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设备装配与整机调试

交流发电机励磁损耗、铁损、铜损的试验规定

 

摘要：发电机损耗试验旨在精确测量运行中的各类损耗（如铜损、铁损、机械损耗等），全面评估发电机损耗分布、效率水平和运行状态，同时也可检测其异常数据表征，从而为设计优化、故障诊断、性能验证和经济运行提供科学依据。本文中的损耗实验的方法、步骤和注意事项内容，主要参考于IEC 60034-2-1《旋转电机损耗与效率测试方法》和EEE 112《多相感应电机试验标准》中的部分要求与规定，如直接测量法、间接法（损耗分析法）、热量法等。

 

一、试验目的

 

      发电机损耗试验的核心目标是全面评估发电机的性能，具体包括以下几个方面：

1、测量各类损耗

      测量铜损、铁损、机械损耗、杂散损耗等各类损耗，通过试验，可以量化这些损耗，为效率计算提供基础数据。

2、评估发电机效率

      通过测量输入机械功率和输出电功率，结合各类损耗，计算发电机的整体效率。

（1）计算公式

      发电机的整体效率（η）是指其输出电功率与输入机械功率的比值，通常以百分比表示。公式如下：

η=（P_out/P_in）×100%

      其中，Pout——发电机的输出电功率（单位：瓦特，W）；P_in——发电机的输入机械功率（单位：瓦特，W）。

（2）公式推导

① 输入功率（P_in）：驱动发电机所需的机械功率。

② 输出功率（P_out）：发电机输出的电功率。

③ 损耗功率（P_loss）：包括铜损、铁损、机械损耗和杂散损耗。

      根据能量守恒：

P_in=P_out+P_loss

      效率是发电机性能的核心指标，直接影响运行经济性。瞬时功率平衡可以通过观察机械功率输出、铜损耗、它们的总和以及输入得电功率如何随时间变化来确定。为了进一步研究能量守恒，对于不同的转子速度和定子电流组合，可以得到输入电功率和输出功率及铜损之和的时间平均值（如图1所示）。计算输入功率和输出功率加损耗之间的相对误差（如图2所示）。在整个变化范围内，最大的相对误差评估为小于1%。

3、检测异常与故障

通过损耗分布分析，识别潜在问题，如：

（1）绕组过热（铜损异常）。

（2）铁芯局部过热或绝缘损坏（铁损异常）。

（3）轴承磨损或通风不良（机械损耗异常）。

（4）早期发现故障，避免设备损坏或停机。

4、优化设计与运行

（1）提供损耗数据，帮助优化发电机设计，降低损耗，提高效率。

（2）为运行维护提供依据，如调整负载、优化冷却系统等。

5、验证性能与标准符合性

      通过试验验证发电机是否符合设计要求和国际标准（如IEC 60034-2-1、IEEE 112）。为出厂验收、定期检测提供技术依据。

6、提供基准数据

      建立发电机的性能基准，便于后续运行中的性能对比和状态评估。

 

图1  发电机瞬时功率平衡曲线图

图2  发电机平均功率平衡对比曲线图

 

二、主要损耗类型

 

      发电机在运行中容易损耗的部件可分为五大类，即机械损耗、励磁损耗、定子铜损、铁损、电气附加损耗。发电机运行中，所有的损耗几乎都以发热的形式表现出来。

1、机械损耗

      由于摩擦和风阻，在发电机的运动部件中会发生机械损耗。这些损失也称为旋转损失。机械损失取决于机器的速度。在发电机中，会出现两种类型的机械损耗。

（1）摩擦损失：如轴承摩擦、电刷摩擦等。

（2）风阻损失：这种损失是旋转电枢的空气摩擦。

2、励磁损耗

      励磁损耗即转子回路所产生的损耗，主要是励磁电流在励磁回路中产生的铜损。

（1）励磁绕组（I²R）损耗：励磁绕组损耗等于I²R。其中R为绕组换算到基准温度的电阻；I为励磁电流。励磁电流均指额定转速、额定负载时的电流。

（2）主变阻器损耗：主变阻器损耗损耗等于I²R。R为所考虑的定额情况下主变阻器在回路内的电阻，为励磁电流，损耗也等于IU即励磁电流I乘以主变阻器端子间的电压降U。损耗之和为IU_e，I为励磁电流U_e为总励磁电压。

注：如励磁回路中有永久性串接电阻则应视同主变阻器一样处理。

（3）励磁机损耗：仅适用于由电机主轴拖动并专为电机励磁之用的励磁机。励磁机从电机轴上吸收的功率减去其线端输出的有效功率，即为励础机损耗。如励碰机由独立电源励磁，则损耗中还要包括此励磁机的励磁损耗。

3、铜损

      发电机铜损由基本铜损耗和附加铜损耗两部分组成，其曲线如图3所示。基本铜损耗是指流过定子绕组和转子绕组的电流在导线电阻上产生的损耗；附加铜损耗是交流电在定子绕组上因趋肤效应和邻近效应作用引起的额外损耗和定子绕组各股线之间的循环电流引起的杂散铜损耗。

      作为发电机能量转换、输出电能的关键部件，定子绕组是发电机定子侧发热损耗最严重的地方。单机容量增加使得汽轮发电机定子绕组电流很大，槽内漏磁通严重，引起定子绕组附加损耗增大，造成绕组温度过高，制约单机容量的增加。为增强冷却效果，大型汽轮发电机每个定子槽内通常为两个导体，由空心和实心绕组混合排列组成。对于这种特殊的绕组结构，传统解析计算具有一定的局限性，无法计及股线不规则排列方式、股线高度等因素对附加损耗的影响。因此，采用基于有限元分析的方法对定子绕组铜耗进行数值计算是十分必要的。

4、铁损

      发电机铁损即发电机磁通在铁芯内产生的损耗，主要是主磁通在定子铁芯内产生的磁滞损耗和涡流损耗，还包括附加损耗，其曲线如图4所示。

      发电机定子铁芯是由硅钢片叠合组装而成，叠装完成后必须进行铁损试验，通过实测定子铁芯单位质量的损耗，测量铁轭和齿的温度，检查各部温升是否超过规定值，从面综合判断铁芯片间的绝缘是否良好。铁损试验是发电机大型试验项目之一，试验前必须作大量的计算工作和准备工作。

5、电气附加损耗

      电气附加损耗主要有端部漏磁通在其附近铁质构件中产生的损耗、各种谐波磁通产生的损耗、齿谐波和高次谐波在转子表层产生的铁损等。

（1）凡不按铁芯所规定的磁路流动的一切其他磁通，称为漏磁通。漏磁通不宜在铁磁材质中通过。漏磁通也是矢量，它会引起高损耗、高电压尖峰等诸多问题。

（2）感应发电机磁性材料的饱和是一种非线性现象。正弦分布的励磁磁势，对应于非正弦磁密分布，因此产生了谐波磁通。

（3）发电机效率的谐波损耗显然取决于施加电压的谐波含量。谐波分量大，电机损耗增加，效率下降。铁损的增加很难计算，因为它受电机结构和所用磁性材料的影响。

 

图3  随定子电流变化的发电机铜损耗曲线图

图4  随转子速度变化的发电机铁损耗曲线图

 

三、试验方法及步骤

 

      在实际操作中，可能会遇到各种挑战，例如如何准确测量机械输入功率，如何处理动态负载变化，如何确保测量的同步性等。因此，使用高精度的数字功率分析仪和同步数据采集系统可能非常关键，其装置原理如图5所示。

1、空载试验

（1）目的：分离铁损（P_Fe）和机械损耗（P_mech）。

（2）步骤：让发电机在额定转速下空载运行，测量输入功率。此时输入的功率主要用于克服机械损耗（轴承摩擦、风阻）和铁芯损耗。因此，空载损耗等于机械损耗加上铁损。

① 驱动发电机至额定转速，断开负载。

② 调节励磁使定子电压达额定值（U_N）。

③ 测量输入功率（P₀），此时P₀=P_Fe+P_mech。

④ 通过不同电压下的空载试验，外推至零电压得机械损耗。

（3）数据拟合：P₀=P_mech+kU²，k为铁损系数。

2、短路试验

（1）目的：测量铜损（定子与转子）。如果无法直接测量转子电流，需要根据励磁电流和发电机的参数来估算转子电流。这可能涉及到发电机的等效电路参数，比如同步电抗等，这需要其他试验来获取这些参数。

（2）步骤：短路试验通常是将发电机的输出端短路，然后调节励磁电流，使定子电流达到额定值，此时测量输入功率。由于端电压为零，铁损可以忽略，所以此时的损耗主要是定子和转子的铜损。但需要注意，此时的转子电流可能不同于额定负载时的转子电流，所以可能需要修正。

① 短接发电机输出端，保持额定转速。

② 调节励磁使定子电流达额定值（I_N）。

③ 测量输入功率（P_sc），此时损耗主要为铜损。

（3）计算铜损：

① 定子铜损P_Cu-stator=3I²R_stator​

② 转子铜损P_Cu-rotor=I_f²R_rotor​

      其温度修正至标准温度（如75℃）。此外，在短路试验中，需要同时测量定子电流和转子电流，以及它们的电阻，从而计算定子和转子的铜损之和。

3、负载试验

（1）目的：确定总损耗及杂散负载损耗（P_stray）。

（2）步骤：负载试验需要发电机在带负载的情况下运行，测量总损耗，此时总损耗包括空载损耗（铁损+机械损耗）、铜损（定子和转子）、杂散负载损耗。杂散负载损耗通常与负载电流的平方成正比，但难以直接测量，所以需要通过总损耗减去其他已知损耗来计算。

      带额定负载运行，测量输入机械功率（P_in）和输出电功率（P_out）。

总损耗：P_total=P_in−P_out。

（3）杂散损耗计算：

P_stray=P_total−（P_Fe+P_mech+P_Cu-stator+P_Cu-rotor）

       根据IEC 60034-2-1，可能杂散负载损耗的确定需要特别处理，可能通过反转试验或通过其他方法测量。例如，杂散损耗可能通过负载试验和空载、短路试验的数据计算得到。

4、关键注意事项

（1）温度修正：温度修正可能是一个重要步骤，因为铜损与电阻成正比，而电阻随温度变化。因此，在试验中需要测量绕组的温度（如图5所示），并将铜损修正到标准温度下的数值。铜损需修正至标准温度，公式：R_corr=R_meas｛（Tstd+235）/（Tmeas+235）｝。

（2）测量精度：使用高精度仪器（如功率分析仪、CT/PT）并校准。

（3）安全措施：防止短路电流冲击、确保接地、监控温升。

（4）标准遵循：参考IEC 60034-2-1或IEEE 112，规范试验流程。

5、试验误差来源

（1）杂散损耗的余量计算误差。

（2）温度测量的延迟或不准。

（3）驱动设备效率引入的间接测量误差。

 

图5  发电机损耗测试装置

图6  发电机热性能（A级温升）分析表面图

 

 

总结：

总的来说，发电机损耗试验是一个系统的过程，需要按照标准方法逐步进行，确保每一步的准确性，才能得到可靠的损耗数据和效率计算。同时，需要注意安全措施和设备的校准，以确保试验的可靠性和人员的安全。此外，可能还需要考虑试验的环境条件，如温度、湿度、海拔等，这些因素可能会对试验结果产生影响，因此需要记录并在必要时进行修正。

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