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发电机的稳态短路特性测定试验 |
摘要：发电机短路试验的目的是测取同步交流发电机的三相稳态短路特性，即同步发电机在三相电枢绕组出现短路时的稳态短路电枢电流与励磁电流的关系曲线。该特性曲线是用于求取直流同步电抗、短路比、定子漏抗、保护电抗等很多参数的主要依据。通过分析这些参数，可以了解被试发电机的设计水平和改进方向。
一、发电机短路试验概念和目的
本文采用正弦波PMSM dq轴数学模型对PMSM稳态短路电流和稳态短路转矩进行了理论分析，得到PMSM稳态短路电流和电磁转矩的解析表达式。结合二维有限元法对某型号永磁发电机进行仿真分析，并进行了现场试验检测，验证了PMSM稳态短路电流、稳态短路转矩随发电机转速的变化规律。
1、永磁发电机三相短路
永磁同步发电机(PMSM)具有结构简单、效率高、弱磁调速性能优良等优点，在牵引发电机行业应用广泛。图1为同步发电机输出与励磁控制原理图，图2为三相交流发电机输出带载原理图。
PMSM的电气性能稳定性取决于永磁材料，永磁材料在过高温度、冲击电流电枢反应或剧烈的机械振动作用下，都可能发生不可逆退磁，使发电机的性能下降，甚至无法使用。永磁发电机在三相短路时，短路电流产生直轴电枢磁动势对永磁体去磁，在三相突然短路时去磁能力最强，为了避免永磁体在发电机短路过程中发生不可逆退磁，设计中必须进行最大去磁工作点校核计算，应保证此工作点在最高工作温度时回复线的线性段，或者说高于回复线的拐点。
2、短路试验的概念
发电机短路试验是指发电机在额定转速下，定子三相绕组短路时，获取定子稳态短路电流与励磁电流关系曲线的试验。做发电机短路试验时，要先将发电机三相绕组出线端短路，然后维持转速不变，增加励磁，读取励磁电流和相应的定子电流数值，直至定子电流达到额定电流为止，以此来获得发电机的某些参数和特性曲线。
3、短路试验的目的
柴油发电机组投运初期或有涉及发电机的检修工作后，以及柴油发电机组并网前要进行发电机短路试验，主要有以下几个目的：
（1）检查发电机的保护、测量和电流回路，确保电流回路没有开路现象。
（2）检查定子三相电流的对称性，确保三相电流平衡。
（3）由得出的短路特性曲线结合空载特性曲线获得发电机的一些重要参数。
（4）为了验证更新后的柴油发电机组保护装置差动保护接线的正确性以及保护装置的性能。
研究三相短路特性有助于完善和补充发电机在线检测理论，为失磁发电机的检测提供依据。同时，稳态短路是进行永磁发电机负载电流试验的重要方法之一。稳态短路电流和短路转矩的理论计算，是试验线路和试验设备选择的前提条件。突然短路电流通常大于稳态短路电流，计算过于复杂，试验具有破坏性，难以检验，且根据经验由暫态过渡到稳态的时间非常短。工程上根据稳态短路特性，再通过经验修正系数修正后评估突然短路特性E。因此稳态短路试验后的短路电流为进行发电机突然短路时的失磁能力验证试验提供了必要的理论依据。通过场路耦合有限元法和研究突然短路时电枢绕组磁链变化的方法给出了不同的短路电流计算方法，但并未分析短路电流随发电机转速的变化规律，未对短路转矩进行论证。
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图1 同步发电机输出与励磁控制原理图 |
图2 三相交流发电机输出带载原理图 |
二、发电机稳态短路特性试验方法
同步发电机的三相稳态短路特性试验可采用以下两种方法：发电机法或电动机法（或称为“自减速法”）。
1、发电机法
（1）试验前，应先将三相电枢绕组在出线端临时短接线（或在尽可能近的部位短路），连接应牢固可靠，电阻应尽可能小。如果短接线接于断路器外侧，则必须采取措施防止在试验中断路器跳闸而使电压升高损坏匝间绝缘。按如图3所示试验接线图接线，并投入过流保护（作用于信号）。
（2）对自励恒压发电机，应改用其他直流电源进行他励。
（3）试验时，将被试发电机拖动到额定转速，调节励磁电流，使电枢电流达到其额定值的1.2倍左右，同时测取三相电枢电流1k和励磁电流以该点作为第一点。然后，逐步减小励磁电流到零。期间共测取5~7点上述数值。
（4）如果三相电枢电流对称，则除了在额定电流时测取三相电流外，其他各点允许只测任意一相的电流值。
（5）在出厂检查试验进行该项试验时，允许只测量额定电枢电流时的励磁电流。
用上面试验测得的数据绘制稳态短路特性曲线，如图4所示，发电机短路特性曲线一般为一条直线。
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图3 发电机短路试验接线图 |
图4 发电机短路特性曲线 |
2、电动机法（自减速法）
电动机法通常称其为自减速法。试验时，被试发电机作电动机空载运行到机械损耗稳定后，先切断电枢电源，再立即减少励磁电流到零并切断励磁电源，被试发电机将自减速。之后，用事先准备好的短路开关将电枢绕组三相短路。紧接着，接通励磁电源并给处于靠惯性旋转的被试发电机加励磁，使电枢电流达到额定值的1.2倍左右。
（1）以下试验及计算和绘制特性曲线等过程同发电机法。
（2）若在一次试验中不能得到足够的数据，可重复进行试验。
（3）在出厂检查进行该项试验时，允许只测量额定电枢电流时的励磁电流。
3、短路试验注意事项
（1）三相短路线应尽量装在接近发电机的引出线段，以减少线路阻抗对测量精度的影响。如在发电机出口装设短路线不方便时，可将短路线接在断路器的外侧，但必须将断路器的跳闸回路熔断器取下或将断路器的操作机构锁定，以免在试验中断路器突然跳闸，引起发电机过电压而损坏绝缘。
（2）三相短路线的截面应按发电机的额定电流选择，应接触良好，防止由于接触电阻过大，发热，严重损坏设备。
（3）当定子和转子回路的测量表计不在同一地方时，应事先装设和规定联系信号，以供同时读取需用。
（4）在试验中应检查三相定子电流的对称性，若不对称应停止试验，查明原因。
（5）测转子电流的毫伏表，最好接到0.2级得标准分流器上，如果没有，也可以利用装在励磁回路中原有的分流器，但此时应将配电盘上的转子电流表解开，以免影响测量的精确度。
三、发电机短路试验结果验证
采用在发电机冷态下，将发电机三相引出线短接，采用WT1600功率分析仪测量发电机三相引线端电参数，采用NJ3-5000扭矩仪测量发电机的输入扭矩。扭矩仪安装在永磁发电机输入端，发电机在拖动机的拖动下由静止开始运行，转速不断升高，测得不同转速下PMSM的稳态短路电流和电磁转矩。
表1 冷态下不同转速的稳态短路电流和电磁转矩
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转速/(r・min)
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电流/A
|
电磁转矩/(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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发电机完成温升试验后，在热态下重新进行上述短路试验，测得不同转速下的稳态短路电流和制动电磁转矩。试验数据如表2所示。
表2 热态下不同转速的稳态短路电流和电磁转矩
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转速/(r・min)
|
电流/A
|
电磁转矩/(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
|
253
|
-93
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将发电机冷态与热态稳态的短路电流和电磁转矩测量值进行对比。可知，在同一转速下，热态时实测稳态短路电流值比冷态时小。这是由于热态时永磁体磁链队比冷态时小，定子相电阻氏比冷态时大。随着转速升高，在达到最大电磁转矩前，热态短路电磁转矩值小于冷态值，达到最大电磁转矩后，随着转速升高，热态短路电磁转矩值大于冷态值。最大短路转矩点发生时的转速比冷态时大，是由定子相电阻氏比冷态时大而引起的。
摘要：
发电机短路特性试验是在三相短路下运行时（稳定短路，并保持额定转速）测量定子电流与转子电流关系。试验目的基本和空载试验相同，结合空载试验可以决定发电机的一些参数和特征。 发电机的短路特性除可以用来求未饱和的同步电抗与短路比之外，在发电机应用中，还可以利用它来判断励磁绕组有无匝间短路等故障，显然，励磁绕组存在匝间短路时，因安匝数减少，短路特性会降低。
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