风力发电机电机空载试验方法及技术要求的分析与研究

电气开关2014NOI63文章编号1004289X201401006304风力发电机电机空载试验方法及技术要求的分析与研究高瑞，孙文，刘世勋，马进，翟文涛1辽宁出入境检验检疫局机电产品检测中心，辽宁沈阳110141；2中认沈阳北方实验室有限公司，辽宁沈阳110141摘要提出了风力发电机中感应发电机、双馈发电机、电励磁同步发电机空载特性和空载损耗试验方法和永磁同步发电机空载试验的技术要求。并总结了一些试验设备的技术指标。关键词发电机；空载特性；空载损耗；技术要求中图分类号TM31文献标识码BANALYSISANDRESEARCHOFTHEWINDPOWERGENERATORNOLOADTESTMETHODANDTECHNICALREQUIREMENTSGA0RUI，SUNWEN，LIUSHIN，MA肺，ZHAIWENTAO1LIAONINGENTRYEXITINSPECTIONANDQUARANTINEBUREAUOFMECHANICALANDELECTRICALPRODUCTTESTCENTRE，SHENYANGL10141，CHINA；2CQCNORTHERNLABORATORY，SHENYANG110141，CHINAABSTRACTTHEPAPEREXPLAINSTHENOLOADCHARACTERISTICANDTHENOLOADLOSSTESTMETHODOFINDUCTIONGENERATOR、DOUBLYFEDGENERATORANDELECTRICALLYEXCITEDSYNCHRONOUSGENERATORFORWINDPOWERGENERATOR，ALSOINCLUDINGTECHNICALREQUIREMENTOFNOLOADTESTFORMAGNETOALTERNATORSIMULTANEOUSLYSUMMARIZESTHETECHNICALINDICATORSKEYWORDSELECTRICGENERATOR；NOLOADCHARACTERISTIC；NOLOADLOSS；TECHNICALREQUIREMENT1引言发电机是风力发电机组的核心部件，其性能的优劣对整个机组的性能和安全性影响极大。空载试验是检验发电机电磁性能的一个最基本的试验项目。空载试验的目的主要有两个，一是测取发电机的空载特性；二是测取发电机的空载损耗。利用发电机的空载试验和空载特性，还可以用于测定发电机的重要参数，如感应发电机的励磁电抗和励磁电流，同步发电机的同步电抗和短路比等。2感应发电机的空载试验21空载特性测试感应发电机的空载特性是指在保持同步转速RT。不变的条件下，发电机的空载电流，0随空载电压变化的特性，即在RT条件下，10U0的关系曲线，如图L所示。空载特性的横坐标通常采用空载电压的标幺值，电压的标么值一般取额定电压作为基值。从图1可以看出，当空载电压较低时，由于发电机磁路处于不饱和状态，空载电流，N较小，这时，空载电流随空载电压大体上按直线规律增加；随着空载电压的增大，发电机磁路逐渐饱和，空载特性曲线也逐渐向上弯曲，而空载电流，N增加的速度逐渐加快。感应发电机空载试验的接线原理图如图2所示。图中，M为驱动电动机，可以是直流电动机，也可以是交流电动机，通常为与发电机相同型号的电机；TS为电动机M的调速装置；G为被试感应发电机；TY为三相调压器。电气开关2014NO1图1感应发电机空载特性图2感应发电机空载试验原理对上述试验设备有如下技术要求1拖动电动机M应能在感应发电机G以同步转速为起点的15倍转差范围内达到L的稳态调速精度要求。2拖动电动机M的输出功率机械功率应可测，测功装置的准确度应达到05级。3被试感应发电机G的励磁由三相调压器TY提供，调节TY可以方便地调节G的端电压，以便测取空载特性曲线。4G的同步转速17,。与电网频率厂及电机极对数P的关系为60FP1也就是说，当电网频率，波动时，同步转速RL,。随之波动。因此，拖动电动机的转速也应随之加以调节，使发电机在试验过程中始终保持同步转速，图2中的RIS即为拖动电动机的调速装置。感应发电机空载特性的试验方法如下所述1将开K分断，起动电动机M，将其转速调节至发电机G的同步转速，并保持不变。2使被试发电机空转一段时间，空转的目的是使发电机的风摩损耗稳定下来。这时，电动机M输出的机械功率P。，全部用于补偿发电机G的风摩损耗P，即P01PFW2发电机G的风摩损耗稳定的判据是，相隔30MIN的两个P的读数之差不大于前一个读数的3。记录稳定后的机械功率P0，即P。3调节电动机M的转速，使发电机G始终保持同步转速N。按顺序闭合和，利用三相调压器TY为发电机G提供励磁。应该指出的是，闭合开关之前，应观察发电机侧电压表的读数，并将调压器侧的电压调至与发电机侧电压接近后，再闭合开关K，以免因两侧电压相差较大而产生较大的电流冲击。4调节调压器TY，使发电机空载电压升至1113倍额定电压，然后逐步降低到可能达到的最低值，其问测取79组，N，UO。最后绘出空载特性曲线，0L。UN22空载损耗测定根据GBT190712的规定，感应发电机的铁损耗应分别用发电机法和电动机法测取，用这两种方法测得的铁损耗的平均值来作为发电机的最终铁损耗。1用发电机法测取空载铁损耗P空载特性测定时，在空载电压VOU点，在读取空载电流，0N的同时，还应测取电动机的输出功率P。试验结束时，应立即在发电机的出线端测量定子绕组电阻尺。则发电机的空载铜损耗尸删为PCLL013IONRO3发电机的空载铁损耗P。为PFELPO2一POLPC砷142用电动机法测取空载铁损耗P将图2中的驱动电动机M脱开，使感应发电机G经三相调压器RRY接电网作电动机空载运行。调节调压器RIY，使空载电压升至1113倍额定电压，然后逐步降低到可能达到的最低值，其间测取79组尸0，0，UO，其中巧为电机的输入功率。最后，绘出空载电流特性曲线，0和空载损耗特性曲线P0，如图3所示。与发电机法一样，空载电压的调节也必须是单调下降的。试验结束时，应立即在电机的出线端测量定子绕组电阻尺。，并按式3计算电机的空载铜损耗P。作电动机空载运行时，电机输入的电功率P。全部用于补偿空载铜损耗P舰、空载铁损耗P和风摩损耗P。因此，从空载输入功率P。中减去空载铜损耗尸，剩下的即为铁损耗P与风摩损耗P之和，即P0P0PCIL02PFE2P5为了将中的P和P分离开，需要绘出P。随变化的曲线，即P。，厂曲线，如图4所示。由于感应电机的铁损耗P大体上与电源电压的，R，、2平方F1成比例，而在电机转速变化不大的情况下，风、VN，1、2、摩损耗P基本上是一个常值，因此P0厂LLL曲线基本上是一条直线。将该直线延长图4中的虚线，延长线与纵轴交点的纵坐标即为风摩损耗P，而风摩损耗线以上的部分则是随电压变化的铁损耗。调节空载电压时需“逐步降低到可能达到的最低电气开关2014NO165值”，其目的在于提高P和P分离的精度，所测取的“最低值”离纵轴越近，分离的精度越高。最低值出现的判据是如果再降低电压，空载电流，0不降反升，同时电机转速也明显下降。，R，、2取FL1即额定电压点时的铁损耗作为式UN16中的，P来计算发电机最终的铁损耗P，如图4所示D图3电动机时的空载特性图4铁损耗与风摩损耗的分离3发电机的铁损耗P求取用上述两种方法测得的铁损耗的平均值，作为感应发电机的最终铁损耗，即PPV_ELPR2FE6一U3双馈发电机的空载试验国家标准GBT234792规定，双馈感应发电机只需完成作电动机运行时的空载试验试验时，发电机定子侧由三相调压器供电，三相转子绕组经电刷短路。测取空载电流，0和空载输入功率随外施电压的标幺值UOU变化的空载特性，即IO厂WOU的关系和P。8OUN曲线。试验线路如图5所示，典型的空载特性曲线如图6所示。其试验目的、试验原理和试验方法与笼型感应发电机作电动机运行时的空载试验完全相同。电网图5双馈发电机空载试验原理图图6双馈发电机空载特性4同步发电机的空载试验根据励磁方式的不同，同步发电机可分为电励磁同步发电机和永磁同步发电机两类。电励磁同步发电机的励磁电流可以方便地进行调节，其很多重要特性可以通过调节励磁来测得。例如，空载特性、短路特性、零功率因数负载特性等。永磁同步发电机的磁场难以调节，很多适用于电励磁发电机的试验方法无法应用，给永磁同步发电机的性能和参数测试带来了困难。因此，永磁发电机测试技术研究仍然是一个十分有意义的课题。41电励磁同步发电机的空载试验411空载特性测试空载特性是同步发电机的一条重要的基本特性。同步发电机的空载特性是指在保持同步转速不变的条件下，其励磁电动势E。与励磁电流，F间的关系，即E。厂IF关系曲线，如图7所示。从图7可以看出，当励磁电流，F较小时，励磁电动势E。较小，这时，由于电机磁路处于不饱和状态，励磁电动随励磁电流，F大体上按直线规律增加；随着励磁电流，F的增大，每极磁通量增加，电机磁路逐渐饱和，空载特性曲线也逐渐弯曲，磁路高度饱和时，励磁电动势基本上不再随励磁电流，F增大而保持一个恒值。另外，当同步发电机实际空载时，其空载电压等于励磁电动势，即UOE。，因此在特性曲线中可以用空载电压柬代替。电气开关2014NO1同步发电机的空载试验原理图如图8所示。图中，M为驱动电动机，G为被试同步发电机。需要给同步发电机配置合适的直流励磁电源。电动机M可以选用直流电动机，也可选用与被试发电机完全相同的电机，使之运行于电动机状态，两台电机同轴连接，以便随时保持同步转速不变。图7同步发电机空载特性图8同步发电机空载试验原理如果同步电动机M本身没有自起动能力，可以采用辅助电动机起动法，即选用容量为被试发电机额定容量1015的直流电动机或与同步电动机极数相同的三相感应电动机来起动电动机M。选用前者时，可采用准同步起动法，在满足同步电动机投入并网条件的情况下，才能将其投入电网运行。选用后者时，首先用辅助电动机将同步电动机M拖动到接近同步速，再利用自整步法将电动机M投入电网。测取同步发电机空载特性的试验步骤如下所述。1将开关与电网分断，起动电动机M至被试发电机的同步转速。2闭合开关，给发电机励磁。调节励磁电流，F，使发电机空载电压升至1213倍额定电压，并以此作为第一点，逐渐减小励磁电流直至分断开关，其间记录79组，。3绘制空载特性曲线P。PI7“0Q需要指出的是，励磁电流的调节应是单调下降的，以防止局部磁滞回线对测量结果的影响。412空载损耗测定1空载发电机法被试发电机在原动机的驱动下保持同步转速空载运行，其励磁电流由独立的直流电源供给，测取同步发电机不同空载电压下的空载损耗。同步发电机实际空载运行时，其输出功率P。0，电枢绕组铜耗P0。因此，发电机的空载损耗P。就是从轴上输人的机械功率P并将全部消耗在铁损耗与风摩损耗上，即POPIPNP。空载试验时，机可胃I贝蚴杌或转矩仪澳L上量。空载损耗狈瞑体试验步骤如下所述。1起动原动机，在原动机的驱动下，使发电机保持同步转速空载运行。2待轴承的摩檫损耗稳定后，调节同步发电机的励磁电流，在空载电压UO02125范围内读取测功机或转矩仪测得的空载转矩和转速或Q共计81O组数据，并绘制空载损耗曲线。其中，空载损耗POPIROQ。3按与感应发电机基本相同的方法将铁损耗PN和风摩损耗P分离。2空载电动机法被试电机在额定频率下作空载电动机运行，其外施电压应为实际可调的对称电压，励磁电流由独立的直流电源供给。试验时，应调节励磁电流使电枢电流为最小。具体试验方法与感应电动机空载损耗测试基本相同。42永磁同步发电机的空载试验永磁同步发电机的主磁场由永磁体建立，永磁发电机一旦制成后，其主磁场难以调节，电励磁同步发电机中需要通过励磁调节才能实现的各种试验方法己经无法应用。到目前为止，永磁同步发电机测试技术仍然是一个需要深入研究和不断完善的课题。永磁发电机作空载试验的目的无非有以下3点检验同步转速时的励磁电动势与设计值的偏差是否在允许范围内；测取电机的空载损耗；通过空载试验了解电机磁路的饱和程度是否与设计值一致。5结束语针对风力发电机采用发电的类别依据一H述所分析的空载测试方法及要求可以得出如下结论1空载特性可判定发电机主磁路设计的合理性，特别是额定电压点的位置直接关系到发电机的电磁性能和有效材料的利用率。2空载损耗将直接影响发电机的效率。空载损耗与负