李金香，田 昕，孙玉田，陈润年

（哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

1 前言

凸极同步电机转子磁极大都由叠片制成。对于发电机，为提高电力系统的稳定性、削弱过电压的影响、抑制转子自由振荡、提高电机承担不对称负荷的能力和加速发电机自同期并入系统等，在极靴上加装阻尼绕组；对于电动机，为了实现异步起动，在极靴上加装了做为起动绕组的阻尼绕组。通过阻尼环和极间连接片把阻尼条连接起来，形成全阻尼和半阻尼结构。凸极同步电机无论作为发电机还是电动机，阻尼条断裂时有发生[1]。而变频凸极同步电动机常用于轧钢等恶劣情况，阻尼条频繁受到起、停和突加负载的冲击，其阻尼系统故障更加频繁。本钢变频凸极同步电动机磁极为叠片式，全阻尼结构。投运后，于2006年上半年（九月份到大修期）发现电机的部分阻尼条断裂，如图1所示。为了分析故障的原因，本文对转子偏心后阻尼绕组电流和电磁力进行了数值分析计算。

2 计算方法

为了准确分析该故障原因，本文采用场路耦合时变电磁场有限元方法对阻尼条电流和电磁力进行分析计算，其计算方法详见参考文献[2]～[3]。本文主要考虑静态偏心对阻尼条电流和电磁力的影响。

图1 本钢变频凸极同步电动机阻尼条故障

由于求解的是电机偏心问题，需对整个电机进行模拟，有限元求解区域如图2所示。耦合的电路模型如图3所示。图3中，Rf、Lf为励磁绕组端部电阻和电感，Bf_plus、Bf_minus为励磁绕组的有限元区域，Q1为阻尼绕组，If为励磁电流源。L_A、L_B和L_C分别为三相定子绕组的端部漏感；BA_plus、BA_minus、BB_plus、BB_minus、BC_plus和 BC_ minus分别为三相定子绕组有限元区域；RA、RB和 RC为定子三相绕组电阻。

图2 求解区域

图3 负载电路模型

3 负载磁场

同步电机带上负载以后，定子三相对称绕组中流过三相对称的电流。因此，定子绕组会产生一个电枢磁势，这时将由励磁磁势和电枢磁势合成一个总磁势来产生气隙磁通，在定子绕组中感应电势。

在进行负载工况计算时，需要设置定转子磁场的相对位置。对于本电机（额定功率因数为1），不考虑定子绕组电阻时，磁势—电势相量图如图4所示[4]。

励磁磁势、电枢磁势的夹角θ为 90°＋δ，其中功角δ可根据参数求取。这里以本钢 4300kW、6600V、10Hz的参数为例进行计算。

（1）功角δ的计算（以下均为标幺值计算）

（2）激励源给定

首先保证定子A相电流最大时，电枢磁势处于d轴位置，然后通过给定初相角θ调整电枢磁场位置。

励磁绕组中通入满载励磁电流，定子各相绕组施加的电流为：

图4 磁势—电势相量图（发电机惯例）

根据磁势相量图和本电机不同频率的具体参数计算得功角δ和初相角θ如表1所示。

表1 内功率因数角和初相角

4 计算结果及分析

采用场路耦合时步有限元方法直接仿真电机的负载运行工况，计算分析电机转子不同偏心后，阻尼条电流和电磁力的变化情况。计算中假定变频器的输出电流为正弦波，未考虑谐波，其大小为额定电流；转子绕组通以额定励磁电流。利用第3节的方法确定定转子磁场的相对位置。首先分析了转子不偏心时的空载磁场、气隙磁密和空载电压波形，分别如图 5～图7所示。然后针对偏心分别为2mm和3mm、频率为10Hz和15Hz的负载工况进行了分析计算，其磁场分布、气隙磁密波形、阻尼条电流和电磁力分别如图 8～图 13所示。表2给出了阻尼条的最大电磁力和离心力，同时给出了阻尼条的电流变化情况。图10～图13中阻尼条从磁极的迎风面到背风面的排列顺序依次编号为1～5。一号极起始位置位于气隙最大处，十六号极起始位置位于气隙最小处。

图5 空载磁场分布图

图6 空载气隙磁密波形

图7 空载相电压波形

图8 负载磁场分布图

图9 10Hz负载工况半个电机气隙磁密波形（幅值）

图10 负载无偏心阻尼绕组电流

图11 负载无偏心阻尼绕组电磁力（幅值）

图12 15Hz负载工况阻尼条电流（偏心为3mm）

从图10～图13可见：阻尼条电流和电磁力按齿频交变，它们的峰值变化频率为转频频率；迎风面的阻尼条电磁力明显大于其他阻尼条的电磁力，与之相邻的阻尼条电磁力次之。从表2可见：偏心后阻尼条的电磁力显著增大，为无偏心时的13倍到17倍之多；同一偏心情况下，阻尼条电磁力随电机频率（转速）的增加而有所增大；同一频率下，阻尼条电磁力随偏心的增大而增加。偏心时阻尼条最大电磁力比其离心力大得多，且其位于迎风面。这是造成阻尼条断裂故障的重要原因。

图13 15Hz负载工况阻尼条电磁力（偏心为3mm）

表2 额定负载工况阻尼条的电流和电磁力

5 结论

本文对无偏心和偏心分别为2mm和3mm情况下电机额定负载工况进行了计算。计算结果表明，阻尼条电磁力按齿频的频率交变，其峰值按转频变化，且随着偏心的增大而增加，随电机频率（转速）的增加而增大；迎风面阻尼条的电磁力最大，而背风面阻尼条的电磁力很小；额定负载无偏心，阻尼条的电磁力小于其离心力；当存在偏心时，阻尼条的电磁力显著增大，几种情况迎风面阻尼条的最大电磁力均超过了离心力。这给电机造成相当的危害，是阻尼条断裂的重要原因。

附录 本钢变频凸极同步电动机主要数据

额定容量/kVA 4554 4558

额定功率/kW 4300 4300

额定电压/V 6600 6600

额定电流/A 398.4 398.8

空载励磁电流/A 301.02 185.58

额定励磁电流/A 437.89 379.02

频率/Hz 10 15

转速/（r/min） 40 60

极数 30 30

功率因数 1 1

直轴同步电抗/p.u. 1.2904 1.9384

交轴同步电抗/p.u. 0.8581 1.2891

[1]邓东，孙玉田，谭国伟，李金香. 飞来峡水电站发电机的运行故障分析[J]. 大电机技术, 2003, (6):13-17.

[2]李金香,孙玉田，蒋宝刚. 超高压发电机短路特性和参数计算[J]. 大电机技术, 2008, (6).

[3]Jean-Eric Torlay, et al. Analysis of Shaft Voltages and Circulating Currents in the Parallel-Connected Windings in Large Synchronous Generator[J].Electric Power Components and Systems, 30:135-149, 2002.

[4]汤蕴璆, 史乃. 电机学[M]. 机械工业出版社（第二版）, 2006.