300kvar高温超导调相机样机多场输入部件模态分析

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　　摘  要：调相机在电网运行中提供动态无功补偿，对于电网的稳定运行有着重要的作用。目前，一台300kvar级高温超导调相机样机正在研制，由于其工作转速1500rpm，需要对各个重要部件进行振动分析，以防出现危险。多场输入部件是超导电机转子进行冷却和强弱电通流的重要结构，文章对样机的多场输入部件进行了振动特性分析，在静止、正常工作、超速工作三个工况下分别计算了多场输入部件的模态结果。根据仿真计算结果，分析在实际运转中小样机是否有进入模态发生共振的危险，以及在样机实际工作时规避与模态阶数相近的外界扰动，确保小型样机能够正常工作，为未来10Mvar级调相机的研制积累宝贵的设计经验。
　　關键词：超导调相机;模态分析;多场输入部件;多工况分析
　　中图分类号：TU995         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）04-0017-03
　　Abstract： Synchronous condenser plays an important role in supplementing reactive power in the operation of the grid. At present， a prototype of 300 kvar high-temperature superconducting synchronous condenser is under development. Considering its rotating speed of 1500 rpm， vibration analysis of various important components is required to prevent danger. The multi-field input structure is an important structure for the superconducting machine rotor to cool and the strong and weak current flow. In this paper， the vibration characteristics of the multi-field input structure of the small prototype are analyzed. Under the three conditions of static， normal operation and over speed operation， respectively. The modal results of the multi-field input structure are calculated. According to the simulation calculation results， it is analyzed whether the prototype has the danger of entering the modal resonance during the actual operation， and avoids the external disturbance similar to the modal order when the prototype is actually working， to ensure that the small prototype can work normally. For the future 10 Mvar class HTS condenser， the development of this prototype will accumulate valuable design experience.
　　Keywords： superconducting synchronous condenser; modal analysis; multi-field input structure; multi-case analysis
　　1 概述
　　同步调相机是一种在瞬态、暂态和稳态范围内均可向电网提供无功补偿的装置，有望成为我国超高压电网中动态无功补偿设备的主导力量，特别是在直流换流站将发挥不可替代的作用[1-5]。
　　高温超导材料具有高电流密度，零损耗的特点，应用到同步调相机的励磁线圈后，可极大的减小励磁绕组的损耗，延长使用寿命。超导同步调相机还可增大气隙，减小同步电抗，增强电压支撑能力。此外，超导电机还具有结构紧凑的优势，可减小占地面积，降低工程建设成本。因此高温超导同步调相机具有很强的技术优势。美国、日本已经开展了超导同步调相机的研发工作，成功开发出了Mvar级工程样机，并进行了测试和挂网运行[6-9]。
　　目前，南方电网公司正在开展一台300kvar高温超导同步调相机样机研制，由于超导同步调相机的工作转速较高，为1500rpm，高转速下电机的转速可能会出现转动频率与固有频率相近或者相同的情况，此时结构会产生共振，使整个电机不能正常运转[10]。因此，需要在结构设计时就验证好结构的振动性质，以模态为主要参考。对本次研制的超导调相机小型样机来说，多场输入部件是出现振动的危险部分，需要进行严谨细致的仿真分析，才能验证结构设计的合理性。
　　2 多场输入部件概述
　　多场输入部件是超导调相机在运行过程中负责冷气输入和强弱电输入的结构，由于当前研制的调相机样机通过冷氦气进行传导冷却，同时电机的工作转速较高（1500rpm），因此在进行结构设计中需注意旋转密封的可靠性和高速旋转下强弱出线端的稳定性。在设计方案中，多场输入部件采用了近似轴对称的结构，在中心处进行转子的强弱电线路馈穿，氦气管贯穿整体，且为多层嵌套，最内层输入冷氦气，外层输出热氦气。如图1所示，多场输入部件主要包括了支撑轴、馈穿法兰、多层氦气管、电流引线、固定盘等。其中，支撑轴起整体支撑及放置转动轴承的作用;馈穿法兰上安装航插，进行转子强弱电的馈穿;氦气管内层通入冷氦气，外层导出热氦气;电流引线与强电航插连接，进行线圈通电;固定盘将电流引线、氦气管等进行固定。此外，多场输入部件还包括玻璃钢支撑柱、波纹管、滚动轴承等结构件。 　　为了验证此设计方案的合理性，需要对多场旋转输入结构进行模态分析。ANSYS软件提供了七种模态的提取办法，本研究中采用刚性临界转速计算的方法，来计算多场输入部件的固有频率[11]。计算固有频率的目的是确认该部件在工作频率及以下时不会达到结构的固有频率，发生不必要的振动危险。
　　3 分析准备
　　3.1 模型简化
　　为了提高计算效率，同时提高有限元网格的质量，需要在对可靠性无较大影响的情况下对模型进行一定的简化，同时在进行网格划分时注意网格的疏密度和合理性。在进行多场输入部件的模型简化时，由于贯穿的多层液氮管在设计方案中是位于旋转轴的正中心，因此在实际工作时对轴向振动没有影响，在进行模态分析前可以直接去掉。同时，弱电航空插座由于结构比较复杂，尺寸较小，同时在馈穿法兰上對模态结果没有明显影响，也可简化。
　　在进行网格划分时，采用Ansys Workbench的自适应网格划分方法，最大网格尺寸不超过8mm，优先选择四面体网格，形状均匀的区域可以使用六面体网格提高计算速率。
　　3.2 边界条件
　　对多场输入部件边界条件的确定，主要是通过支撑轴上的两个滚动轴承来实现的。轴承的约束不能直接简化为刚性支撑，应考虑弹性的影响，因此需要在轴承轴线方向开放自由度[12]，在ANSYS Workbench中，可直接将滚动轴承外侧的两个圆面通过Frictionless Support这一约束方式约束住，即确定了由轴承支撑整体结构进行旋转的运动方式。同时，电流引线在结构中虽然是端部可以弯曲的，但是实际运行中电流引线端部由于通流的连接会被约束住，因此模态计算中将端面使用Fixed Support约束方式进行约束。多场输入部件中的接触面均为固结，因此在模型中对所有的接触面定义Bonded接触条件。
　　在进行模态计算时，分别计算静止状态、转速1500rpm、转速2000rpm三种工况下的模态结果，以计算在电机静止、电机正常工作、电机超速工作三种情况下的多场输入部件模态的状况。
　　4 计算结果
　　4.1 结果概述
　　通过以上的网格划分、边界条件选取、工况确定，最终仿真计算得到了三种工况下多场输入部件的模态结果。每一种工况的计算用时5分钟，未出现计算不收敛的情况。在统计结果时，发现Ansys Workbench在计算本模型时，由于一些零件是轴对称的，在相似的频率下虽然计算出了多个阶数，但实际振动形式类似，因此需要将计算模态的阶数范围调至30阶，再将相似的频率合并，最终可以得到前8阶的振动模态计算结果。
　　4.2 静止情况下计算结果
　　静止情况主要是为了计算在电机静置时，电机的固有频率情况，以规避危险的外界扰动。结果表明此工况下多场输入部件的前四阶模态分别为131Hz、219Hz、227Hz、235Hz。因此在电机静置时需要规避130Hz左右的扰动。由于电机的正常工作频率为20-40Hz，因此电机在启动时不会出现共振的情况，比较安全。1阶模态下多场输入部件的危险点在玻璃钢柱上，因此实际装配时需要对玻璃钢柱的固定进行仔细检查。
　　4.3 1500rpm转速下计算结果
　　1500rpm下的工况是模拟电机正常工作时多场输入部件的振动性质。经过计算，1500rpm下的多场输入部件模态与0rpm下的工况计算结果相似，没有较大的变化，在电机运转时需要规避模态附近频率的扰动。
　　4.4 2000rpm转速下计算结果
　　此工况是计算在转速超出了正常工作范围时，电机多场输入部件的模态情况。经过计算，模态结果和前两种工况依然类似。图2为2000rpm工况下235Hz时多场输入部件模态。
　　5 结论
　　小样机多场输入部件的模态分析主要是为了确认结构设计的振动特性，以预估该设计方案在实际工作中是否可能存在共振等问题。在计算中，划分了三种典型的工况：静止状态、正常工作状态、超速工作状态，以确定在各种不同的工作状态下多场输入部件的模态是否存在着变化，以及不同工作状态下是否会存在着运转不稳定的隐患。本文对300kvar高温超导调相机的小型样机多场输入部件进行了振动特性分析，得到了以下结论：
　　（1）通过三种工况的模态分析，发现多场输入部件的模态并不明显受到转速的影响，在工作中无论在何种转速下，都要规避130Hz、219Hz、235Hz等频率的扰动，以免出现危险。由于电机正常运转是在20-40Hz的范围，因此多场输入部件并不会进入任意的共振状态，机器的运行是平稳的。
　　（2）通过分析最终计算得到的云图，多场输入部件在一阶模态时内部的玻璃钢柱是振动幅度最大的部位，在其他的高阶模态下，虽然其他部位也会有振动，但是玻璃钢柱是主要危险区域。
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