文摘

本文比较研究了电磁力和机械响应的前后端绕组三种典型的机电故障在涡轮发电机。电磁力的解析表达式推导出端绕组复合故障下的静态偏心距和转子匝间短路。与此同时,三维瞬态有限元模拟进行,振幅和频率成分和径向的变化特点,轴向、切向电磁力进行了分析,最后绕组静态偏心下,转子匝间短路,和复合故障。因此,它提供了一个参考振动磨损检测和电磁力控制端绕组。此外,不同位置的最大应力和变形在渐开线。端绕组和三向振动加速度特性的进一步分析。最后,蜿蜒的疲劳失效的分布规律和振动磨损是后天获得的,这奠定了基础的反向抑制端绕组疲劳失效和绝缘磨损。

1。介绍

在实际的操作中,发电机不仅在正常状态,而且在可能不正常状态。静态气隙偏心是一种机械故障一定抵消转子和定子之间的轴。由于制造和安装错误,几乎所有的发电机有一定的静态偏心。特别是对大型汽轮发电机,静态偏心是不可避免的,因为支持部分轴滑动轴承。在此同时,转子绕组是很容易出现短路现象之间,由于铜线的结构缺陷,匝间绝缘损坏,机械应力下的疲劳损伤和绝缘老化。和它是一个电气故障与高频发生器的实际工作过程。这两种机械和电气故障不会严重影响发电机的操作在早期阶段和发电机可以与他们一起工作,但是他们会导致异常的气隙磁场的分布。端绕组的电磁力将进一步受到影响。和一些线圈的交变应力和振动将增加,这将导致疲劳损伤和穿着。当他们发展在某种程度上,线圈短路会引起(1,2]。然而,造成的故障损坏发电机定子绕组不容易监控,它会突然出现。一旦端绕组的故障发生时,它需要大量的人力和时间来修复。因此,这样的失败将导致巨大的维护和停机损失,并应采取有效措施防止它。传统的方法是改进的刚度和强度端绕组支持或增加绑定的数量部分。但它会浪费材料,把安装的复杂性,导致发电机处理成本的增加。通过计算电磁力和机械响应的发电机端绕组,最大应力和振动特性可以在不同的操作条件下获得的。它可以用于端绕组结构优化、加工技术改进,关键维修定位,减少发电机的制造和维护成本在一定程度上。

当轻微绕组匝间短路及气隙偏心出现,发电机仍然可以运行很长一段时间,所以这种机电故障是经常被忽略。然而,短路的恶化和怪癖,发电机的机电特性会有相当大的变化。吴和李找到了新的频率分量的气隙磁动力匝间短路故障发生时(3]。基于这一原则,太阳等人发明了一种新型的探测线圈识别此错误。当转子匝间短路(RISC)发生时,检测线圈端电压原因甚至或分数次谐波,当定子匝间短路(SISC)发生时,终端电压只包含奇次谐波(4]。此外,实际的电磁能量和计算之间的区别的虚功发电机将增加匝间短路的发生(5]。为了避免RISC, BP神经网络的方法,提出了在线监测识别此错误(6,7]。此外,复合诊断方法基于定子/转子振动特性,提出了确定RISC位置和程度(8,9]。另一方面,Iamamura等人发现,当转子偏心磁场变化与偏心角的变化(10- - - - - -12]。此外,径向偏心会增加谐波组件和电磁转矩的幅值,而轴向压紧偏心率是相反的(13,14]。Ehya等人总结了偏心检测方法根据电压和电流的谐波分量,效率,温度,和电磁转矩波动15]。方面的综合故障指气隙动态偏心,静态偏心,RISC, SISC,他玉玲等人分析了内部循环并行分支的电位差,电磁转矩特性和不平衡电磁力(16,17]。与此同时,学者也研究了励磁电流,通量密度、定子电流、电压综合机电故障发生时(18- - - - - -21]。

总之,大部分的文献关注发电机的电磁特性和铁芯气隙偏心下的振动特性和匝间短路故障,而很少有研究电磁力和机械响应特性下的定子端绕组这种缺点。他甚至等人发现谐波增量的绕组电磁力与SISC程度的增加变大22]。同时,定子绕组电磁力的变化和静态最大机械响应下的整个绕组RISC进行了分析(23]。指出RISC将奇数次谐波的振幅增加定子绕组的电磁力。此外,电磁力和瞬态的力学响应特性前后定子端绕组气隙静态偏心进行了研究,并发现线圈接近最低气隙是最危险的24]。

作为一个重要的补充,本文主要研究了电磁力激发行为和力学响应的综合机电故障下的发电机定子端绕组气隙静态偏心和RISC和比较分析正常的特点,偏心,RISC和组合的错。压力的结果可以提供一个依据目标反向设计,磨损和变形分布是一个指导预防和日常检查失败。此外,力和振动特性在故障诊断有一定的意义。

本文的其余部分构造如下。电磁力的解析公式在绕组在复合断层派生部分2。然后,电磁力和机械响应的有限元分析中进行3节,而进行实验研究4。最后,在四个州行为的差异部分进行了总结5和主要结论是起草部分6。

2。理论分析

2.1。气隙磁通密度(摘要)

气隙打码可以获得的乘法单元磁导和磁动力(MMF)。静态气隙偏心会改变磁导分布和RISC将会影响MMF。因此,气隙打码将会改变在这些机电的缺点。

透过单位是成反比的径向气隙的长度。静态偏心会引起径向气隙长度的变化,如图1,透过将进一步变化。透过在单位面积可以表示为14] 在哪里α是圆周位置,δ(α)代表不同的气隙长度位置,Λ₀指的是正常磁导(Λ₀=μ₀/δ₀,μ₀和δ₀真空磁导率和正常的气隙长度,分别),ζ是相对偏心率(ζ=e/δ₀,e是绝对的偏心值),λ偏心角如图1。

在方程(1),很明显,静态偏心将气隙磁导不再沿着圆周方向均匀,最低气隙附近的磁导(从偏心方向在±90°)会增加,而附近的磁导最大的气隙将减少。

另一方面,气隙MMF的叠加是定子和转子绕组MMF。根据(24),正常的定子和转子绕组MMF可以写成 在哪里ψ发电机的内部功率角,ω是电频率,F_sn和F_rn是n -定子和转子绕组谐波振幅MMF,分别。

RISC发生时,反向MMF将带来的做空把电路。如图2(一个)被定义为,做空位置β′,β′∈(0∼π)。根据磁通守恒定律,反向MMF的分布如图2 (b),它可以表示为25] 在哪里我_f是当前做空转身n_米是做空的数量。

考虑到转子旋转的角速率ω_r(一对的波兰人的涡轮发电机,ω=ω_r),反向由FFT MMF可以扩展 宽恕的F_杜代表的振幅uth反向MMF的谐波。

因为转子MMF是主要部分,定子上的断层MMF的影响可以忽略。因此,气隙MMF RISC可以写成 在哪里F_cn的振幅是吗n总结MMF和th谐波ρ_nMMF和转子之间的角度总结MMF向量。

在方程(5偶次谐波),RISC带来了新的组成部分总结MMF。因为做空将相对较少,偶次谐波的振幅非常弱。此外,最初的奇次谐波的振幅变化及其趋势取决于空位置有关的正弦值和谐波顺序,也就是说,sin (nβ′)。基本的谐波,sin (β由于′)> 0是永恒的β′∈(0∼π),所以F_d1> 0是恒定的。因此,无论做空将在哪里,基本总结MMF的谐波振幅F_c1将会减少。

RISC和离心率的复合故障发生时,最后的多功能显示可以通过增加气隙RISC MMF和偏心磁导。

它是方程所示(6偶次谐波),显示包含除了奇怪的RISC或复合故障发生时谐波。此外,复合故障下,附近的打码的基本谐波振幅之间的最小空气间隙值在偏心和RISC,它小于两个单故障下的价值在马克斯气隙附近。

2.2。端绕组的电磁力

主要通过乘法可以得到的转子MMF和浸透。

根据电磁感应法则,定子电流可以被描述为 在哪里我_n和我_u是n -th和u -分别th定子电流谐波振幅。l是有效的绕组的轴向长度,就是线圈栏的速度降低了磁通线,Z绕组的阻抗,问每阶段,槽数每卷轮到号码,吗的曲折因子吗n -th谐波(详细信息请参阅[24])。

定子绕组线的部分在于定子槽,和结束渐开线挂槽外的一部分,如图3。自从打最后区是一个漏磁场,它小于线部分。但是通过谐波组件相同的两部分。因此,最后带显示和修改通过添加系数f_k。在这里,系数是与空间位置有关,工作条件,等等。它可以进一步通过大量的实验和仿真。

根据安培力法,电磁力的积是当前和打码。因此,电磁力在任何时候K端绕组的复合故障可以推导出 在哪里θ_k磁通密度之间的角度和定子电流点吗K;F_Ikx,F_{厚颜无耻的},F_Ikz电磁力的直角坐标组件吗。α_我是上层的周向角线的一部分吗我- - - - - -定子槽,和α_我+α_k指的位置点K如图3(一个)。的范围α_k0 17之间α′,α′是指两个槽之间的角度(即8.6°)。

根据方程(9),在复合故障不仅对转子和定子MMF相关,但也逆MMF的RISC(也就是说,F_d)和偏心因子(即ζ和λ)。谐波分量和2^nd谐波幅值在不同的情况下,总结在表1。除了不断甚至谐波,复合故障的电磁力和RISC还包括奇谐波组件。每个频率分量的振幅变化取决于和F_d1;也就是说,它是有关偏心角,偏心率,短路,短路的位置。线圈的最小空气间隙,它是存在的F_d1> 0,α_我+ 8.5α′=λ和Δ> 0;因此力的二次谐波振幅降低在RISC,增加偏心率下,后两个单一故障和复合故障。而对于线圈马克斯气隙,它的存在F_d1> 0,α_我+ 8.5α′=λ+π和Δ< 0,所以力的二次谐波振幅降低后的错,和复合故障下的值是最小的。

此外,通过坐标变换和积分计算,径向、切向、轴向电磁力组件和合力的端绕组复合故障可以获得的 在哪里θ圆柱坐标的矢量角点吗K和l_结束端绕组的线圈曲线。

3所示。模拟

3.1。设置

在本节中,电磁力和机械响应端绕组的qfsn - 600 - 2 - yhg涡轮发电机计算了三维瞬态有限元方法。研究框架如图4。整个模拟过程进行了ANSYS Workbench平台,和电磁力和机械响应分析实现电磁分析模块和结构分析模块,分别。在模拟电磁力,转子励磁电流设置为额定励磁电流4128 A,转子速度设置为同步转速3000转,时间步长是0.0005 s,仿真时间设置为0.12秒。的主要参数、物理模型和网格划分的研究对象详细(24,26]。

正常的气隙是93毫米,偏心率和角度设置为30%,+X轴λ分别= 0°。气隙的模拟静态偏心实现通过移动定子的物理模型X28毫米的轴。短路度设置为5%,做空把号码是6。RISC的位置如图2和5(一个),该中心是在0°。的励磁绕组短路槽分为正常和做空,这对应于外部电路模型,如图5 (b)。

3.2。显示和分析

正常的维护功能配置分布如图6(一)和6 (b)当t= 100毫秒。维护功能配置是一个三维向量,在径向分量,轴向和切线方向。综合维护功能配置变化波沿切向和轴向方向图所示6 (c)和6 (d),分别。

因为离心率主要影响磁导和RISC将影响MMF,复合故障下的维护功能配置将会改变。这是显示在图6 (c)在最小,气隙(即0°、360°),能够变得更少在RISC,偏心率下变大,是两者之间的单一故障组合下的错。

铁的中心部分被定义为零轴向坐标。因此,0 - 315 mm和315∼线部分是球门区。这是显示在图6 (d)显示器的显示更大的部分(0∼600毫米)和部分的迅速减少(600毫米∼)是否这些错误发生。(0∼315毫米)的部分是影响断层,(315∼600毫米)的部分几乎没有受到影响,和部分(600毫米∼)影响最小。原因是最后漏磁场产生主要由定子绕组,但行字段是由定子和转子绕组。当故障发生时,转子磁场和定子磁场将会改变。所以缺点大大影响线的部分。

径向打波和频谱的A点和B点数据所示7(一)-7(d)。这两个点的直线部分和结束部分最低气隙,分别如图6(一)。

它显示在图7(一)和7(b)的线显示和部分明显50 Hz, 150 Hz, 250 Hz组件和基础,3^{理查德·道金斯},5^th分别谐波。RISC或复合故障发生时,组件100赫兹(也就是说,2^nd谐波)增加。同时,RISC下50 Hz的振幅分量减少,增加了偏心率下,RISC和偏心复合断层之间。这些结论是符合方程(6)。

最后一部分通过还包含明显的50 Hz组件如图7(c)和7(d)。它是通过类似于直线部分。同时,振幅变化如图50 Hz的组件7(e)和7(f)和最后部分是趋势近似直线部分。这个结果反映了结束部分的合理性能够推导通过修改行部分打码(9)。

3.3。电磁力分析端绕组

因为线的部分是固定在定子槽,力在这部分不影响端绕组的振动。因此,我们计算了电磁力对渐开线。

42端线圈的电磁力分布如图8当t= 100毫秒。指出线圈的电磁力在8至21下复合故障小于RISC下的价值。这是因为这些线圈180°远离卖空中心和最低气隙位置。因此,MMF减少(见图2 (b)也能减少(见图),透过1),导致减少的显示和电磁力。另一方面,电磁力之间的线圈29-42复合故障下两个单的缺点。做空附近的原因是,他们只是把中心和最低气隙位置。虽然MMF减少,透过增加。

线圈的电磁力34下复合故障如图9。图9(一个)表明,力是一个三维向量组件的轴向,径向和圆周方向。的轴力两个渐开线点到最后,偏离轴和径向部队。然而,两个部分的圆周力领导面对面。如图9 (c)除了明显的直流恒定,100 Hz组件,和弱200 Hz组件(也就是说,4^th谐波),有一个弱的组件在150赫兹(也就是说,3^{理查德·道金斯}谐波),这与理论分析的结果是一致的方程(9)。

由于电磁力的直流分量不引起绕组的振动,和高阶分量的振幅很小,分析了绕组的振动带的二次谐波分量的力量。因为这两个渐开线的切向力方向相反,总结切向力对振动分析几乎没有意义。因此,只有2^nd轴向和径向电磁力谐波振幅的之前和之后的图的缺点进行了分析10。线圈34的最小空气间隙;因此,电磁力振幅没有附近的线圈。34在偏心率增加,减少在RISC,组合下的两个单故障之间的错。不同于线圈34岁线圈13是马克斯气隙,所以线圈靠近线圈的电磁力振幅13减少在任何的错,这是最小的复合故障。

静态气隙偏心的影响,力振幅线圈60°分开不再是平等的。例如,在正常运行期间,线圈的电磁力振幅1,8日,15日,22日,29岁,36大约相等。在RISC,所有线圈的电磁力振幅降低。偏心率下,线圈的电磁力振幅29和36增加,而电磁力线圈8到15振幅降低。复合故障下,电磁力振幅之间的线圈29和36是两个单错误,和电磁力线圈8 - 15幅度小于其他国家。

3.4。力学响应分析

线圈是由改变行动的压力,这可能是疲劳经过多次的循环重复。与此同时,穿摩擦力引起的位移,变形是振动位移的表示。所以我们评估磨穿变形。

的最大应力和最大变形分布下的绕组复合故障如图11。线圈35间期是最接近最低气隙;指出最近的相间线圈的最小气隙高应力疲劳和振动磨损的风险。因此,在日常维护过程中,我们应该特别注意它。

此外,仿真结果表明,最大应力和变形发生在根和鼻子部分,分别在中间部分的响应也大。中间部分,鼻子部分,根是最危险的地带。这一结论符合实际的损害,如图12。

17分的最大应力和变形对线圈34上渐开线如图13。压力大点问渐开线的根,中间的位置设定h,和鼻子的最高位置,而上半部分的变形渐开线很大的一部分。与正常情况相比,最大应力在中间,根,和鼻子变化很大;上半部分的变形变化很大,而罪魁祸首的变形变化更少。偏心率下的最大应力和变形增加,但在RISC减少。复合故障下的最大响应值两者之间单一的缺点。

此外,最大应力和变形发生时间在不同的位置是不一样的,但是他们在不同的情况下是相似的。因此,正常状态的关键时间数据总结表2。最大变形时代主要阶段,4日和最大应力乘以3阶段。

由于大变形的上半部分,三向变形振幅在线圈的位置E 34 4州相比,如图14。表明,径向位移是最大的任何操作状态。

结束以来绕组结构两层(见图3 (b)),轴向和径向振动主要原因穿同一层相邻线圈之间,如图(15日)。轴向和切向振动将导致两个相邻层之间的磨损,如图15 (b)。因为在径向变形幅度大于轴向和切向的方向,穿同样的绕组层大于在不同的层。

复合故障下,径向、轴向和周向的加速度谱点的线圈34如图16。它表明,径向振动端绕组是最大的,而轴向振动和切向振动。此外,三个方向的振动组件包含重要的频率分量在100赫兹(即2^nd谐波)。这个结果与仿真结果是一致的电磁力,并反映频率对应的电磁力和机械振动响应之间的关系。

4所示。实验研究

很难以测试的汽轮发电机组故障数据的实际相结合,或者错误的数据时可以获得的模拟原型生成器。CS-5故障模拟器尤其作者设计和制造的。这种原型发生器有相同的单位值作为实际的涡轮发电机,这意味着原型的属性变化发生器可以被视为真正的代表性。虽然从原型测试数据生成器可能有一些差异的实际涡轮发电机,故障下的质的发展趋势符合实际的发电机。

CS-5故障模拟发电机组如图(17日)),是河北省重点实验室电动机械设备健康维护和故障预防。发电机有一对的波兰人,旋转机械转子的频率是50赫兹频率以及电。在实验中,加速度传感器是通过双面胶带粘贴端绕组上,如图17 (b))。不能衡量一个绕组的振动实验机,但是测量结果可以定性验证仿真和理论。励磁电流和电压分别设置为1.0和4 V,三相负荷滑线变阻器是1000Ω,和采样频率设置为5000 Hz。

发电机转子上的单位是固定的基础上通过轴承,定子是放置在滑轨,可以沿着水平径向和轴向方向。定子的径向运动进行了通过调整偏心设置螺杆,从而实现模拟静态气隙偏心的。偏心率值是由两个拨号指标控制,如图(17日)。在实验过程中,径向偏心比设置为30%,和偏心率值是0.36毫米。所以最低气隙是0.84毫米,最大的气隙是1.56毫米。

RISC的模拟短路短路点击外部发电机的接线板,如图17 (c))。三个龙头带出在5%,10%,和15%的绕组,可以模拟三种不同的RISC度。在实验中,短路度设置为5%。

根据复合故障,三向振动加速度的频谱端绕组试验得到的最小径向气隙,如图18。图中表明,振动加速度包含明显的100赫兹频率分量(即2^nd谐波)。2的比较^nd谐波振幅前后断层图所示(19日)。这表明加速度振幅增加偏心率下,在RISC降低,复合故障下两个单一的缺点。这个结果与仿真分析结果是一致的,如图19 (b)。

5。比较不同状态的分析

通过分析电磁力和机械响应的差异在正常操作下,静态偏心,RISC和复合故障总结在表3,在那里D_n,D_p,D_年代,D_c表示最大变形;年代_n,年代_p,年代_年代,年代_c代表了最大应力;一个_n,一个_p,一个_年代,一个_c代表2^nd谐波振幅的振动加速度在四个州,分别。(1)的最大应力和最大变形:在正常运行和RISC,最大应力和变形发生在间期线圈。在偏心率和复合故障的情况下,最大应力和变形发生在接近最低气隙间期线圈。(2)线圈的最大应力和变形最小气隙:结束的最大应力和变形线圈至少气隙变大偏心率下比在正常操作,但是他们变得不那么RISC之下。和复合故障下的最大值是在两个单一的缺点。(3)振动频率分量:在正常运行和静态偏心,端绕组的振动甚至包含谐波,在RISC和复合故障的情况下,弱奇数次谐波光谱会出现。(4)振动振幅振动振幅的线圈60°端绕组由60°大约等于在正常操作和RISC。在静态偏心和复合故障的情况下,振动振幅是不同的。(5)谐波振幅的振动加速度2:线圈的最小空气间隙,二次谐波的振幅振动加速度振幅静态偏心发生时将会增加,但会减少在RISC。和复合故障下,两者之间的振幅将单一的缺点。线圈的最大的气隙,第二谐波振幅的振动加速度将减少的情况下断层及其幅度是最小的复合故障。

6。结论

本文的电磁力和机械响应汽轮发电机定子绕组结束之前和之后的典型的机电故障进行了理论分析,用有限元法模拟,验证了实验。发现,在复合故障,将弱奇谐波组件。同时,二次谐波振幅之间的三向振动的两个单故障线圈的最小空气间隙,它是最小的在线圈的四个州最大的气隙。此外,复合故障下的最大应力和变形发生在接近最低气隙间期线圈。在任何操作条件下,同一层穿大于不同层时穿。故障主要影响疲劳强度的鼻子,中间,和根部分和主要影响振动磨损为渐开线的上半部分,和影响趋势是一样的二次谐波振幅的振动。

本文是研究方法的探索,以及分析结果实际情况有一定的参考价值。在未来的研究中,绕组的固定模式可以被认为是更准确的模拟和分析。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

所有作者声明没有利益冲突有关这项研究的出版物。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51777074)和中央大学的基础研究基金(2017 ms146)。