發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)短路特性測定試驗
本試驗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)在三相電樞繞組事先短路時的穩(wěn)態(tài)短路電樞電流與勵磁電流的關(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)計水平和改進(jìn)方向。
交流發(fā)電機(jī)原理圖
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，在牽引發(fā)電機(jī)行業(yè)應(yīng)用廣泛。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，短路電流產(chǎn)生直軸電樞磁動勢對永磁體去磁，在三相突然短路時去磁能力最強(qiáng)o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)計中必須進(jìn)行最大去磁工作點校核計算，應(yīng)保證此工作點在最高工作溫度時回復(fù)線的線性段，或者說高于回復(fù)線的拐點。
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，穩(wěn)態(tài)短路是進(jìn)行永磁發(fā)電機(jī)負(fù)載電流試驗的重要方法之一。穩(wěn)態(tài)短路電流和短路轉(zhuǎn)矩的理論計算，是試驗線路和試驗設(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，計算過于復(fù)雜，試驗具有破壞性，難以檢驗，且根據(jù)經(jīng)驗由暫態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)的時間非常短。工程上根據(jù)穩(wěn)態(tài)短路特性，再通過經(jīng)驗修正系數(shù)修正后評估突然短路特性e。因此穩(wěn)態(tài)短路試驗后的短路電流為進(jìn)行發(fā)電機(jī)突然短路時的失磁能力驗證試驗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電樞繞組磁鏈變化的方法給出了不同的短路電流計算方法，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。
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永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗檢測，驗證了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。
一、試驗方法
同步發(fā)電機(jī)的三相穩(wěn)態(tài)短路特性試驗可采用以下兩種方法：發(fā)電機(jī)法或電動機(jī)法（或稱為“自減速法”）。
1、發(fā)電機(jī)法
（1）試驗前，應(yīng)先將三相電樞繞組在出線端短路（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。
（2）對自勵恒壓發(fā)電機(jī)，應(yīng)改用其他直流電源進(jìn)行他勵。
（3）試驗時，將被試發(fā)電機(jī)拖動到額定轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵磁電流，使電樞電流達(dá)到其額定值的1.2倍左右，同時測取三相電樞電流1k和勵磁電流以該點作為第一點。然后，逐步減小勵磁電流到零。期間共測取5~7點上述數(shù)值。
（4）如果三相電樞電流對稱，則除了在額定電流時測取三相電流外，其他各點允許只測任意一相的電流值。
（5）在出廠檢查試驗進(jìn)行該項試驗時，允許只測量額定電樞電流時的勵磁電流。
用上面試驗測得的數(shù)據(jù)繪制穩(wěn)態(tài)短路特性曲線。該曲線一般為一條直線。
（2）電動機(jī)法（自減速法）
電動機(jī)法通常稱其為自減速法。試驗時，被試發(fā)電機(jī)作電動機(jī)空載運行到機(jī)械損耗穩(wěn)定后，先切斷電樞電源，再立即減少勵磁電流到零并切斷勵磁電源，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，接通勵磁電源并給處于靠慣性旋轉(zhuǎn)的被試發(fā)電機(jī)加勵磁，使電樞電流達(dá)到額定值的1.2倍左右。
（1）以下試驗及計算和繪制特性曲線等過程同發(fā)電機(jī)法。
（2）若在一次試驗中不能得到足夠的數(shù)據(jù)，可重復(fù)進(jìn)行試驗。
（3）在出廠檢查進(jìn)行該項試驗時，允許只測量額定電樞電流時的勵磁電流。
二、試驗驗證
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)在拖動機(jī)的拖動下由靜止開始運行，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
轉(zhuǎn)速/(r?mint)
電流/a
電磁轉(zhuǎn)矩/(n?m)
10
40
-350
30
75
-1610
45
105
-1405
65
120
-1220
100
180
-998
200
251
-596
323
266
-345
370
268
-292
500
268
-232
800
269
-163
1 000
269
-140
1 500
268
-100
2 015
268
-83
發(fā)電機(jī)完成溫升試驗后，在熱態(tài)下重新進(jìn)行上述短路試驗，測得不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)短路電流和制動電磁轉(zhuǎn)矩。試驗數(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
轉(zhuǎn)速/(r?mint)
電流/a
電磁轉(zhuǎn)矩/(n?m)
10
15
-189
30
48
-1419
45
75
-1429
65
97
-1347
100
148


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