一种用于凸极同步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型的参数化建立方法
【专利摘要】一种用于凸极同步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型的参数化建立方法，它涉及凸极同步电机的场路耦合模型的建立方法。本发明为了由于同步发电机结构复杂，绕组连接形式多变，定子槽数和并联支路数一般较多，使采用场路耦合法进行同步发电机定子绕组短路故障的批量暂态分析基本无法实现的问题。本发明具体包括建立凸极同步电机的几何模型；采用三角单元生成凸极同步电机的有限元模型；根据有限元模型，建立定子、励磁和阻尼绕组的有限元模型和外电路模型的场路耦合单元，对各绕组场路耦合单元进行连接，从而建立凸极同步电机的外电路模型和场路耦合模型；给整个模型施加边界条件。本发明大幅降低了凸极同步电机绕组短路故障暂态分析的计算周期。
【专利说明】
一种用于凸极同步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型的 参数化建立方法
技术领域
[0001] 本发明涉及凸极同步电机的场路耦合模型的建立方法，具体涉及一种用于凸极同 步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型的参数化建立方法，属于凸极同步电机绕组短路 故障分析技术领域。
【背景技术】
[0002] 同步发电机定子绕组短路故障的批量暂态分析是设计发电机主保护方案的一个 重要部分，根据分析得出的定子绕组各支路中性点侧的电流，计算各种保护方案中电流互 感器的灵敏度，依此确定发电机的主保护方案，以保证发电机的安全稳定运行。
[0003] 目前，同步发电机定子绕组短路故障的暂态分析主要有两种方法:第一种是由清 华大学学者提出的多回路分析法，该方法以单个线圈为基础，将电机看成由多个相对运动 的电路组成的网络。可以考虑气隙磁场的谐波作用、故障的空间位置和绕组形式等因素，但 复杂的电感参数计算过程制约了多回路法的应用；随着计算机性能的不断提高，采用场路 耦合法分析同步发电机定子绕组短路故障的暂态过程成为可能。该方法不仅能考虑绕组的 空间排布和联接方式，还能较准确的考虑齿槽效应、铁磁材料的饱和等因素，是计算短路故 障较为准确的方法。
[0004] 但是，同步发电机结构复杂，绕组连接形式多变，定子槽数和并联支路数一般较 多，这就给建立同步电机场路耦合模型带来了巨大的工作量。加之每次分析不同的短路故 障时，外电路模型必须相应改变。这样受前处理工作量的限制，采用场路耦合法进行同步发 电机定子绕组短路故障的批量暂态分析基本无法实现。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决现有技术由于同步发电机结构复杂，绕组连接形式多 变，定子槽数和并联支路数一般较多，受前处理工作量的限制，采用场路耦合法进行同步发 电机定子绕组短路故障的批量暂态分析基本无法实现的问题。
[0006] 本发明的技术方案是:一种用于凸极同步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型 的参数化建立方法，具体包括以下步骤：
[0007] 步骤一、建立凸极同步电机的几何模型，设定定子铁心、转子铁心、定子绕组、励磁 绕组和阻尼绕组的单元类型、单元属性和材料属性；
[0008] 步骤二、利用有限元软件，采用三角单元生成凸极同步电机的有限元模型；
[0009] 步骤三、根据所述有限元模型，分别建立定子、励磁和阻尼绕组的有限元模型和外 电路模型的场路耦合单元，并对各绕组场路耦合单元进行连接，从而建立凸极同步电机的 外电路模型和场路耦合模型；
[0010] 步骤四、给整个模型施加边界条件。所述边界条件是使电磁场方程在求解的过程 中有唯一解。
[0011] 所述建立凸极同步电机的几何模型包括圆环面域模型、定子铁心几何模型、定子 绕组几何模型、转子磁极几何模型、阻尼绕组几何模型和励磁绕组几何模型。
[0012] 所述圆环面域模型由定子铁心内外径建立；
[0013] 所述定子铁心几何模型的建立方法包括：
[0014]根据定子槽宽和定子槽高建立单个定子槽几何模型，进而得到所有定子槽几何模 型；
[0015] 对所有定子槽几何模型采用布尔操作，生成定子铁心几何模型。
[0016] 所述定子绕组几何模型的建立方法包括：
[0017] 根据定子绕组宽和定子绕组高建立单个定子上层线圈几何模型，通过复制得到单 个定子下层线圈几何模型，通过复制命令得到所有定子上下层线圈几何模型；
[0018] 对所有定子上下层线圈几何模型采用布尔操作，生成定子绕组几何模型。
[0019] 所述转子磁极几何模型和阻尼绕组几何模型的建立方法包括：
[0020] 所述转子磁极几何模型通过极靴高、极靴宽、极身高和极身宽建立；
[0021] 通过每极阻尼条数、阻尼条节距、阻尼条直径和阻尼槽口高建立单个阻尼条几何 模型，进而得到所有阻尼条几何模型；
[0022] 对所有阻尼条几何模型进行布尔操作，生成阻尼绕组模型。
[0023] 所述励磁绕组几何模型的建立方法包括：
[0024] 根据励磁绕组宽、励磁绕组高、励磁绕组匝数建立单极单侧励磁绕组几何模型，利 用镜像法建立单极双侧励磁绕组几何模型，进而得到所有励磁绕组几何模型。
[0025] 步骤一所述建立凸极同步电机的几何模型过程中需要输入约束参数，所述约束参 数包括定子绕组并联支路数、额定电压、额定功率、额定功率因素、空载励磁电流和负载励 磁电流。
[0026] 所述场路耦合模型的建立方法包括：
[0027] 分别建立定子上层线圈的有限元模型与定子上层线圈外电路模型的场路耦合单 元和定子下层线圈有限元模型与定子下层线圈外电路模型的场路耦合单元与外电路模型 的耦合模型；根据定子绕组上层边线圈所在的槽号数据和线圈标识号数据，对定子绕组的 每个线圈的场路耦合单元进行连接，从而形成定子绕组外电路模型和定子绕组的场路耦合 模型;建立励磁绕组和阻尼绕组有限元模型与外电路模型的场路耦合单元，将所有的励磁 绕组的场路耦合单元串联接在一起，将所有的阻尼绕组场路耦合单元并联在一起。从而形 成整个凸极同步电机的外电路模型和场路耦合模型。
[0028] 所述边界条件包括:令定子外圆和转子内圆边界上的磁矢位等于0。
[0029] 本发明与现有技术相比具有以下效果:本发明提供一种新的凸极同步电机场路耦 合模型的参数化建立方法，该方法弥补了现有技术方法的不足，可以完成任意结构尺寸、多 种绕组形式(波绕组、叠绕组）的凸极同步电机场路耦合模型建立、可实现建模及计算过程 的流程化和批量化，大幅降低了凸极同步电机绕组短路故障暂态分析的计算周期，并可实 现对有限元软件的二次开发。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明提供的一种用于凸极同步电机绕组短路故障的场路耦合模型的参数 化建立方法的操作流程图；
[0031] 图2是本发明提供的一种用于凸极同步电机绕组短路故障的场路耦合模型的参数 化建立方法的数据输入流程图；
[0032] 图3是本发明提供的一种用于凸极同步电机绕组短路故障的场路耦合模型的参数 化建立方法的定子单个线圈及节点数组示意图；
[0033] 图4是本发明提供的一种用于凸极同步电机绕组短路故障的场路耦合模型的参数 化建立方法的定子绕组连接流程图；
[0034] 图5是本发明提供的一种用于凸极同步电机绕组短路故障的场路耦合模型的参数 化建立方法的定子绕组连接具体流程图；
【具体实施方式】
[0035] 结合【附图说明】本发明的【具体实施方式】，本发明的一种用于凸极同步电机绕组短路 故障分析的场路耦合模型的参数化建立方法，具体包括以下步骤：
[0036] 步骤1、输入定子铁心外径、定子铁心内径、定子槽数、极数、定子槽高、定子槽宽、 最小气隙、最大气隙、定子绕组宽、定子绕组高、槽绝缘高、铁心长度、叠片系数、极身高、极 身宽、极靴高、极靴宽、转轴半径、每极阻尼条数、阻尼条节距、阻尼条直径、阻尼槽口高、励 磁绕组宽、励磁绕组高、励磁绕组匝数等几何参数，如图2所示。
[0037]步骤2、设置电机各构件的单元类型、单元属性和材料属性，输入约束参数：
[0038] 步骤2.1、设置定子铁心、转子铁心、定子绕组、励磁绕组和阻尼绕组的单元类型、 单元属性和材料属性。
[0039] 步骤2.2、输入绕组形式，存入到变量rzxs中，若为波绕组，则rzxs = 0;若为叠绕 组，则rzxs = 1。输入定子绕组节距，若rzxs = 0，输入第一节距，并赋值给变量y，输入第二节 距，并赋值给变量y2;若rzxs = 1，输入绕组节距，并赋值给变量y。
[0040] 步骤2.3、输入定子绕组并联支路数、额定电压、额定功率、额定功率因数、空载励 磁电流和负载励磁电流等约束参数。
[0041] 步骤3、输入定子绕组参数:线圈上层边所在的槽号，以数组的形式存储起来，输入 线圈的标识号，以数组的形式存储起来，规定电流从线圈上层边引入，下层边引出，线圈的 标识号为1:电流从线圈下层边引入，上层边引出，线圈的标识号为-1，具体表示为：
相、B相和C相的第i支路第j号线圈上层边所在的槽号，m为每支路线圈数，η为并联支路数;L 为与A同维数标识号数组，Llj = 1或-1。
[0046]步骤3、凸极同步电机几何模型的建立，包括：
[0047]步骤3.1、根据定子铁心内外径建立圆环面域模型；
[0048]步骤3.2、根据定子槽宽和槽高建立单个定子槽几何模型，采用循环命令建立所有 定子槽几何模型，根据已建立的定子槽数和总定子槽数的差值判断循环是否结束，若差值< 0，则循环继续，若差值2 0，则循环结束，对几何模型采用布尔操作，从而生成定子铁心几何 模型。
[0049] 步骤3.3、根据定子绕组宽和定子绕组高建立单个定子上层线圈几何模型，采用复 制命令建立单个定子下层线圈几何模型，采用循环命令建立所有定子上下层线圈几何模 型，根据已建立的定子上下层线圈数和总定子槽数的差值判断循环是否结束，若差值<〇，则 循环继续，若差值2 〇，则循环结束，对几何模型采用布尔操作，从而生成定子绕组几何模 型。
[0050] 步骤3.4、根据极靴高、极靴宽、极身高和极身宽建立转子磁极几何模型，采用循环 命令建立所有转子磁极几何模型，根据已建立的磁极数和极数的差值判断循环是否结束， 若差值<〇，则循环继续，若差值2 〇，则循环结束。
[0051]步骤3.5、建立单个阻尼条几何模型，采用循环命令建立一个极下所有的阻尼条几 何模型，根据已建立的阻尼条数和每极阻尼条数的差值判断循环是否结束，若差值<〇,则循 环继续，若差值2 0，则循环结束，采用循环命令建立所有的阻尼条几何模型，根据循环的次 数和电机磁极数的差值判断循环是否结束，若差值<〇,则循环继续，若差值2 0,则循环结 束，对几何模型采用布尔操作，从而生成转子磁极几何模型和阻尼绕组模型。
[0052] 步骤3.6、建立单极单侧励磁绕组几何模型，采用镜像命令建立单极双侧励磁绕组 几何模型，采用循环命令建立所有的励磁绕组几何模型，根据循环的次数和极数的差值判 断循环是否结束，若差值<〇,则循环继续，若差值2 0,则循环结束。
[0053] 步骤4、凸极同步电机有限元模型的建立方法包括:采用有限元软件，根据各区域 网格尺寸的要求，采用三角单元对凸极同步电机几何模型进行剖分，建立有限元模型。
[0054] 步骤5、凸极同步电机场路耦合模型的建立，包括：
[0055] 步骤5.1、建立C0IL1UC0IL12、⑶11^21、〇)11^2、1'0?、11^六个数组，用来存储每个 定子线圈相应位置的六个节点的标号，如图3所示。
[0056] 步骤5.2、采用循环命令建立上层线圈的有限元模型和定子绕组外电路模型的场 路耦合单元:首先建立两个节点，节点编号分别存在COILll和C0IL12数组中，在这两个节点 间建立上层线圈有限元模型和外电路模型的耦合单元，根据已建立的定子上层线圈场路耦 合单元数和总定子槽数的差值判断循环是否结束，若差值<0，则循环继续，若差值2 0，则循 环结束。
[0057]步骤5.3、采用循环命令建立下层线圈的有限元模型和定子绕组外电路模型的场 路耦合单元:首先建立两个节点，节点编号分别存在C0IL21和C0IL22数组中，在这两个节点 间建立下层线圈有限元模型和外电路模型的耦合单元，根据已建立的定子下层线圈场路耦 合单元数和总定子槽数的差值判断循环是否结束，若差值<0，则循环继续，若差值2 0，则循 环结束。
[0058]步骤5.4、连接定子线圈的场路耦合单元形成A、B、C三相绕组的外电路模型和场路 耦合模型：以A相第一支路为例，则采用循环命令，循环变量用i表示，初值为0,每次循环i自 加1，建立一个节点，节点编号赋予T0P( aii)中，在NCOILlKali)和T0P(aii)间建立电阻单元， 在NC0IL21(au+y)和TOP(au)间建立电感单元，根据i和支路线圈数m的差值判断循环是否 结束，若差值<〇，则循环继续，若差值2 〇，则循环结束，如图4所示。则采用循环命令，循环变 量用i表示，初值为1，每次循环i自加1，如果auLiiXmaii-!L li-iXmau+iLii+iX)，则在C0IL22 (aii-i+y)和C0IL12( aii)节点间建立电阻单元，在C0IL22(aii+y)和C0IL12(ali+1)节点间建立 电感单元;如果&1比^>0且3 1卜!Lli-1>0且31河1^+1〈0,则在 C0IL22(aii-i+y)和C0IL12(aii)节点 间建立电阻单元，在C0IL22(au+y)和C0IL22(a li+1+y)节点间建立电感单元;如果auLuX)且 an-!Lli-1〈0且3& 11^+1>0,则在C0IL12(aii-〇 和C0IL12(aii)节点间建立电阻单元，在C0IL22 (aii+y)和C0IL12(a li+1)节点间建立电感单元；如果&1比1〇0且31卜iUi- 1〈0且3^+11^+1〈0,则在 C0IL12(aii-〇 和 C0IL12(aii)节点间建立电阻单元，在 COII^Uii+y)和 C0IL22(ali+1+y)节点 间建立电感单元；如果&1比以0且3 1卜!Lli-1>0且3^+11^+1>0，则在C0IL22(aij-i+y)和C0IL22 (au+y)节点间建立电阻单元，在⑶IL12(au)和⑶IL12(au+i)节点间建立电感单元；如果 已 1土1^〈0且&1卜!Lli-1>0且&^ +11^+1〈0,则在ΟΠ?22(&η-i+y)和 ΟΠ?22(&η+7)节点间建立电阻 单元，在C0IL12(aii)和⑶IL22(ali+1+y)节点间建立电感单元；如果&^1^〈0且3 1卜!Lli-KO且 ali+1Lli+1>0,则在⑶IL12( aii-〇和⑶IL22(aii+y)节点间建立电阻单元，在⑶IL12(aii)和 C0IL12(a li+1)f点间建立电感单元；如果31^1<0且31卜!L li-1〈0且3^+11^+1〈0,则在⑶IL12 ( aii-iMPCOII^Ui+y)节点间建立电阻单元，在C0IL12(aii)和C0IL22(a li+1+y)节点间建立 电感单元;根据i和m-Ι的差值判断循环是否结束，若差值<0,则循环继续，若差值2 0,则循 环结束，如图5所示。参照上述方法分别连接A相其他支路及B和C相各支路，形成整个定子绕 组的外电路模型和场路耦合模型。
[0059] 所述电阻单元的等效阻值Rd的确定依据下式：
[0060]
[0061] 其中:P为绕组电阻率;N。为线圈匝数;Ie为线圈端部长度;A。为每匝截面积。
[0062] 电感单元的等效电抗倌Xd的确审依据下式：
[0063]
[0064] 其中:μ〇为真空磁导率;m为相数;a为并联支路数;Z为定子槽数;N为绕组每相串联 匝数;Irf为电机轴向有效长度;P为极数;q为每极每相槽数;λ Ε为端部比漏磁导。
[0065] 步骤5.5、分别建立励磁绕组有限元模型与外电路模型的场路耦合单元和阻尼绕 组有限元模型与外电路模型的场路耦合单元，将所有的励磁绕组的场路耦合单元串联接在 一起，将所有的阻尼绕组场路耦合单元并联在一起，从而形成整个凸极同步电机的外电路 模型和场路耦合模型。
[0066] 步骤6、凸极同步电机场路耦合模型的边界条件施加:令定子外圆和转子内圆边界 上的磁矢位等于0。
[0067] 本发明所述电机几何模型是按照实施方式的顺序建立的，这些模型共同构成了凸 极电机的几何模型。
【主权项】
1. 一种用于凸极同步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型的参数化建立方法，其特 征在于:具体包括以下步骤： 步骤一、建立凸极同步电机的几何模型，设定定子铁心、转子铁心、定子绕组、励磁绕组 和阻尼绕组的单元类型、单元属性和材料属性； 步骤二、利用有限元软件，采用三角单元生成凸极同步电机的有限元模型； 步骤三、根据所述有限元模型，分别建立定子、励磁和阻尼绕组的有限元模型和外电路 模型的场路親合单元，并对各绕组场路親合单元进行连接，从而建立凸极同步电机的外电 路模型和场路耦合模型； 步骤四、给整个模型施加边界条件。2. 根据权利要求1所述一种用于凸极同步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型的参 数化建立方法，其特征在于:所述建立凸极同步电机的几何模型包括圆环面域模型、定子铁 心几何模型、定子绕组几何模型、转子磁极几何模型、阻尼绕组几何模型和励磁绕组几何模 型。3. 根据权利要求2所述一种用于凸极同步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型的参 数化建立方法，其特征在于:所述圆环面域模型由定子铁心内外径建立； 所述定子铁心几何模型的建立方法包括： 根据定子槽宽和定子槽高建立单个定子槽几何模型，进而得到所有定子槽几何模型； 对所有定子槽几何模型采用布尔操作，生成定子铁心几何模型。4. 根据权利要求2所述一种用于凸极同步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型的参 数化建立方法，其特征在于:所述定子绕组几何模型的建立方法包括:根据定子绕组宽和定 子绕组高建立单个定子上层线圈几何模型，通过复制得到单个定子下层线圈几何模型，进 而得到所有定子上下层线圈几何模型； 对所有定子上下层线圈几何模型采用布尔操作，生成定子绕组几何模型。5. 根据权利要求2所述一种用于凸极同步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型的参 数化建立方法，其特征在于:所述转子磁极几何模型和阻尼绕组几何模型的建立方法包括： 所述转子磁极几何模型通过极靴高、极靴宽、极身高和极身宽建立； 通过每极阻尼条数、阻尼条节距、阻尼条直径和阻尼槽口高建立单个阻尼条几何模型， 进而得到所有阻尼条几何模型； 对所有阻尼条几何模型进行布尔操作，生成阻尼绕组几何模型。6. 根据权利要求2所述一种用于凸极同步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型的参 数化建立方法，其特征在于:所述励磁绕组几何模型的建立方法包括： 根据励磁绕组宽、励磁绕组高、励磁绕组匝数建立单极单侧励磁绕组几何模型，利用镜 像法建立单极双侧励磁绕组几何模型，进而得到所有励磁绕组几何模型。7. 根据权利要求1所述一种用于凸极同步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型的参 数化建立方法，其特征在于:步骤一所述建立凸极同步电机的几何模型过程中需要输入约 束参数，所述约束参数包括定子绕组并联支路数、额定电压、额定功率、额定功率因数、空载 励磁电流和负载励磁电流。8. 根据权利要求1述一种用于凸极同步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型的参数 化建立方法，其特征在于:所述场路耦合模型的建立方法包括： 分别建立定子上层线圈的有限元模型与定子上层线圈外电路模型的场路耦合单元和 定子下层线圈有限元模型与定子下层线圈外电路模型的场路耦合单元； 根据定子绕组上层线圈所在的槽号数据和线圈标识号数据，对定子绕组的每个线圈的 场路耦合单元进行连接，从而形成定子绕组外电路模型和定子绕组的场路耦合模型； 分别建立励磁绕组有限元模型与外电路模型的场路耦合单元和阻尼绕组有限元模型 与外电路模型的场路耦合单元，将所有的励磁绕组的场路耦合单元串联接在一起，将所有 的阻尼绕组场路耦合单元并联在一起，从而形成整个凸极同步电机的外电路模型和场路耦 合模型。9.根据权利要求1述一种用于凸极同步电机绕组短路故障分析的场路耦合模型的参数 化建立方法，其特征在于:所述边界条件包括:令定子外圆和转子内圆边界上的磁矢位等于 0〇
【文档编号】G06F17/50GK105844035SQ201610190841
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】肖士勇, 戈宝军, 刘智慧, 孙晓波
【申请人】哈尔滨理工大学