發電機的穩態短路特性測定試驗法
發布時間：2023-10-29 點擊：311
發電機的穩態短路特性測定試驗
本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事先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。
交流發電機原理圖
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。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o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。
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。
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。
一、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短路（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。
（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。該曲線一般為一條直線。
（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。
二、試驗驗證
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
轉速/(r?mint)
電流/a
電磁轉矩/(n?m)
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
1 000
269
-140
1 500
268
-100
2 015
268
-83
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
轉速/(r?mint)
電流/a
電磁轉矩/(n?m)
10
15
-189
30
48
-1419
45
75
-1429
65
97
-1347
100
148
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本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事先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。
交流發電機原理圖
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。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o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。
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。
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。
一、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短路（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。
（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。該曲線一般為一條直線。
（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。
二、試驗驗證
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
轉速/(r?mint)
電流/a
電磁轉矩/(n?m)
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
1 000
269
-140
1 500
268
-100
2 015
268
-83
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
轉速/(r?mint)
電流/a
電磁轉矩/(n?m)
10
15
-189
30
48
-1419
45
75
-1429
65
97
-1347
100
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