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發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)短路特性測定試驗(yàn) |
摘要：發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)的目的是測取同步交流發(fā)電機(jī)的三相穩(wěn)態(tài)短路特性，即同步發(fā)電機(jī)在三相電樞繞組出現(xiàn)短路時(shí)的穩(wěn)態(tài)短路電樞電流與勵(lì)磁電流的關(guān)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(hù)電抗等很多參數(shù)的主要依據(jù)。通過分析這些參數(shù)，可以了解被試發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)水平和改進(jìn)方向。
一、發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)概念和目的
本文采用正弦波PMSM dq軸數(shù)學(xué)模型對PMSM穩(wěn)態(tài)短路電流和穩(wěn)態(tài)短路轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了理論分析，得到PMSM穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式。結(jié)合二維有限元法對某型號(hào)永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)檢測，驗(yàn)證了PMSM穩(wěn)態(tài)短路電流、穩(wěn)態(tài)短路轉(zhuǎn)矩隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。
1、永磁發(fā)電機(jī)三相短路
永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、弱磁調(diào)速性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，在牽引發(fā)電機(jī)行業(yè)應(yīng)用廣泛。圖1為同步發(fā)電機(jī)輸出與勵(lì)磁控制原理圖，圖2為三相交流發(fā)電機(jī)輸出帶載原理圖。
PMSM的電氣性能穩(wěn)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(yīng)或劇烈的機(jī)械振動(dòng)作用下，都可能發(fā)生不可逆退磁，使發(fā)電機(jī)的性能下降，甚至無法使用。永磁發(fā)電機(jī)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(qiáng)，為了避免永磁體在發(fā)電機(jī)短路過程中發(fā)生不可逆退磁，設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行最大去磁工作點(diǎn)校核計(jì)算，應(yīng)保證此工作點(diǎn)在最高工作溫度時(shí)回復(fù)線的線性段，或者說高于回復(fù)線的拐點(diǎn)。
2、短路試驗(yàn)的概念
發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)是指發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下，定子三相繞組短路時(shí)，獲取定子穩(wěn)態(tài)短路電流與勵(lì)磁電流關(guān)系曲線的試驗(yàn)。做發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)時(shí)，要先將發(fā)電機(jī)三相繞組出線端短路，然后維持轉(zhuǎn)速不變，增加勵(lì)磁，讀取勵(lì)磁電流和相應(yīng)的定子電流數(shù)值，直至定子電流達(dá)到額定電流為止，以此來獲得發(fā)電機(jī)的某些參數(shù)和特性曲線。
3、短路試驗(yàn)的目的
柴油發(fā)電機(jī)組投運(yùn)初期或有涉及發(fā)電機(jī)的檢修工作后，以及柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)前要進(jìn)行發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)，主要有以下幾個(gè)目的：
（1）檢查發(fā)電機(jī)的保護(hù)、測量和電流回路，確保電流回路沒有開路現(xiàn)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(jié)合空載特性曲線獲得發(fā)電機(jī)的一些重要參數(shù)。
（4）為了驗(yàn)證更新后的柴油發(fā)電機(jī)組保護(hù)裝置差動(dòng)保護(hù)接線的正確性以及保護(hù)裝置的性能。
研究三相短路特性有助于完善和補(bǔ)充發(fā)電機(jī)在線檢測理論，為失磁發(fā)電機(jī)的檢測提供依據(jù)。同時(shí)，穩(wěn)態(tài)短路是進(jìn)行永磁發(fā)電機(jī)負(fù)載電流試驗(yàn)的重要方法之一。穩(wěn)態(tài)短路電流和短路轉(zhuǎn)矩的理論計(jì)算，是試驗(yàn)線路和試驗(yàn)設(shè)備選擇的前提條件。突然短路電流通常大于穩(wěn)態(tài)短路電流，計(jì)算過于復(fù)雜，試驗(yàn)具有破壞性，難以檢驗(yàn)，且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)由暫態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間非常短。工程上根據(jù)穩(wěn)態(tài)短路特性，再通過經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)修正后評估突然短路特性E。因此穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)后的短路電流為進(jìn)行發(fā)電機(jī)突然短路時(shí)的失磁能力驗(yàn)證試驗(yàn)提供了必要的理論依據(jù)。通過場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(jì)算方法，但并未分析短路電流隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，未對短路轉(zhuǎn)矩進(jìn)行論證。
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圖1 同步發(fā)電機(jī)輸出與勵(lì)磁控制原理圖 |
圖2 三相交流發(fā)電機(jī)輸出帶載原理圖 |
二、發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)短路特性試驗(yàn)方法
同步發(fā)電機(jī)的三相穩(wěn)態(tài)短路特性試驗(yàn)可采用以下兩種方法：發(fā)電機(jī)法或電動(dòng)機(jī)法（或稱為“自減速法”）。
1、發(fā)電機(jī)法
（1）試驗(yàn)前，應(yīng)先將三相電樞繞組在出線端臨時(shí)短接線（或在盡可能近的部位短路），連接應(yīng)牢固可靠，電阻應(yīng)盡可能小。如果短接線接于斷路器外側(cè)，則必須采取措施防止在試驗(yàn)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(yàn)接線圖接線，并投入過流保護(hù)（作用于信號(hào)）。
（2）對自勵(lì)恒壓發(fā)電機(jī)，應(yīng)改用其他直流電源進(jìn)行他勵(lì)。
（3）試驗(yàn)時(shí)，將被試發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使電樞電流達(dá)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(lì)磁電流以該點(diǎn)作為第一點(diǎn)。然后，逐步減小勵(lì)磁電流到零。期間共測取5~7點(diǎn)上述數(shù)值。
（4）如果三相電樞電流對稱，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）在出廠檢查試驗(yàn)進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，允許只測量額定電樞電流時(shí)的勵(lì)磁電流。
用上面試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)繪制穩(wěn)態(tài)短路特性曲線，如圖4所示，發(fā)電機(jī)短路特性曲線一般為一條直線。
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圖3 發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)接線圖 |
圖4 發(fā)電機(jī)短路特性曲線 |
2、電動(dòng)機(jī)法（自減速法）
電動(dòng)機(jī)法通常稱其為自減速法。試驗(yàn)時(shí)，被試發(fā)電機(jī)作電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行到機(jī)械損耗穩(wěn)定后，先切斷電樞電源，再立即減少勵(lì)磁電流到零并切斷勵(lì)磁電源，被試發(fā)電機(jī)將自減速。之后，用事先準(zhǔn)備好的短路開關(guān)將電樞繞組三相短路。緊接著，接通勵(lì)磁電源并給處于靠慣性旋轉(zhuǎn)的被試發(fā)電機(jī)加勵(lì)磁，使電樞電流達(dá)到額定值的1.2倍左右。
（1）以下試驗(yàn)及計(jì)算和繪制特性曲線等過程同發(fā)電機(jī)法。
（2）若在一次試驗(yàn)中不能得到足夠的數(shù)據(jù)，可重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)。
（3）在出廠檢查進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，允許只測量額定電樞電流時(shí)的勵(lì)磁電流。
3、短路試驗(yàn)注意事項(xiàng)
（1）三相短路線應(yīng)盡量裝在接近發(fā)電機(jī)的引出線段，以減少線路阻抗對測量精度的影響。如在發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)短路線不方便時(shí)，可將短路線接在斷路器的外側(cè)，但必須將斷路器的跳閘回路熔斷器取下或?qū)嗦菲鞯牟僮鳈C(jī)構(gòu)鎖定，以免在試驗(yàn)中斷路器突然跳閘，引起發(fā)電機(jī)過電壓而損壞絕緣。
（2）三相短路線的截面應(yīng)按發(fā)電機(jī)的額定電流選擇，應(yīng)接觸良好，防止由于接觸電阻過大，發(fā)熱，嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備。
（3）當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子回路的測量表計(jì)不在同一地方時(shí)，應(yīng)事先裝設(shè)和規(guī)定聯(lián)系信號(hào)，以供同時(shí)讀取需用。
（4）在試驗(yàn)中應(yīng)檢查三相定子電流的對稱性，若不對稱應(yīng)停止試驗(yàn)，查明原因。
（5）測轉(zhuǎn)子電流的毫伏表，最好接到0.2級得標(biāo)準(zhǔn)分流器上，如果沒有，也可以利用裝在勵(lì)磁回路中原有的分流器，但此時(shí)應(yīng)將配電盤上的轉(zhuǎn)子電流表解開，以免影響測量的精確度。
三、發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證
采用在發(fā)電機(jī)冷態(tài)下，將發(fā)電機(jī)三相引出線短接，采用WT1600功率分析儀測量發(fā)電機(jī)三相引線端電參數(shù)，采用NJ3-5000扭矩儀測量發(fā)電機(jī)的輸入扭矩。扭矩儀安裝在永磁發(fā)電機(jī)輸入端，發(fā)電機(jī)在拖動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下由靜止開始運(yùn)行，轉(zhuǎn)速不斷升高，測得不同轉(zhuǎn)速下PMSM的穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩。
表1 冷態(tài)下不同轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩
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轉(zhuǎn)速/(r?min)
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電流/A
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電磁轉(zhuǎn)矩/(N?m)
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10
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40
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-350
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30
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75
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-1610
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45
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105
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-1405
|
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65
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120
|
-1220
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100
|
180
|
-998
|
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200
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251
|
-596
|
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323
|
266
|
-345
|
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370
|
268
|
-292
|
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500
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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(jī)完成溫升試驗(yàn)后，在熱態(tài)下重新進(jìn)行上述短路試驗(yàn)，測得不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)短路電流和制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 熱態(tài)下不同轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩
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轉(zhuǎn)速/(r?min)
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電流/A
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電磁轉(zhuǎn)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
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75
|
-1429
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65
|
97
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-1347
|
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100
|
148
|
-1140
|
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200
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238
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-688
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323
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253
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-405
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370
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253
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-345
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500
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253
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-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
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-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(jī)冷態(tài)與熱態(tài)穩(wěn)態(tài)的短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩測量值進(jìn)行對比?？芍谕晦D(zhuǎn)速下，熱態(tài)時(shí)實(shí)測穩(wěn)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(duì)比冷態(tài)時(shí)小，定子相電阻氏比冷態(tài)時(shí)大。隨著轉(zhuǎn)速升高，在達(dá)到最大電磁轉(zhuǎn)矩前，熱態(tài)短路電磁轉(zhuǎn)矩值小于冷態(tài)值，達(dá)到最大電磁轉(zhuǎn)矩后，隨著轉(zhuǎn)速升高，熱態(tài)短路電磁轉(zhuǎn)矩值大于冷態(tài)值。最大短路轉(zhuǎn)矩點(diǎn)發(fā)生時(shí)的轉(zhuǎn)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(jī)短路特性試驗(yàn)是在三相短路下運(yùn)行時(shí)（穩(wěn)定短路，并保持額定轉(zhuǎn)速）測量定子電流與轉(zhuǎn)子電流關(guān)系。試驗(yàn)?zāi)康幕竞涂蛰d試驗(yàn)相同，結(jié)合空載試驗(yàn)可以決定發(fā)電機(jī)的一些參數(shù)和特征。 發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)應(yīng)用中，還可以利用它來判斷勵(lì)磁繞組有無匝間短路等故障，顯然，勵(lì)磁繞組存在匝間短路時(shí)，因安匝數(shù)減少，短路特性會(huì)降低。
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