永磁同步發(fā)電機(jī)加載方法研究

(中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西永濟(jì) 044502)

0 引言

相對(duì)于電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，永磁同步發(fā)電機(jī)由于省去了勵(lì)磁繞組和容易故障的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，加工和裝配費(fèi)用少，運(yùn)行更為可靠[1]。永磁同步發(fā)電機(jī)具有相對(duì)體積小，功率質(zhì)量比高等眾多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，如航空航天用主發(fā)電機(jī)，汽車、拖拉機(jī)用發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、小型水力發(fā)電機(jī)、小型內(nèi)燃發(fā)電機(jī)機(jī)組廣泛使用各種類型的永磁同步發(fā)電機(jī)。但是，永磁同步發(fā)電機(jī)制成后難以調(diào)節(jié)其磁場(chǎng)以控制其輸出電壓和功率因數(shù)[1]，輸出功率因數(shù)完全由負(fù)載決定。現(xiàn)有文獻(xiàn)中提出的通過(guò)單位功率因數(shù)控制方法實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)按照需要功率因數(shù)運(yùn)行[2]等方法均是采用改變控制策略完成對(duì)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，對(duì)于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)配套變頻器的情況，無(wú)法通過(guò)改變控制策略實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。由于永磁同步電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)項(xiàng)目通常采用直接負(fù)載法進(jìn)行，因此選擇合適的負(fù)載設(shè)備滿足功率因數(shù)要求是最有效可行的方法。到目前為止 ,變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的加載方式大致包括以下幾種類型:(1)能量消耗型;(2)互饋對(duì)拖型；(3)能量回饋型。其中,能量消耗型需要功率電阻消耗發(fā)電機(jī)的有功功率，需要電抗器或者電容器消耗電機(jī)的無(wú)功功率,系統(tǒng)龐大,控制復(fù)雜,能量消耗嚴(yán)重 ?；ヰ亴?duì)拖型包括兩種 : 共用交流母線型和共用直流母線型[3]?；ヰ亴?duì)拖型加載方式需要兩臺(tái)與被試同步發(fā)電機(jī)配套的變頻器。能量回饋型需要同步電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)及并網(wǎng)裝置。本文通過(guò)對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)不同加載方法的分析,結(jié)合公司現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)某型號(hào)345kW永磁同步發(fā)電機(jī)制定一套可行的加載方案，通過(guò)分析計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)調(diào)節(jié)的方法討論[4～5]，選擇滿足要求的試驗(yàn)負(fù)載搭建試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證本文制定的加載方案的可行性。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本文被試電機(jī)為某型號(hào)345kW永磁同步發(fā)電機(jī)，其基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 被試永磁同步發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

由于被試永磁同步發(fā)電機(jī)功率為345kW，功率較大，采用電阻消耗法加載能源浪費(fèi)極其嚴(yán)重，公司現(xiàn)有電阻柜為額定電壓380V的低壓電阻，無(wú)配套高壓電阻負(fù)載；若采用互饋對(duì)拖型加載方式需要兩臺(tái)與被試同步發(fā)電機(jī)配套的變頻器，公司現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備無(wú)配套的變頻器。為了滿足試驗(yàn)要求，利用公司現(xiàn)有設(shè)備資源完成該電機(jī)試驗(yàn)項(xiàng)目，制定了一套現(xiàn)有設(shè)備能力下的加載方案，加載系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1加載系統(tǒng)組成圖

加載系統(tǒng)中直流電動(dòng)機(jī)M1、M2由兩套ABB直流傳動(dòng)DCS800(U1、U2)供電，通過(guò)齒輪箱GB1耦合組成拖動(dòng)機(jī)組，用以拖動(dòng)被試永磁同步發(fā)電機(jī)GS。直流電動(dòng)機(jī)M1、M2參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 直流電動(dòng)機(jī)M1、M2參數(shù)

直流發(fā)電機(jī)G1、G2通過(guò)齒輪箱GB2組成加載機(jī)組，并由兩臺(tái)ABB直流傳動(dòng)DCS800(U3、U4)將電能回饋電網(wǎng)，用于陪試永磁同步電機(jī)MS加載。直流發(fā)電機(jī)G1、G2參數(shù)見(jiàn)表3。MS與GS為同一規(guī)格的永磁同步電機(jī)，該電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)工況。

表3 直流電動(dòng)機(jī)M1、M2參數(shù)

試驗(yàn)時(shí)，電網(wǎng)經(jīng)10kV/690V變壓器(Q1、Q2)后為兩套ABB直流傳動(dòng)DCS800(U1、U2)供電，拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)M1、M2旋轉(zhuǎn)。為了保證兩臺(tái)直流電機(jī)經(jīng)齒輪箱機(jī)械耦合負(fù)載運(yùn)行時(shí)電流均勻平衡，直流傳動(dòng)間采用了主從控制模式。拖動(dòng)機(jī)M1、M2經(jīng)過(guò)齒輪箱GB1耦合驅(qū)動(dòng)被試永磁同步發(fā)電機(jī)GS旋轉(zhuǎn)并發(fā)電。永磁同步發(fā)電機(jī)GS為永磁同步電動(dòng)機(jī)MS供電，驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)MS旋轉(zhuǎn)。直流發(fā)電機(jī)G1、G2經(jīng)齒輪箱GB2與電機(jī)MS機(jī)械連接，提供系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并通過(guò)兩套ABB直流傳動(dòng)DCS800(U3、U4)實(shí)現(xiàn)能量回饋。被試永磁同步發(fā)電機(jī)加載系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。

圖2被試永磁同步發(fā)電機(jī)加載系統(tǒng)實(shí)物圖

2 功率因數(shù)調(diào)節(jié)

在加載系統(tǒng)中，永磁同步發(fā)電機(jī)是唯一的有功電源，同時(shí)也是無(wú)功電源，其在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，既要發(fā)出有功功率又要發(fā)出無(wú)功功率。由于永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出感性無(wú)功功率，需要在永磁同步發(fā)電機(jī)輸出端連接電感負(fù)載以吸收感性無(wú)功功率，通過(guò)調(diào)節(jié)感性負(fù)載的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。常用的感性負(fù)載有電抗器、三相感應(yīng)調(diào)壓器、空載運(yùn)行的三相異步電動(dòng)機(jī)[6]。結(jié)合公司現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有能與被試永磁同步發(fā)電機(jī)匹配的多抽頭電抗器，三相感應(yīng)調(diào)壓器容量為3150kVA，經(jīng)過(guò)計(jì)算三相感應(yīng)調(diào)壓器電感調(diào)節(jié)至最大時(shí)，被試永磁同步發(fā)電機(jī)仍處于過(guò)載狀態(tài)，負(fù)載試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。但是試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)有各種規(guī)格的三相異步電動(dòng)機(jī)，鑒于實(shí)際試驗(yàn)設(shè)備情況，本文中的加載系統(tǒng)計(jì)算選擇合適的異步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行實(shí)現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。

永磁同步發(fā)電機(jī)功率因數(shù)與輸出有功功率、無(wú)功功率的關(guān)系如下

(1)

Q=S×sinφ

(2)

式中，cosφ—功率因數(shù)；P—有功功率，kW；S—視在功率，kVA；Q—無(wú)功功率，kvar。

由式(1)～式(2)可知無(wú)功功率與有功功率、功率因數(shù)關(guān)系為

(3)

由式(3)可以計(jì)算出被試永磁同步發(fā)電機(jī)在額定負(fù)載工況下其發(fā)出的無(wú)功功率，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)在額定有功功率且沒(méi)有無(wú)功吸收設(shè)備工況下的無(wú)功功率，兩者的總和即為感性負(fù)載需要吸收的總無(wú)功功率。

按圖1所示的加載方法對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行加載，至輸出有功功率345kW，采用WT1800功率分析儀在永磁同步發(fā)電機(jī)輸出端測(cè)量的各電性能參數(shù)，得到不進(jìn)行功率因數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)永磁同步發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)如圖3所示，測(cè)量的電氣參數(shù)數(shù)值如表4所示。

圖3無(wú)功率因數(shù)調(diào)節(jié)工況永磁同步發(fā)電機(jī)電性能參數(shù)

表4無(wú)功率因數(shù)調(diào)節(jié)工況電氣參數(shù)測(cè)量值

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值電壓(V)1644.8電流(A)120.88頻率(Hz)119.93功率因數(shù)0.9984有功功率(kW)-343.81無(wú)功功率(kVar)19.87

從表4中數(shù)據(jù)可知，永磁同步發(fā)電機(jī)功率因數(shù)為0.9984，吸收無(wú)功功率Q1=19.87kWar。由表1可知，被試電機(jī)的額定功率因數(shù)為0.95。由式(3)額定工況運(yùn)行時(shí)，永磁同步發(fā)電機(jī)需要發(fā)出無(wú)功功率為

=112.88kVar

感性負(fù)載需要吸收的總無(wú)功功率為

Q=Q1+Q2=19.87+112.88=132.75kVar

選擇一款三相異步電動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)及其在1500V，120Hz下實(shí)測(cè)空載數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 三相異步電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)及實(shí)測(cè)空載數(shù)據(jù)

從表5中數(shù)據(jù)可知，該三相異步電動(dòng)機(jī)在1500V，120Hz下空載運(yùn)行時(shí)，單臺(tái)電機(jī)吸收的無(wú)功功率為

=44.02kVar

單臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)吸收無(wú)功功率為44.02kVar，加載系統(tǒng)所需吸收的無(wú)功功率為132.75kVar，需要采用三臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行吸收無(wú)功功率才能調(diào)節(jié)到所需功率因數(shù)，本文加載系統(tǒng)采用三臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)，并采用接觸器分別控制每臺(tái)電機(jī)的閉合及斷開(kāi)，即可吸收磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出無(wú)功功率,系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4功率因數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖4中M5、M6、M7為三臺(tái)相同規(guī)格的異步電動(dòng)機(jī)，并聯(lián)在同步發(fā)電機(jī)輸出端空載運(yùn)行。對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行加載至輸出有功功率345kW，得到進(jìn)行功率因數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)永磁同步發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)如圖5所示，測(cè)量的電氣參數(shù)數(shù)值如表6所示。

圖5功率因數(shù)調(diào)節(jié)工況永磁同步發(fā)電機(jī)電性能參數(shù)

表6 功率因數(shù)調(diào)節(jié)工況電氣參數(shù)測(cè)量值

由表6可知，永磁同步發(fā)電機(jī)輸出端連接三臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行后，其負(fù)載功率因數(shù)為0.9557，發(fā)出無(wú)功功率105.99kvar。

對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析計(jì)算可知，選折的三相異步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)至永磁同步發(fā)電機(jī)輸出端后，其負(fù)載功率因數(shù)于計(jì)算值存在偏差，主要由以下原因：(1)計(jì)算選擇三相異步電動(dòng)機(jī)，空載功率因數(shù)較低，其測(cè)量值存在一定偏差；(2)永磁同步發(fā)電機(jī)永磁體在不同的工作溫度下，其剩磁密度和矯頑力存在一定差異，在不同功率因數(shù)負(fù)載下，其電壓調(diào)整率存在差異。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的永磁同步發(fā)電機(jī)加載方法，以加載機(jī)組能量回饋實(shí)現(xiàn)了永磁同步發(fā)電機(jī)負(fù)載有功功率的無(wú)級(jí)可調(diào)，同時(shí)選擇合適的異步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行實(shí)現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)，充分利用試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有設(shè)備，減少了額外的設(shè)備投資。本文的研究對(duì)于永磁同步發(fā)電機(jī)在設(shè)備限制的情況下實(shí)現(xiàn)加載系統(tǒng)的搭建及負(fù)載功率因數(shù)計(jì)算和調(diào)節(jié)具有一定的參考意義。