒单根换位技术分析

为了减小核主泵电机定子线棒的环流及环流损耗,提出了定子线棒的单根换位技术,讨论了单根换位的制作方法、制作中的注意事项以及与传统换位相比的优点。以一台8000k W核主泵用异步电动机为例,采用漏感电势法分别计算了当定子线棒采用0°/360°/0°和0°/360°加空换位/0°换位方式下传统换位和单根换位的环流和环流损耗。结果表明:单根换位不但适用于传统换位的各种换位方式,而且与传统换位相比能有效地减小定子线棒的环流和环流损耗,提高定子槽的利用率。     

改进漏感电动势法计算换位线棒股线电流及环流损耗

针对大型水轮发电机定子绕组换位线棒股线电流及环流损耗的计算问题,提出了一种解析计算方法——改进漏感电动势法,解决了现有计算定子换位线棒股线电流分布及环流损耗的漏感电动势法(又称漏感电势法)中存在的漏磁场假设不合理、电路约束不完整以及忽略了股线的实际换位路径等问题。将定子线棒中的每根股线看成由股线电阻和漏感电动势组成,分别给出了槽部漏感电动势和端部漏感电动势的计算方法。以一台140 MW大型水轮发电机为例,采用改进漏感电动势法计算360°全换位和不足换位时的每根股线的电流分布,进而求解定子线棒的环流损耗。通过解析计算结果与实验测量结果对比表明,改进漏感电动势法计算的电流分布及环流损耗值与实验测量值基本一致,验证了解析法的正确性。     

采用混合单元的汽轮发电机定子 温度场的分析与计算

为了提高大型汽轮发电机温度场计算的精度,提出采用混合单元(混合坐标系)计算电机温度场的方法。根据传热学和流体力学的基本原理,建立汽轮发电机定子三维温度场的数学模型;采用热平衡原理对定子温度场的偏微分方程进行离散化处理,形成电机的等效热网络。给出采用混合单元对电机进行网格划分的方法,并推导了不同坐标系下热导的求解方法,进而给出采用等效热网络方法求解定子温度场的非线型方程组。将其应用于一台QFSN-200-2型汽轮发电机定子温度场的计算,并将计算结果与实测值进行了比较,结果表明所提出的方法是正确可行的。     

12/3相双绕组异步发电机定子端部漏感的计算

为计算12/3相双绕组异步发电机多达上百的相间端部漏感，在两线圈间端部漏感的求取和绕组与线圈连接关系确定方面采用了新的分析方法，此方法具有简单通用等传统方法所不具备之优点。通过引入气隙电流和镜像电流，以Biot-Savart定律为基础，把线圈端部各大段分成若干小段，用数值方法计算两线圈间端部电感。仿照图论结合回路电流法分析电路网络的过程，列写了表示线圈支路电流与一相绕组回路电流间的关联矩阵，用规范统一的编程方法计算各相绕组间的端部漏感并给出了几个漏感参数值。最后还对文中方法和其它方法的计算结果进行了比较。     

12/3相双绕组异步发电机定子谐波漏感的计算

为计算12/3相双绕组异步发电机多达上百的相间谐波漏感，在两线圈间谐波电感的求取和绕组与线圈连接关系确定方面采用了新的分析方法。以单一线圈而不以一相绕组为基础，通过总电感减去基波电感的方法计算两线圈间的谐波电感，并在区分控制绕组和功率绕组情况下给出了异步发电机任意2个定子槽中线圈间谐波电感值。仿照图论结合回路电流法分析电路网络的过程，列写了表示线圈支路电流与一相绕组回路电流间的关联矩阵，用规范统一的编程方法计算各相绕组间的谐波漏感，并对其中几个电感值进行了定性分析。所用分析方法通用性强，对绕组连接复杂多相异步电机定子谐波漏感参数计算优势明显。     

Finite element computation of field, losses and forces in athree-phase gas cable with nonsymmetrical conductor arrangement

A finite-element field computation for a three-phase gas-insulated power cable is presented. The phase conductors carry sinusoidal currents in a steady-state and balanced condition. Both symmetrical and nonsymmetrical conductor arrangements are examined, taking into account the real geometrical and physical cable properties. Losses, forces, inductances, and current density distributions are calculated. Comparison is made with theoretical and experimental results given in the literature     

多并联支路型可控电抗器的支撑导通法

鉴于双向晶闸管串接控制的可控电抗器采用多并联电感支路方式可抑制谐波电流而毋需安设滤波装置,研究了两种新的触发动作系列,其一为简单支撑导通法,适用于各支路并联电感相等的电抗器,此时所需均匀调节的只是第一电感支路,其它各支路只起第一支路电流的转移支撑作用,从而可显著简化触发系统;其二为复式支撑导通法,此时各支路的电感值依次递减,而后面各级在支撑前一级的传导电流后逐步调节到全导通状态,此法可进一步抑制谐波电流或减少并联支路数。     

交流励磁机的有限元多元化参数计算及瞬态仿真

由于交流励磁机电枢绕组电流在导通期间的时变性以及铁磁材料饱和特性的影响,瞬态电感是转子位置和电枢绕组电流的多元函数,解析法难以准确计及电流时变性和铁磁材料饱和性的影响。这里采用二维有限元多元化参数法建立交流励磁机的电磁场约束模型,并定量计算了转子位置、励磁电流以及电枢电流变化对瞬态电感矩阵的影响,利用该计算结果对交流励磁机在三相稳定短路、两相对地短路和单相接地短路等瞬态特性进行了仿真试验,进一步证明基于"场"的方法计算瞬态电感矩阵的可行性。     

12/3相双绕组异步发电机定子槽漏感的计算

为计算12/3相双绕组异步发电机多达上百的相间槽漏感，在槽比漏磁导求取和绕组与线圈边连接关系确定方面采用了新的分析方法。通过对定子圆底槽各层的分片处理，由数值方法推导了层间槽比漏磁导计算公式，并给出了相应的计算结果。仿照图论结合回路电流法分析电路网络的过程，列写了表示线圈边支路电流与一相绕组回路电流间的关联矩阵，用规范统一的编程方法计算各相绕组间的槽漏感，并对其中几个电感值进行了定性分析。所用分析方法通用性强，对绕组连接复杂多相异步电机定子槽漏感参数计算优势明显。     

水轮发电机定子线棒换位新方法研究

针对大型水轮发电机定子铁心长度短、线棒换位方法缺乏灵活性、换位节距小等问题,提出了定子线棒混合换位的思想与"不足360°+延长"换位、"不足360°+空段"换位、"360°延长+空段"换位等3种新方法,并进行了相应的理论分析与计算,旨在对大型水轮发电机定子线棒的设计与制造起到一定的参考作用.     

采用热路方法和三维有限元方法计算三峡水轮发电机三维热网络热阻参数的研究

为采用三维热网络计算三峡水轮发电机温度场,本文给出了一个单元区域的定子铁心段和定子端部的三维非线性热网络结构,分别采用三维有限元方法和热路方法计算了定子铁心段和定子端部各个节点之间的热阻参数,分析了两种方法对于三维热网络热阻参数计算相对误差,认为热网络的节点之间含有绝缘区域的热阻不适用热路法计算,而应采用三维有限元计算.三峡发电机定子热网络中,有近半数的节点之间含有绝缘区域的热阻.且通过对定子端部绕组三维温度分布的计算表明,场参数三维非线性热网络模型计算值比路参数三维非线性热网络模型计算值与三维有限元模型计算值的更接近.因此,有必要采用三维有限元法计算三维热网络的热阻参数.     

端电压调速时电机内电磁场与温度场计算

以一台笼型感应电机为例,采用有限单元法对电机端电压调速时电机的二维电磁场进行了数值计算;从而得到不同电压时定子绕组的基本铜耗、转子导条损耗。基于一系列假设条件和边界条件,建立笼型感应电动机定转子耦合温度场数学模型以及二维有限元计算模型,给出了其相应混合边值问题的泛函和条件变分。在电磁计算分析的基础上,计算了端电压调速时电机在额定负载运行情况下定、转子二维稳态温度场,分析了端电压调速时电机定子绕组和转子温度场的影响,为端电压调速时电机的温度分布的评估提供了理论依据和计算方法,具有工程实际意义。     

空冷汽轮发电机端部电磁场与涡流损耗研究

针对大型空冷汽轮发电机端部磁场分布和各结构件的涡流损耗难以准确计算的问题,对大型空冷发电机端部结构进行三维实体建模,建立了电机端部三维非线性瞬态涡流场的数学模型,阐述了对激励源的选择和结构件建模的方法,较全面地考虑了材料特性、结构件形状等因素对电机性能的影响。以一台200MW空冷汽轮发电机为例,用有限元法对其在额定工况下的端部电磁场分布和结构件中的涡流损耗进行计算。将所得的结果与实测值进行比较,分析表明误差在工程应用的允许范围内,表明此种方法可以用于大型空冷汽轮发电机的端部电磁场与涡流损耗的计算当中。     

基于改进时域法的多端MMC-HVDC故障电流计算

为解决基于模块化多电平换流器 (modular multilevel converter,MMC) 的柔性直流输电 (high voltage direct current,HVDC) 故障电流解析计算精度不足的问题,提出一种计及远端站影响的多端MMC-HVDC故障电流改进时域求解法。首先,在分析故障后子模块电容放电路径的基础上,推导换流站等效电容值等系统参数,建立MMC-HVDC系统故障后网络等效模型。其次,将直流电网各换流站解耦,以故障后各支路电流近似解为初值,逐次修正计及远端站影响的多端MMC-HVDC线路等效电阻及等效电感,得到多端MMC-HVDC系统中各支路的故障电流值。最后,基于RT-LAB仿真平台搭建四端柔性直流电网模型,对故障电流计算值与详细电磁暂态仿真结果进行对比。结果表明,所提故障电流求解方法能够准确、有效地计算出多端MMC-HVDC短路故障后各支路电流值,最大误差小于5%。     

Analysis of magnetic saturation in a salient‐pole synchronous machine after sudden three‐phase short circuit

In order to evaluate magnetic saturation under subtransient and transient states of a large‐sized salient‐pole synchronous machine, the currents and leakage inductances after sudden three‐phase short circuits are analyzed by a two‐dimensional nonlinear transient finite element method (FEM). The currents are calculated both by direct and indirect methods. The direct method uses the FEM and considers fluctuation of the magnetic saturation after the short circuit. The indirect method solves Park's differential equations without fluctuation. Results of the direct method agree well with measurements. When the preshort voltage is large, fluctuation of the leakage inductances after the short is large and it greatly affects values of the short‐circuit currents. As the preshort voltage becomes large, the damper leakage inductances saturate at first, then the field leakage inductances, and finally the armature leakage inductances saturate. Although the indirect method considers saturation under the preshort condition, it gives inaccurate results and they are nearly the same as the results by the linear FEM. In general, it is thought that saturation of the leakage flux should be considered when subtransient conditions with large disturbance are analyzed. © 2003 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 145(4): 46–55, 2003; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.10240     

DESIGN OF SATURABLE REACTORS FOR APPLICATIONS IN POWER CONDITIONING SYSTEMS

ABSTRACT

This paper presents the design of saturable chokes for use in power electronics and power conditioning systems. The inductances computed based on the finite-element field solution are compared with the estimated nonlinear inductances from the actual measurements. The results have shown the adequacy of the developed three-dimensional finite-element (FE) simulation. The calculated field solutions are used to assist the quantitative study of the influence of the nonlinear choke air gap on the inductance characteristics for intended application in the choke design.     

计及导体互感的复杂接地网的频域分析方法

基于矩量法和电路理论，提出了一种新的分析接地网频域性能的数值方法。该方法以各段导体的轴向电流为待求变量，待求量比较少。同时，该方法考虑了导体间的互感的影响，使求解结果更加有效，可以用来分析注入电流频率为1MHz以内的接地网的接地性能。为了验证该方法的有效性，在一个试验接地网上进行了有关测试。试验表明，文中方法的结果与测试结果吻合得很好，且优于已有的不考虑互感的频域分析方法。     

基于磁路特征的三相三柱式变压器励磁参数识别

针对励磁参数在变压器保护中的应用,提出了三相三柱式变压器励磁电感参数的识别方法。根据三相三柱式变压的磁路特征建立了反映主磁通感应压降与励磁电流关系的简化数学模型。对于Y/Y接线的变压器,在求得其主磁通感应压降后,根据所建模型可稳定、准确地求取其在非内部故障情况下的励磁参数,所求参数与内部故障相比特征明确。Δ侧环流不是三相三柱式变压器的励磁电流,在用绕组端电压代替主磁通感应压降后,可直接应用于Y/Δ接线变压器,励磁涌流时仍可准确计算其励磁参数,其特征明确,可与差动保护配合,构建励磁涌流识别判据。通过统一电磁等效电路(unified magnefc equivalent circuit,UMEC)仿真模型验证了该方法的正确性。     

模块化多电平换流器子模块电容电压波动与内部环流分析

为了分析模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块电容电压波动和内部环流的基本成分,以开关函数为出发点,对电容电压波动和环流进行了数学分析。分析结果表明:基频波动和2倍频波动是电容电压波动的基本成分,并得出其解析表达式;内部环流仅包含偶次谐波成分,且以2次谐波环流为主,并给出其幅值的解析表达式。针对环流对MMC运行的影响,分析了MMC交流侧相电压中的谐波成分,结果表明环流导致MMC输出相电压中的奇次谐波含量增大,尤以3次谐波最为明显,且给出了3次谐波幅值的计算表达式。仿真结果表明上述理论分析是准确的,为子模块电容值和桥臂电感的选取提供了理论基础。