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新聞主題 |
發(fā)電機的穩態(tài)短路特性測定試驗 |
摘要：發(fā)電機短路試驗的目的是測取同步交流發(fā)電機的三相穩態(tài)短路特性，即同步發(fā)電機在三相電樞繞組出現短路時(shí)的穩態(tài)短路電樞電流與勵磁電流的關(guān)系曲線(xiàn)。該特性曲線(xiàn)是用于求取直流同步電抗、短路比、定子漏抗、保護電抗等很多參數的主要依據。通過(guò)分析這些參數，可以了解被試發(fā)電機的設計水平和改進(jìn)方向。
一、發(fā)電機短路試驗概念和目的
本文采用正弦波PMSM dq軸數學(xué)模型對PMSM穩態(tài)短路電流和穩態(tài)短路轉矩進(jìn)行了理論分析，得到PMSM穩態(tài)短路電流和電磁轉矩的解析表達式。結合二維有限元法對某型號永磁發(fā)電機進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行了現場(chǎng)試驗檢測，驗證了PMSM穩態(tài)短路電流、穩態(tài)短路轉矩隨發(fā)電機轉速的變化規律。
1、永磁發(fā)電機三相短路
永磁同步發(fā)電機(PMSM)具有結構簡(jiǎn)單、效率高、弱磁調速性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，在牽引發(fā)電機行業(yè)應用廣泛。圖1為同步發(fā)電機輸出與勵磁控制原理圖，圖2為三相交流發(fā)電機輸出帶載原理圖。
PMSM的電氣性能穩定性取決于永磁材料，永磁材料在過(guò)高溫度、沖擊電流電樞反應或劇烈的機械振動(dòng)作用下，都可能發(fā)生不可逆退磁，使發(fā)電機的性能下降，甚至無(wú)法使用。永磁發(fā)電機在三相短路時(shí)，短路電流產(chǎn)生直軸電樞磁動(dòng)勢對永磁體去磁，在三相突然短路時(shí)去磁能力最強，為了避免永磁體在發(fā)電機短路過(guò)程中發(fā)生不可逆退磁，設計中必須進(jìn)行最大去磁工作點(diǎn)校核計算，應保證此工作點(diǎn)在最高工作溫度時(shí)回復線(xiàn)的線(xiàn)性段，或者說(shuō)高于回復線(xiàn)的拐點(diǎn)。
2、短路試驗的概念
發(fā)電機短路試驗是指發(fā)電機在額定轉速下，定子三相繞組短路時(shí)，獲取定子穩態(tài)短路電流與勵磁電流關(guān)系曲線(xiàn)的試驗。做發(fā)電機短路試驗時(shí)，要先將發(fā)電機三相繞組出線(xiàn)端短路，然后維持轉速不變，增加勵磁，讀取勵磁電流和相應的定子電流數值，直至定子電流達到額定電流為止，以此來(lái)獲得發(fā)電機的某些參數和特性曲線(xiàn)。
3、短路試驗的目的
柴油發(fā)電機組投運初期或有涉及發(fā)電機的檢修工作后，以及柴油發(fā)電機組并網(wǎng)前要進(jìn)行發(fā)電機短路試驗，主要有以下幾個(gè)目的：
（1）檢查發(fā)電機的保護、測量和電流回路，確保電流回路沒(méi)有開(kāi)路現象。
（2）檢查定子三相電流的對稱(chēng)性，確保三相電流平衡。
（3）由得出的短路特性曲線(xiàn)結合空載特性曲線(xiàn)獲得發(fā)電機的一些重要參數。
（4）為了驗證更新后的柴油發(fā)電機組保護裝置差動(dòng)保護接線(xiàn)的正確性以及保護裝置的性能。
研究三相短路特性有助于完善和補充發(fā)電機在線(xiàn)檢測理論，為失磁發(fā)電機的檢測提供依據。同時(shí)，穩態(tài)短路是進(jìn)行永磁發(fā)電機負載電流試驗的重要方法之一。穩態(tài)短路電流和短路轉矩的理論計算，是試驗線(xiàn)路和試驗設備選擇的前提條件。突然短路電流通常大于穩態(tài)短路電流，計算過(guò)于復雜，試驗具有破壞性，難以檢驗，且根據經(jīng)驗由暫態(tài)過(guò)渡到穩態(tài)的時(shí)間非常短。工程上根據穩態(tài)短路特性，再通過(guò)經(jīng)驗修正系數修正后評估突然短路特性E。因此穩態(tài)短路試驗后的短路電流為進(jìn)行發(fā)電機突然短路時(shí)的失磁能力驗證試驗提供了必要的理論依據。通過(guò)場(chǎng)路耦合有限元法和研究突然短路時(shí)電樞繞組磁鏈變化的方法給出了不同的短路電流計算方法，但并未分析短路電流隨發(fā)電機轉速的變化規律，未對短路轉矩進(jìn)行論證。
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圖1 同步發(fā)電機輸出與勵磁控制原理圖 |
圖2 三相交流發(fā)電機輸出帶載原理圖 |
二、發(fā)電機穩態(tài)短路特性試驗方法
同步發(fā)電機的三相穩態(tài)短路特性試驗可采用以下兩種方法：發(fā)電機法或電動(dòng)機法（或稱(chēng)為“自減速法”）。
1、發(fā)電機法
（1）試驗前，應先將三相電樞繞組在出線(xiàn)端臨時(shí)短接線(xiàn)（或在盡可能近的部位短路），連接應牢固可靠，電阻應盡可能小。如果短接線(xiàn)接于斷路器外側，則必須采取措施防止在試驗中斷路器跳閘而使電壓升高損壞匝間絕緣。按如圖3所示試驗接線(xiàn)圖接線(xiàn)，并投入過(guò)流保護（作用于信號）。
（2）對自勵恒壓發(fā)電機，應改用其他直流電源進(jìn)行他勵。
（3）試驗時(shí)，將被試發(fā)電機拖動(dòng)到額定轉速，調節勵磁電流，使電樞電流達到其額定值的1.2倍左右，同時(shí)測取三相電樞電流1k和勵磁電流以該點(diǎn)作為第一點(diǎn)。然后，逐步減小勵磁電流到零。期間共測取5~7點(diǎn)上述數值。
（4）如果三相電樞電流對稱(chēng)，則除了在額定電流時(shí)測取三相電流外，其他各點(diǎn)允許只測任意一相的電流值。
（5）在出廠(chǎng)檢查試驗進(jìn)行該項試驗時(shí)，允許只測量額定電樞電流時(shí)的勵磁電流。
用上面試驗測得的數據繪制穩態(tài)短路特性曲線(xiàn)，如圖4所示，發(fā)電機短路特性曲線(xiàn)一般為一條直線(xiàn)。
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圖3 發(fā)電機短路試驗接線(xiàn)圖 |
圖4 發(fā)電機短路特性曲線(xiàn) |
2、電動(dòng)機法（自減速法）
電動(dòng)機法通常稱(chēng)其為自減速法。試驗時(shí)，被試發(fā)電機作電動(dòng)機空載運行到機械損耗穩定后，先切斷電樞電源，再立即減少勵磁電流到零并切斷勵磁電源，被試發(fā)電機將自減速。之后，用事先準備好的短路開(kāi)關(guān)將電樞繞組三相短路。緊接著(zhù)，接通勵磁電源并給處于靠慣性旋轉的被試發(fā)電機加勵磁，使電樞電流達到額定值的1.2倍左右。
（1）以下試驗及計算和繪制特性曲線(xiàn)等過(guò)程同發(fā)電機法。
（2）若在一次試驗中不能得到足夠的數據，可重復進(jìn)行試驗。
（3）在出廠(chǎng)檢查進(jìn)行該項試驗時(shí)，允許只測量額定電樞電流時(shí)的勵磁電流。
3、短路試驗注意事項
（1）三相短路線(xiàn)應盡量裝在接近發(fā)電機的引出線(xiàn)段，以減少線(xiàn)路阻抗對測量精度的影響。如在發(fā)電機出口裝設短路線(xiàn)不方便時(shí)，可將短路線(xiàn)接在斷路器的外側，但必須將斷路器的跳閘回路熔斷器取下或將斷路器的操作機構鎖定，以免在試驗中斷路器突然跳閘，引起發(fā)電機過(guò)電壓而損壞絕緣。
（2）三相短路線(xiàn)的截面應按發(fā)電機的額定電流選擇，應接觸良好，防止由于接觸電阻過(guò)大，發(fā)熱，嚴重損壞設備。
（3）當定子和轉子回路的測量表計不在同一地方時(shí)，應事先裝設和規定聯(lián)系信號，以供同時(shí)讀取需用。
（4）在試驗中應檢查三相定子電流的對稱(chēng)性，若不對稱(chēng)應停止試驗，查明原因。
（5）測轉子電流的毫伏表，最好接到0.2級得標準分流器上，如果沒(méi)有，也可以利用裝在勵磁回路中原有的分流器，但此時(shí)應將配電盤(pán)上的轉子電流表解開(kāi)，以免影響測量的精確度。
三、發(fā)電機短路試驗結果驗證
采用在發(fā)電機冷態(tài)下，將發(fā)電機三相引出線(xiàn)短接，采用WT1600功率分析儀測量發(fā)電機三相引線(xiàn)端電參數，采用NJ3-5000扭矩儀測量發(fā)電機的輸入扭矩。扭矩儀安裝在永磁發(fā)電機輸入端，發(fā)電機在拖動(dòng)機的拖動(dòng)下由靜止開(kāi)始運行，轉速不斷升高，測得不同轉速下PMSM的穩態(tài)短路電流和電磁轉矩。
表1 冷態(tài)下不同轉速的穩態(tài)短路電流和電磁轉矩
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轉速/(r?min)
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電流/A
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電磁轉矩/(N?m)
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10
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40
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-350
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|
30
|
75
|
-1610
|
|
45
|
105
|
-1405
|
|
65
|
120
|
-1220
|
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100
|
180
|
-998
|
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200
|
251
|
-596
|
|
323
|
266
|
-345
|
|
370
|
268
|
-292
|
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500
|
268
|
-232
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800
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269
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-163
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1000
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269
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-140
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1500
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268
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-100
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2015
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268
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-83
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發(fā)電機完成溫升試驗后，在熱態(tài)下重新進(jìn)行上述短路試驗，測得不同轉速下的穩態(tài)短路電流和制動(dòng)電磁轉矩。試驗數據如表2所示。
表2 熱態(tài)下不同轉速的穩態(tài)短路電流和電磁轉矩
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轉速/(r?min)
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電流/A
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電磁轉矩/(N?m)
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10
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15
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-189
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30
|
48
|
-1419
|
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45
|
75
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-1429
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65
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97
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-1347
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100
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148
|
-1140
|
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200
|
238
|
-688
|
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323
|
253
|
-405
|
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370
|
253
|
-345
|
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500
|
253
|
-271
|
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800
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253
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-188
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1000
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253
|
-160
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1500
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253
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-113
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2015
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253
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-93
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將發(fā)電機冷態(tài)與熱態(tài)穩態(tài)的短路電流和電磁轉矩測量值進(jìn)行對比?？芍?，在同一轉速下，熱態(tài)時(shí)實(shí)測穩態(tài)短路電流值比冷態(tài)時(shí)小。這是由于熱態(tài)時(shí)永磁體磁鏈隊比冷態(tài)時(shí)小，定子相電阻氏比冷態(tài)時(shí)大。隨著(zhù)轉速升高，在達到最大電磁轉矩前，熱態(tài)短路電磁轉矩值小于冷態(tài)值，達到最大電磁轉矩后，隨著(zhù)轉速升高，熱態(tài)短路電磁轉矩值大于冷態(tài)值。最大短路轉矩點(diǎn)發(fā)生時(shí)的轉速比冷態(tài)時(shí)大，是由定子相電阻氏比冷態(tài)時(shí)大而引起的。
摘要：
發(fā)電機短路特性試驗是在三相短路下運行時(shí)（穩定短路，并保持額定轉速）測量定子電流與轉子電流關(guān)系。試驗目的基本和空載試驗相同，結合空載試驗可以決定發(fā)電機的一些參數和特征?！“l(fā)電機的短路特性除可以用來(lái)求未飽和的同步電抗與短路比之外，在發(fā)電機應用中，還可以利用它來(lái)判斷勵磁繞組有無(wú)匝間短路等故障，顯然，勵磁繞組存在匝間短路時(shí)，因安匝數減少，短路特性會(huì )降低。
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