300MW汽轮发电机d轴磁场的分析和计算
赵凌志[1]，罗应立[2]
[1]中科院电工所北京100080 [2]华北电力大学电力系北京 102206
摘要：应用Ansoft的电磁分析功能，对300MW汽轮发电机合成磁场位于d轴时的磁场分布和定子槽中心气隙磁密的分布进行了详细的分析和计算，得到了同步发电机典型的d轴磁场分步和相应的气隙磁密曲线，为进一步研究控制同步发电机非正常运行状态下的行为和参数提供了依据。
关键词：d轴磁场分布，饱和，同步发电机
1 引言
在需要比较精确地考虑同步发电机饱和对负载运行行为的影响时，以往通常的办法是借助空载特性进行分析。但是发电机负载磁场分布与空载磁场分布有显著差别，空载特性并不能反映出负载运行条件下的饱和状况。文献[1]提出：在同步发电机中，存在饱和特性曲线族，其中多数曲线与空载特性有显著差别；并指出在发电机的各种可能的正常及非正常的运行状态中，有可能出现合成磁场在d轴的种种情况。本文利用Ansoft软件的电磁场分析功能，以300MW汽轮发电机为例，具体对同步发电机d轴磁场和相应的定子槽中心气隙磁密分布进行了分析和计算。
2 电机的基本结构
哈尔滨电机厂制造的300MW汽轮发电机的额定功率为353MW，额定转数为3000rmp；转子有阻尼槽，且转子槽有大小槽之分，周向分布不均匀；定子有54个槽，每槽分上下两层，周向均匀分布，每极每相槽数为9。其物理模型如图1。

4 有限元分析与计算
本文d轴的取向与励磁磁势一致，q轴超前d轴90°，如图1所示。由于定子绕组分布和短距，造成A相绕组轴线发生偏移，为了方便起见，令转子旋转使d轴与A相绕组重合。
本文所要研究的是在发电机的各种可能的正常及非正常的运行状态中，合成磁场在d轴的种种情况。其中最常见的为空载运行，此时合成磁场在d轴，空载电压与励磁电流之间的关系，即为空载特性。此外，经过大量的研究和计算，我们发现在有功输出为零仅输出超前或滞后的无功的情况下，合成磁场也在d轴方向。所以，本文将合成磁场位于d轴的情况分为4种：①空载运行②仅存在定子d轴电流③有功输出为零仅输出超前无功④有功输出为零仅输出滞后无功。对于每一种运行状态，针对某一运行点，给出了典型的磁场分布和相应的定子槽中心磁密的分布，并对其进行分析。
4.1 模型生成
在Ansoft术语中，模型生成一般狭义地指用单元实体表示空间区域及实际系统连接的生成过程。本文考虑了定子外圆扣片、定转子槽楔的安装档、定转子槽绝缘层和转子内圆中心孔等汽轮发电机定、转子的实际结构，实体模型较为复杂，但Ansoft的建模工具2Dmodoler提供了复制，旋转等功能，大大简化了模型生成过程，故本文用其建模工具生成实体模型。在实体模型生成后，对具有同一特性的单元实体如定子的A、B、C、X、Y、Z各相绕组，进行分组归类。
4.2 材料定义
本分析为二维静态磁场分析，分析中要用到定子铁心，转子铁心，气隙三种材料。定转子铁心是非线性的，分别定义B-H曲线，加到local database中；从global database 选取空气特性指定给气隙和定转子槽。
4.3 边界条件和载荷
① 边界条件
在定子外圆C和转子内圆中心孔圆周B上加0边界条件。
② 载荷
根据该汽轮发电机的运行条件，给定转子绕组加相应的电流密度。在平面分析中电流流出纸面为正。定子A、B、C三相绕组在相位上互差120°。
4.4 网格划分
Ansoft 2D meshmaker提供了最常用的网格划分控制和最常用网格划分操作的便捷途径。本文的剖分如图2所示，在气隙处加密，共用三角单元36887个。
4.5求解和后处理
Ansoft的求解是自动完成的。利用Ansoft强大的后处理功能，可以方便得到磁场分布及磁密沿某一路径的分布情况。本文的求解结果如图3~6所示。其中If 代表励磁电流，IFN 为励磁电流额定值；Ia为定子电流，IAN为定子电流的额定值；λ为定子电流与d轴的夹角。
图3为励磁电流为额定值，定子电流为0时的磁场分布和相应的定子槽气隙磁密分布。可以看出此时转子的漏磁场较强，55条磁力线中，有一条只经过转子槽、气隙和转子轭而闭合。此时定子槽中心气隙磁密呈余弦光滑分布，幅值为0.45T。
从图4可以看出，仅存在定子d轴电流时，定子的漏磁场较强，在55条磁力线中，一条只在定子部分闭合，还有一条经过两个转子槽而闭合。定子槽中心气隙磁密出现了4个较大的毛刺，幅值约

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