风力发电机电机空载试验方法及技术要求的分析与研究

2014-05-28高瑞孙文刘世勋马进翟文涛

电气开关 2014年1期

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)

1 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

2.1 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n0不变的条件下，发电机的空载电流I0随空载电压U0变化的特性，即在n=n0条件下，I0=f(U0)的关系曲线，如图1所示。空载特性的横坐标通常采用空载电压的标幺值U0/UN，电压的标么值一般取额定电压UN作为基值。

从图1可以看出，当空载电压U0较低时，由于发电机磁路处于不饱和状态，空载电流I0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U0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I0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。

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1.5倍转差范围内达到1%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0.5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。

(4)G的同步转速n0与电网频率f及电机极对数p的关系为:

也就是说，当电网频率f波动时，同步转速n0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TS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K1分断，起动电动机M，将其转速调节至发电机G的同步转速n0，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P01全部用于补偿发电机G的风摩损耗Pfw，即

发电机G的风摩损耗稳定的判据是，相隔30min的两个P01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P01(即pfw)。

(3)调节电动机M的转速，使发电机G始终保持同步转速n0。按顺序闭合K2和K1，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K1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K1，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U0升至1.1～1.3倍额定电压，然后逐步降低到可能达到的最低值，其间测取7～9组(I0，U0)。最后绘出空载特性曲线

2.2 空载损耗测定

根据GB/T 19071.2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pFe1:空载特性测定时，在空载电压U0=UN点，在读取空载电流I0N的同时，还应测取电动机M的输出功率P02。试验结束时，应立即在发电机的出线端测量定子绕组电阻R0。则发电机的空载铜损耗PCu01为

发电机的空载铁损耗PFel为:

(2)用电动机法测取空载铁损耗PFe2: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TY接电网作电动机空载运行。调节调压器TY，使空载电压U0升至1.1～1.3倍额定电压，然后逐步降低到可能达到的最低值，其间测取7～9组(P0，I0，U0)，其中巧为电机的输入功率。最后，绘出空载电流特性曲线和空载损耗特性曲线，如图3所示。与发电机法一样，空载电压U0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R0，并按式(3)计算电机的空载铜损耗PCu02。

作电动机空载运行时，电机输入的电功率P0全部用于补偿空载铜损耗PCu02、空载铁损耗PFe2和风摩损耗pfw。因此，从空载输入功率P0中减去空载铜损耗PCu02，剩下的即为铁损耗PFe2与风摩损耗pfw之和，即

为了将P0'中的PFe2和pfw分离开，需要绘出P0'随变化的曲线，即曲线，如图4所示。由于感应电机的铁损耗PFe2大体上与电源电压的平方成比例，而在电机转速变化不大的情况下，风摩损耗pfw基本上是一个常值，因此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pfw，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值”，其目的在于提高PFe2和pfw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U0，空载电流I0不降反升，同时电机转速也明显下降。

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PFe;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

3 双馈发电机的空载试验

国家标准GB/T 23479.2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I0和空载输入功率P0随外施电压U0的标幺值(U0/UN)变化的空载特性，即I0=f(U0/UN)的关系和P0=f(U0/UN)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。

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。

4.1 电励磁同步发电机的空载试验

4.1.1 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E0与励磁电流If间的关系，即E0=f(If)关系曲线，如图7所示。

从图7可以看出，当励磁电流If较小时，励磁电动势E0较小，这时，由于电机磁路处于不饱和状态，励磁电动E0随励磁电流If大体上按直线规律增加;随着励磁电流If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E0基本上不再随励磁电流If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U0=E0，因此在特性曲线中可以用空载电压U0來代替E0。

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10%～15%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K1与电网分断，起动电动机M至被试发电机的同步转速。

(2)闭合幵关K2，给发电机励磁。调节励磁电流If，使发电机空载电压U0升至1.2～1.3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K2，其间记录7 ～9 组(U0，If)。

(3)绘制空载特性曲线P0=Pin=T0Ω

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。

4.1.2 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Pout=0，电枢绕组铜耗PCua=0。因此，发电机的空载损耗P0就是从轴上输入的机械功率Pin，并将全部消耗在铁损耗与风摩损耗上，即P0=Pin=pFe+pFW。空载试验时，机械功率PIN可用测功机或转矩仪测量。空载损耗测定的具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U0=(0.2～1.25)UN范围内读取测功机或转矩仪测得的空载转矩T0和转速n(或Ω)共计8～10组数据，并绘制空载损耗曲线。其中，空载损耗P0=Pin=T0Ω。

(3)按与感应发电机基本相同的方法将铁损耗PFe和风摩损耗pfw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。