超导调相机定子绕组强励能力的计算方法与流程

1.本发明涉及一种冷却技术，特别涉及一种超导调相机定子绕组强励能力的计算方法。


背景技术：

2.新一代分布式超导调相机的强励要求比较高,计算其水冷定子绕组的强励能力是产品设计开发中的重要环节。定子强励能力计算的准确程度不但影响着产品设计方案的确定，而且与水冷调相机在极端强励工况、高海拔下运行的安全性密切相关。
3.以往对于水冷定子绕组的强励能力的考虑，一般考虑简单绝热过程，未充分考虑强励过程中，定子冷却水对定子绕组温度的影响。为了科学合理而准确地得出超导调相机定子强励能力，就需要有新的思路。


技术实现要素：

4.针对设计中水冷定子绕组的强励能力计算存在问题，提出了一种超导调相机定子绕组强励能力的计算方法，综合考虑定子冷却水影响的、计算便捷的超导同步调相机任意k倍强励过电流下允许持续时间的计算方法。
5.本发明的技术方案为：一种超导调相机定子绕组强励能力的计算方法，输入定子绕组的各项参数、定子冷却水参数以及定子、定子冷却水材料属性参数，首先根据定子绕组的各项参数计算出额定工况定子绕组损耗、强励时定子绕组发热功率；然后，根据计算结果和定子冷却水参数、定子冷却水材料属性参数计算强励前水冷定子绕组出水稳定温度、强励电流若持续存在最终稳态定子绕组出水温度；之后，计算出强励过程中水冷定子绕组温度爬升的时间常数；最后，利用计算出的时间常数计算强励过电流下到达绕组允许极限温升所允许的持续时间，此持续时间代表超导调相机定子绕组强励能力。
6.进一步，所述定子绕组的各项参数包括定子绕组额定线电流in、定子绕组每相电阻r
cus
、定子绕组相数m
phs
、定子绕组附加损耗q
lcus
、定子绕组强励倍数k、定子铜线重量m
cus
；所述定子冷却水参数包括定子冷却水流量ql
ws
、水冷定子绕组温升限值θ
culim
；所述定子材料属性参数为定子铜线比热c
cus
；所述定子冷却水材料属性参数为定子冷却水比热c
ws
。
7.进一步，所述额定工况下定子绕组的基本铜耗q
cus
＝m
phs
·in2
·rcus
×
10-3
，in单位：a，r
cus
单位：ω，q
cus
单位：kw；
8.额定工况定子绕组损耗q
cust
＝q
cus
+q
lcus
，包括基本铜耗和附加损耗，单位：kw；所述定子k倍强励过电流工况下定子绕组的发热功率q
cusfo
＝k2·qcust
，单位：kw。
9.进一步，所述强励前水冷定子绕组出水稳定温度为：
10.c
ws
单位：j/kg/k，定子冷却水流量ql
ws
单位t/h，θ0，单位：k；
11.所述定子k倍强励电流若持续存在最终稳态定子绕组出水温度为：
12.单位：k。
13.进一步，所述强励过程中水冷定子绕组温度爬升的时间常数τ单位：s；m
cus
单位：kg。
14.进一步，所述强励过电流下到达绕组允许极限温升所允许的持续时间δt
fo
＝t
lim-t0，定子强励开始的时刻定子k倍强励过电流下到达绕组允许极限温升的时刻
15.进一步，所述计算方法在windows操作系统下，采用excel语言编制输入参数文件并关联入编辑公式中，应用excel实现。
16.本发明的有益效果在于：本发明超导调相机定子绕组强励能力的计算方法，通过输入计算模型及强励参数，通过简单的6个步骤，实现考虑定子冷却水影响的、适用于超导同步调相机在定子任意k倍强励过电流下允许持续时间的快捷计算；只需要输入10个参数，即可实现定子强励能力的自动计算，能很好地适应超导同步调相机的水冷定子强励能力计算要求，达到便捷、迅速、准确获得水冷定子强励能力的目的。克服了现有技术的不足，具有输入数据少、操作简便、计算和绘制迅捷、过程简明直观等特点。
附图说明
17.图1为本发明超导调相机定子绕组强励能力的计算方法流程图。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
19.如图1所示超导调相机定子绕组强励能力的计算方法流程图，计算方法包括如下步骤：
20.步骤1、输入计算模型的参数及完成计算所需的物性参数：
21.构建所述计算模型的参数包括：定子绕组额定线电流in(单位：a)、定子绕组每相电阻r
cus
(单位：ω)、定子绕组相数m
phs
、定子绕组附加损耗q
lcus
(单位：kw)、定子绕组强励倍数k、定子冷却水流量ql
ws
(单位：t/h)、定子铜线重量m
cus
(单位：kg)、水冷定子绕组温升限值θ
culim
(单位：k)；
22.完成所述计算所需的材料属性参数包括：定子冷却水比热c
ws
(单位：j/kg/k)、定子铜线比热c
cus
(单位：j/kg/k)；
23.步骤2、计算定子k倍强励过电流下的绕组发热功率：采用计算公式依次计算定子绕组额定铜耗q
cus
、定子绕组额定总损耗q
cust
以及定子k倍强励过电流下的绕组发热功率qcusfo
，计算公式为：
24.q
cus
＝m
phs
·in2
·rcus
×
10-3
25.q
cust
＝q
cus
+q
lcus
26.q
cusfo
＝k2·qcust
27.式中：
28.q
cus
为额定工况下定子绕组的基本铜耗，单位：kw；其计算公式中
“×
10-3”的作用是将以“w”为单位的损耗值，换算到以“kw”为单位的损耗值；
29.q
cust
为额定工况下定子绕组包括基本铜耗和附加损耗后的总损耗，单位：kw；定子绕组通交流电时，有一个铜线损耗，就是总损耗q
cust
，将通有效值相同的直流电产生的铜的焦耳热损耗叫做基本铜耗，即q
cus
,，通交流电会导致电流出现趋肤效应，相对于通电面积少了，所以交流电比直流电损耗大，大出的部分即趋肤效应带来的附加损耗，叫铜线附加耗q
lcus
；
30.q
cusfo
为定子k倍强励过电流工况下定子绕组发热功率，单位：kw。
31.步骤3、计算定子强励前绕组的出水稳态温升，计算公式为：
[0032][0033]
式中：θ0为定子强励前的额定工况下绕组的出水稳态温升，单位：k；其计算公式中
“×
3600”存在的原因是水流量ql
ws
以“t/h”为单位，时间单位“h”换算到单位“s”需要乘系数3600。
[0034]
步骤4、计算定子k倍强励过电流下达到新的热平衡时绕组的出水稳态温升，计算公式为
[0035][0036]
式中：θ
∞
为定子k倍强励过电流下达到新的热平衡时绕组的出水稳态温升,单位：k；其计算公式中
“×
3600”存在的原因是水流量ql
ws
以“t/h”为单位，时间单位“h”换算到单位“s”需要乘系数3600。
[0037]
步骤5、计算定子绕组温度上升时间常数，计算公式为
[0038][0039]
式中：τ为定子k倍强励过电流下绕组温度上升的时间常数，单位：s；其计算公式中
“×
10-3”的作用是将分母中以“kw”为单位的损耗值，换算到以“w”为单位的损耗值。
[0040]
步骤6、计算定子k倍强励过电流下到达绕组允许极限温升所允许的持续时间，计算公式为：
[0041]
[0042][0043]
δt
fo
＝t
lim-t0[0044]
式中：t0为定子强励开始的时刻，单位：s；t
lim
为定子k倍强励过电流下到达绕组允许极限温升的时刻，单位：s；
△
t
fo
为定子k倍强励过电流下到达绕组允许极限温升所允许的持续时间，单位：s。
[0045]
如设定多个不同k值，加入步骤2至6循环运算语句，可进行多个强励过电流值下的定子绕组强励能力计算。
[0046]
本发明提供的新算法，既可以用人工手算完成(用一个科学计算器就可按专利方法中的公式得出专利计算结果)。为了更加直观地体现本发明提出的计算思路，案例选择了office办公软件中的excel作输入、输出界面，并以excel的函数功能就能实现本发明的计算。
[0047]
如表1所示，本实施例中，在windows操作系统下，采用excel语言编制了一个名为scsfo(super-conductive condensor stator winding force over-current calculation method)的一种超导调相机的定子强励能力自动计算excel文件。此程序为windows操作系统下表格工具excel普通文档。
[0048]
表1
[0049][0050][0051]
下面以10mvar超导调相机的水冷定子绕组强励计算为例，计算其定子强励能力，具体操作过程如下：
[0052]
第一步：打开excel，如表1所示，在“1a、构建所述计算模型的参数”单元格下方，依次输入模型数据，包括定子绕组额定线电流in＝525a、定子绕组每相电阻r
cus
＝0.0883ω、定子绕组相数m
phs
＝3、定子绕组附加损耗q
lcus
＝26.8kw、定子绕组强励倍数k＝2、定子冷却水流量ql
ws
＝3.5t/h、定子铜线重量m
cus
＝490kg、水冷定子绕组温升限值θ
culim
＝50k；如表1所示，在“1b、完成所述计算所需的材料属性参数”单元格下方，依次输入物性数据，包括定
子冷却水比热c
ws
＝4200j/kg/k、定子铜线比热c
cus
＝390j/kg/k。
[0053]
第二步：在excel中按照的前述计算方法中步骤2～步骤6的计算公式内容，基于excel简单函数的应用编制了计算公式，自动产生q
cus
、q
cust
、q
cusfo
、θ0、θ
∞
、τ、t0、t
lim
、
△
t
fo
的计算结果。如下表2所示：
[0054]
表2
[0055][0056]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。