風力發(fā)電機電機空載試驗方法及技術要求的分析與研究

高瑞，孫文，劉世勛，馬進，翟文濤

(1.遼寧出入境檢驗檢疫局機電產品檢測中心，遼寧 沈陽 110141;2.中認(沈陽)北方實驗室有限公司，遼寧 沈陽 110141)

1 引言

發(fā)電機是風力發(fā)電機組的核心部件，其性能的優(yōu)劣對整個機組的性能和安全性影響極大?？蛰d試驗是檢驗發(fā)電機電磁性能的一個最基本的試驗項目?？蛰d試驗的目的主要有兩個，一是測取發(fā)電機的空載特性;二是測取發(fā)電機的空載損耗。利用發(fā)電機的空載試驗和空載特性，還可以用于測定發(fā)電機的重要參數(shù)，如感應發(fā)電機的勵磁電抗和勵磁電流，同步發(fā)電機的同步電抗和短路比等。

2 感應發(fā)電機的空載試驗

2.1 空載特性測試

感應發(fā)電機的空載特性是指在保持同步轉速n0不變的條件下，發(fā)電機的空載電流I0隨空載電壓U0變化的特性，即在n=n0條件下，I0=f(U0)的關系曲線，如圖1所示。空載特性的橫坐標通常采用空載電壓的標幺值U0/UN，電壓的標么值一般取額定電壓UN作為基值。

從圖1可以看出，當空載電壓U0較低時，由于發(fā)電機磁路處于不飽和狀態(tài)，空載電流I0較小，這時，空載電流隨空載電壓大體上按直線規(guī)律增加;隨著空載電壓U0的增大，發(fā)電機磁路逐漸飽和，空載特性曲線也逐漸向上彎曲，而空載電流I0增加的速度逐漸加快。

感應發(fā)電機空載試驗的接線原理圖如圖2所示。圖中，M為驅動電動機，可以是直流電動機，也可以是交流電動機，通常為與發(fā)電機相同型號的電機;TS為電動機M的調速裝置;G為被試感應發(fā)電機;TY為三相調壓器。

圖1 感應發(fā)電機空載特性

圖2 感應發(fā)電機空載試驗原理

對上述試驗設備有如下技術要求:

(1)拖動電動機M應能在感應發(fā)電機G以同步轉速為起點的1.5倍轉差范圍內達到1%的穩(wěn)態(tài)調速精度要求。

(2)拖動電動機M的輸出功率(機械功率)應可測，測功裝置的準確度應達到0.5級。

(3)被試感應發(fā)電機G的勵磁由三相調壓器TY提供，調節(jié)TY可以方便地調節(jié)G的端電壓，以便測取空載特性曲線。

(4)G的同步轉速n0與電網(wǎng)頻率f及電機極對數(shù)p的關系為:

也就是說，當電網(wǎng)頻率f波動時，同步轉速n0隨之波動。因此，拖動電動機的轉速也應隨之加以調節(jié)，使發(fā)電機在試驗過程中始終保持同步轉速，圖2中的TS即為拖動電動機的調速裝置。

感應發(fā)電機空載特性的試驗方法如下所述:

(1)將開K1分斷，起動電動機M，將其轉速調節(jié)至發(fā)電機G的同步轉速n0，并保持不變。

(2)使被試發(fā)電機空轉一段時間，空轉的目的是使發(fā)電機的風摩損耗穩(wěn)定下來。這時，電動機M輸出的機械功率P01全部用于補償發(fā)電機G的風摩損耗Pfw，即

發(fā)電機G的風摩損耗穩(wěn)定的判據(jù)是，相隔30min的兩個P01的讀數(shù)之差不大于前一個讀數(shù)的3%。記錄穩(wěn)定后的機械功率P01(即pfw)。

(3)調節(jié)電動機M的轉速，使發(fā)電機G始終保持同步轉速n0。按順序閉合K2和K1，利用三相調壓器TY為發(fā)電機G提供勵磁。應該指出的是，閉合開關K1之前，應觀察發(fā)電機側電壓表的讀數(shù)，并將調壓器側的電壓調至與發(fā)電機側電壓接近后，再閉合開關K1，以免因兩側電壓相差較大而產生較大的電流沖擊。

(4)調節(jié)調壓器TY，使發(fā)電機空載電壓U0升至1.1～1.3倍額定電壓，然后逐步降低到可能達到的最低值，其間測取7～9組(I0，U0)。最后繪出空載特性曲線

2.2 空載損耗測定

根據(jù)GB/T 19071.2的規(guī)定，感應發(fā)電機的鐵損耗應分別用發(fā)電機法和電動機法測取，用這兩種方法測得的鐵損耗的平均值來作為發(fā)電機的最終鐵損耗。

(1)用發(fā)電機法測取空載鐵損耗pFe1:空載特性測定時，在空載電壓U0=UN點，在讀取空載電流I0N的同時，還應測取電動機M的輸出功率P02。試驗結束時，應立即在發(fā)電機的出線端測量定子繞組電阻R0。則發(fā)電機的空載銅損耗PCu01為

發(fā)電機的空載鐵損耗PFel為:

(2)用電動機法測取空載鐵損耗PFe2:將圖2中的驅動電動機M脫開，使感應發(fā)電機G經(jīng)三相調壓器TY接電網(wǎng)作電動機空載運行。調節(jié)調壓器TY，使空載電壓U0升至1.1～1.3倍額定電壓，然后逐步降低到可能達到的最低值，其間測取7～9組(P0，I0，U0)，其中巧為電機的輸入功率。最后，繪出空載電流特性曲線和空載損耗特性曲線，如圖3所示。與發(fā)電機法一樣，空載電壓U0的調節(jié)也必須是單調下降的。

試驗結束時，應立即在電機的出線端測量定子繞組電阻R0，并按式(3)計算電機的空載銅損耗PCu02。

作電動機空載運行時，電機輸入的電功率P0全部用于補償空載銅損耗PCu02、空載鐵損耗PFe2和風摩損耗pfw。因此，從空載輸入功率P0中減去空載銅損耗PCu02，剩下的即為鐵損耗PFe2與風摩損耗pfw之和，即

為了將P0'中的PFe2和pfw分離開，需要繪出P0'隨變化的曲線，即曲線，如圖4所示。由于感應電機的鐵損耗PFe2大體上與電源電壓的平方成比例，而在電機轉速變化不大的情況下，風摩損耗pfw基本上是一個常值，因此曲線基本上是一條直線。將該直線延長(圖4中的虛線)，延長線與縱軸交點的縱坐標即為風摩損耗pfw，而風摩損耗線以上的部分則是隨電壓變化的鐵損耗。

調節(jié)空載電壓時需“逐步降低到可能達到的最低值”，其目的在于提高PFe2和pfw分離的精度，所測取的“最低值”離縱軸越近，分離的精度越高。最低值出現(xiàn)的判據(jù)是:如果再降低電壓U0，空載電流I0不降反升，同時電機轉速也明顯下降。

圖3 電動機時的空載特性

圖4 鐵損耗與風摩損耗的分離

(3)發(fā)電機的鐵損耗PFe;求取用上述兩種方法測得的鐵損耗的平均值，作為感應發(fā)電機的最終鐵損耗，即

3 雙饋發(fā)電機的空載試驗

國家標準GB/T 23479.2規(guī)定，雙饋感應發(fā)電機只需完成作電動機運行時的空載試驗試驗時，發(fā)電機定子側由三相調壓器供電，三相轉子繞組經(jīng)電刷短路。測取空載電流I0和空載輸入功率P0隨外施電壓U0的標幺值(U0/UN)變化的空載特性，即I0=f(U0/UN)的關系和P0=f(U0/UN)曲線。試驗線路如圖5所示，典型的空載特性曲線如圖6所示。其試驗目的、試驗原理和試驗方法與籠型感應發(fā)電機作電動機運行時的空載試驗完全相同。

圖5 雙饋發(fā)電機空載試驗原理圖

圖6 雙饋發(fā)電機空載特性

4 同步發(fā)電機的空載試驗

根據(jù)勵磁方式的不同，同步發(fā)電機可分為電勵磁同步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機兩類。電勵磁同步發(fā)電機的勵磁電流可以方便地進行調節(jié)，其很多重要特性可以通過調節(jié)勵磁來測得。例如，空載特性、短路特性、零功率因數(shù)負載特性等。永磁同步發(fā)電機的磁場難以調節(jié)，很多適用于電勵磁發(fā)電機的試驗方法無法應用，給永磁同步發(fā)電機的性能和參數(shù)測試帶來了困難。因此，永磁發(fā)電機測試技術研究仍然是一個十分有意義的課題。

4.1 電勵磁同步發(fā)電機的空載試驗

4.1.1 空載特性測試

空載特性是同步發(fā)電機的一條重要的基本特性。同步發(fā)電機的空載特性是指在保持同步轉速不變的條件下，其勵磁電動勢E0與勵磁電流If間的關系，即E0=f(If)關系曲線，如圖7所示。

從圖7可以看出，當勵磁電流If較小時，勵磁電動勢E0較小，這時，由于電機磁路處于不飽和狀態(tài)，勵磁電動E0隨勵磁電流If大體上按直線規(guī)律增加;隨著勵磁電流If的增大，每極磁通量增加，電機磁路逐漸飽和，空載特性曲線也逐漸彎曲，磁路高度飽和時，勵磁電動勢E0基本上不再隨勵磁電流If增大而保持一個恒值。另外，當同步發(fā)電機實際空載時，其空載電壓等于勵磁電動勢，即U0=E0，因此在特性曲線中可以用空載電壓U0來代替E0。

同步發(fā)電機的空載試驗原理圖如圖8所示。圖中，M為驅動電動機，G為被試同步發(fā)電機。需要給同步發(fā)電機配置合適的直流勵磁電源。電動機M可以選用直流電動機，也可選用與被試發(fā)電機完全相同的電機，使之運行于電動機狀態(tài)，兩臺電機同軸連接，以便隨時保持同步轉速不變。

圖7 同步發(fā)電機空載特性

圖8 同步發(fā)電機空載試驗原理

如果同步電動機M本身沒有自起動能力，可以采用輔助電動機起動法，即選用容量為被試發(fā)電機額定容量10%～15%的直流電動機或與同步電動機極數(shù)相同的三相感應電動機來起動電動機M。選用前者時，可采用準同步起動法，在滿足同步電動機投入并網(wǎng)條件的情況下，才能將其投入電網(wǎng)運行。選用后者時，首先用輔助電動機將同步電動機M拖動到接近同步速，再利用自整步法將電動機M投入電網(wǎng)。測取同步發(fā)電機空載特性的試驗步驟如下所述。

(1)將開關K1與電網(wǎng)分斷，起動電動機M至被試發(fā)電機的同步轉速。

(2)閉合幵關K2，給發(fā)電機勵磁。調節(jié)勵磁電流If，使發(fā)電機空載電壓U0升至1.2～1.3倍額定電壓，并以此作為第一點，逐漸減小勵磁電流直至分斷開關K2，其間記錄7 ～9 組(U0，If)。

(3)繪制空載特性曲線P0=Pin=T0Ω

需要指出的是，勵磁電流的調節(jié)應是單調下降的，以防止局部磁滯回線對測量結果的影響。

4.1.2 空載損耗測定

(1)空載發(fā)電機法

被試發(fā)電機在原動機的驅動下保持同步轉速空載運行，其勵磁電流由獨立的直流電源供給，測取同步發(fā)電機不同空載電壓下的空載損耗。同步發(fā)電機實際空載運行時，其輸出功率Pout=0，電樞繞組銅耗PCua=0。因此，發(fā)電機的空載損耗P0就是從軸上輸入的機械功率Pin，并將全部消耗在鐵損耗與風摩損耗上，即P0=Pin=pFe+pFW?？蛰d試驗時，機械功率PIN可用測功機或轉矩儀測量?？蛰d損耗測定的具體試驗步驟如下所述。

(1)起動原動機，在原動機的驅動下，使發(fā)電機保持同步轉速空載運行。

(2)待軸承的摩檫損耗穩(wěn)定后，調節(jié)同步發(fā)電機的勵磁電流，在空載電壓U0=(0.2～1.25)UN范圍內讀取測功機或轉矩儀測得的空載轉矩T0和轉速n(或Ω)共計8～10組數(shù)據(jù)，并繪制空載損耗曲線。其中，空載損耗P0=Pin=T0Ω。

(3)按與感應發(fā)電機基本相同的方法將鐵損耗PFe和風摩損耗pfw分離。

(2)空載電動機法

被試電機在額定頻率下作空載電動機運行，其外施電壓應為實際可調的對稱電壓，勵磁電流由獨立的直流電源供給。試驗時，應調節(jié)勵磁電流使電樞電流為最小。具體試驗方法與感應電動機空載損耗測試基本相同。

4.2 永磁同步發(fā)電機的空載試驗

永磁同步發(fā)電機的主磁場由永磁體建立，永磁發(fā)電機一旦制成后，其主磁場難以調節(jié)，電勵磁同步發(fā)電機中需要通過勵磁調節(jié)才能實現(xiàn)的各種試驗方法己經(jīng)無法應用。到目前為止，永磁同步發(fā)電機測試技術仍然是一個需要深入研究和不斷完善的課題。

永磁發(fā)電機作空載試驗的目的無非有以下3點:①檢驗同步轉速時的勵磁電動勢E0與設計值的偏差是否在允許范圍內;②測取電機的空載損耗;③通過空載試驗了解電機磁路的飽和程度是否與設計值一致。

5 結束語

針對風力發(fā)電機采用發(fā)電的類別依據(jù)上述所分析的空載測試方法及要求可以得出如下結論:

(1)空載特性可判定發(fā)電機主磁路設計的合理性，特別是額定電壓點的位置直接關系到發(fā)電機的電磁性能和有效材料的利用率。

(2)空載損耗將直接影響發(fā)電機的效率?？蛰d損耗與負載損耗的分配比率還將影響到效率特性曲線的分布，對變速控制風力發(fā)電機組的功率特性將產生一定影響。

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