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原文传递基于有限元法的汽轮发电机轴系动态特性及阻尼特性研究

论文题名：	基于有限元法的汽轮发电机轴系动态特性及阻尼特性研究
关键词：	有限元法;接触阻尼系数;电气阻尼;汽轮发电机
摘要：	伴随着我国工业经济的迅速发展，电力系统的稳定性变得尤为重要。我国目前仍以火力发电为主，随着机组容量变大，轴系变长，刚度下降，同时用电负荷呈现多样性，大量新型电力电子技术得到应用，这些因素均易引发机电耦合现象，导致大型汽轮发电机组轴系振动大，进而产生轴系断裂、减少轴系疲劳寿命等现象。由于汽轮发电机组尺寸的不断增大，固有频率在频率范围内存在20至30阶被电力系统激发，当电网谐振频率与固有频率互补时，电磁转矩会比稳态时增大500倍，因此汽轮发电机对电网系统引起的振动是非常敏感的。针对轴系扭振的研究，仿真模型大多基于集中质量模型，以3质块或6质块模型作为计算固有频率的基础模型，由此关于抑制次同步振荡的方法也均基于该模型之上。虽然简单集中质量模型已足以概括轴系固有频率的特征，但却只能求取低阶模态，且更不适用基于改变串补度来抑制次同步振荡的方法，并且在疲劳寿命分析上也不适用，无法体现轴系内部的扭转力矩。汽轮发电机因为非常复杂的结构使得构建模型且分析其动态特性非常困难。基于上述分析，有限元方法的提出顺利的解决了这个问题，仿真软件ANSYS为有限元分析的实现提供了便利。本文以某600MW汽轮发电机组为研究对象，主要研究内容如下：　　基于有限元法，利用三维绘图软件SOLIDWORKS合理绘制简化后的轴系模型，通过ANSYS软件分析其固有特性和主振型，并与传统分析方法传递矩阵法以及IEEE第一标准型6质块分析法进行对比，得出了有限元法分析的优缺点。　　针对建立的汽轮发电机轴系模型，对汽轮发电机轴系进行有限元瞬态分析，研究轴系在额定工况下施加三相短路扭矩后的稳定性，仿真以发电机靠近汽轮机低压缸侧的轴承为例，得到了该轴承径向的位移大小和变化趋势，并基于此模型分析了转子轴承的接触阻尼系数对轴系关键轴承径向振动的影响，为研究汽轮发电机组在受到电气侧故障时的轴系动态特性提供了重要仿真依据。　　基于有限元法建立的连续质量模型所得固有频率，以IEEE第一标准模型为仿真原型，用PSCAD仿真软件研究了电气阻尼系数与串补度的关系，并根据轴系弯扭耦合振动理论发现了IEEE第一标准模型关于抑制次同步振荡方法存在的问题：只考虑改变串补度避开扭振固有频率，而没有考虑弯扭耦合振动，验证了连续质块模型（有限元法）求得的固有频率对次同步振荡研究的有效性。　　为了抑制汽轮发电机轴系振动，本文提出了一种新的双端驱动汽轮发电机模型，分别用有限元仿真软件ANSYS以及MATLAB对新的轴系模型进行分析，对比施加三相短路故障后双端驱动与单端驱动的轴系振动，表明双端驱动汽轮发电机在抑制轴系振动上有非常良好的效果。
作者：	魏铭硕
专业：	电气工程
导师：	李啸骢
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广西大学
学位年度：	2021