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新聞主題 |
發電機的穩態短路特性測定試驗 |
摘要：發電機短路試驗的目的是測取同步交流發電機的三相穩態短路特性，即同步發電機在三相電樞繞組出現短路時的穩態短路電樞電流與勵磁電流的關系曲線。該特性曲線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。通過分析這些參數，可以了解被試發電機的設計水平和改進方向。
一、發電機短路試驗概念和目的
本文采用正弦波PMSM dq軸數學模型對PMSM穩態短路電流和穩態短路轉矩進行了理論分析，得到PMSM穩態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電機進行仿真分析，并進行了現場試驗檢測，驗證了PMSM穩態短路電流、穩態短路轉矩隨發電機轉速的變化規律。
1、永磁發電機三相短路
永磁同步發電機(PMSM)具有結構簡單、效率高、弱磁調速性能優良等優點，在牽引發電機行業應用廣泛。圖1為同步發電機輸出與勵磁控制原理圖，圖2為三相交流發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，永磁材料在過高溫度、沖擊電流電樞反應或劇烈的機械振動作用下，都可能發生不可逆退磁，使發電機的性能下降，甚至無法使用。永磁發電機在三相短路時，短路電流產生直軸電樞磁動勢對永磁體去磁，在三相突然短路時去磁能力最強，為了避免永磁體在發電機短路過程中發生不可逆退磁，設計中必須進行最大去磁工作點校核計算，應保證此工作點在最高工作溫度時回復線的線性段，或者說高于回復線的拐點。
2、短路試驗的概念
發電機短路試驗是指發電機在額定轉速下，定子三相繞組短路時，獲取定子穩態短路電流與勵磁電流關系曲線的試驗。做發電機短路試驗時，要先將發電機三相繞組出線端短路，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，以此來獲得發電機的某些參數和特性曲線。
3、短路試驗的目的
柴油發電機組投運初期或有涉及發電機的檢修工作后，以及柴油發電機組并網前要進行發電機短路試驗，主要有以下幾個目的：
（1）檢查發電機的保護、測量和電流回路，確保電流回路沒有開路現象。
（2）檢查定子三相電流的對稱性，確保三相電流平衡。
（3）由得出的短路特性曲線結合空載特性曲線獲得發電機的一些重要參數。
（4）為了驗證更新后的柴油發電機組保護裝置差動保護接線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電機在線檢測理論，為失磁發電機的檢測提供依據。同時，穩態短路是進行永磁發電機負載電流試驗的重要方法之一。穩態短路電流和短路轉矩的理論計算，是試驗線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短路電流，計算過于復雜，試驗具有破壞性，難以檢驗，且根據經驗由暫態過渡到穩態的時間非常短。工程上根據穩態短路特性，再通過經驗修正系數修正后評估突然短路特性E。因此穩態短路試驗后的短路電流為進行發電機突然短路時的失磁能力驗證試驗提供了必要的理論依據。通過場路耦合有限元法和研究突然短路時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電機轉速的變化規律，未對短路轉矩進行論證。
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圖1 同步發電機輸出與勵磁控制原理圖 |
圖2 三相交流發電機輸出帶載原理圖 |
二、發電機穩態短路特性試驗方法
同步發電機的三相穩態短路特性試驗可采用以下兩種方法：發電機法或電動機法（或稱為“自減速法”）。
1、發電機法
（1）試驗前，應先將三相電樞繞組在出線端臨時短接線（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所示試驗接線圖接線，并投入過流保護（作用于信號）。
（2）對自勵恒壓發電機，應改用其他直流電源進行他勵。
（3）試驗時，將被試發電機拖動到額定轉速，調節勵磁電流，使電樞電流達到其額定值的1.2倍左右，同時測取三相電樞電流1k和勵磁電流以該點作為第一點。然后，逐步減小勵磁電流到零。期間共測取5~7點上述數值。
（4）如果三相電樞電流對稱，則除了在額定電流時測取三相電流外，其他各點允許只測任意一相的電流值。
（5）在出廠檢查試驗進行該項試驗時，允許只測量額定電樞電流時的勵磁電流。
用上面試驗測得的數據繪制穩態短路特性曲線，如圖4所示，發電機短路特性曲線一般為一條直線。
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圖3 發電機短路試驗接線圖 |
圖4 發電機短路特性曲線 |
2、電動機法（自減速法）
電動機法通常稱其為自減速法。試驗時，被試發電機作電動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，被試發電機將自減速。之后，用事先準備好的短路開關將電樞繞組三相短路。緊接著，接通勵磁電源并給處于靠慣性旋轉的被試發電機加勵磁，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等過程同發電機法。
（2）若在一次試驗中不能得到足夠的數據，可重復進行試驗。
（3）在出廠檢查進行該項試驗時，允許只測量額定電樞電流時的勵磁電流。
3、短路試驗注意事項
（1）三相短路線應盡量裝在接近發電機的引出線段，以減少線路阻抗對測量精度的影響。如在發電機出口裝設短路線不方便時，可將短路線接在斷路器的外側，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，引起發電機過電壓而損壞絕緣。
（2）三相短路線的截面應按發電機的額定電流選擇，應接觸良好，防止由于接觸電阻過大，發熱，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，應事先裝設和規定聯系信號，以供同時讀取需用。
（4）在試驗中應檢查三相定子電流的對稱性，若不對稱應停止試驗，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，如果沒有，也可以利用裝在勵磁回路中原有的分流器，但此時應將配電盤上的轉子電流表解開，以免影響測量的精確度。
三、發電機短路試驗結果驗證
采用在發電機冷態下，將發電機三相引出線短接，采用WT1600功率分析儀測量發電機三相引線端電參數，采用NJ3-5000扭矩儀測量發電機的輸入扭矩。扭矩儀安裝在永磁發電機輸入端，發電機在拖動機的拖動下由靜止開始運行，轉速不斷升高，測得不同轉速下PMSM的穩態短路電流和電磁轉矩。
表1 冷態下不同轉速的穩態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
|
40
|
-350
|
|
30
|
75
|
-1610
|
|
45
|
105
|
-1405
|
|
65
|
120
|
-1220
|
|
100
|
180
|
-998
|
|
200
|
251
|
-596
|
|
323
|
266
|
-345
|
|
370
|
268
|
-292
|
|
500
|
268
|
-232
|
|
800
|
269
|
-163
|
|
1000
|
269
|
-140
|
|
1500
|
268
|
-100
|
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2015
|
268
|
-83
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發電機完成溫升試驗后，在熱態下重新進行上述短路試驗，測得不同轉速下的穩態短路電流和制動電磁轉矩。試驗數據如表2所示。
表2 熱態下不同轉速的穩態短路電流和電磁轉矩
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轉速/(r?min)
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電流/A
|
電磁轉矩/(N?m)
|
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10
|
15
|
-189
|
|
30
|
48
|
-1419
|
|
45
|
75
|
-1429
|
|
65
|
97
|
-1347
|
|
100
|
148
|
-1140
|
|
200
|
238
|
-688
|
|
323
|
253
|
-405
|
|
370
|
253
|
-345
|
|
500
|
253
|
-271
|
|
800
|
253
|
-188
|
|
1000
|
253
|
-160
|
|
1500
|
253
|
-113
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2015
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253
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-93
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將發電機冷態與熱態穩態的短路電流和電磁轉矩測量值進行對比。可知，在同一轉速下，熱態時實測穩態短路電流值比冷態時小。這是由于熱態時永磁體磁鏈隊比冷態時小，定子相電阻氏比冷態時大。隨著轉速升高，在達到最大電磁轉矩前，熱態短路電磁轉矩值小于冷態值，達到最大電磁轉矩后，隨著轉速升高，熱態短路電磁轉矩值大于冷態值。最大短路轉矩點發生時的轉速比冷態時大，是由定子相電阻氏比冷態時大而引起的。
摘要：
發電機短路特性試驗是在三相短路下運行時（穩定短路，并保持額定轉速）測量定子電流與轉子電流關系。試驗目的基本和空載試驗相同，結合空載試驗可以決定發電機的一些參數和特征?！“l電機的短路特性除可以用來求未飽和的同步電抗與短路比之外，在發電機應用中，還可以利用它來判斷勵磁繞組有無匝間短路等故障，顯然，勵磁繞組存在匝間短路時，因安匝數減少，短路特性會降低。
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