高瑞，孫文，劉世勛，馬進(jìn)，翟文濤

(1.遼寧出入境檢驗(yàn)檢疫局機(jī)電產(chǎn)品檢測(cè)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110141;2.中認(rèn)(沈陽(yáng))北方實(shí)驗(yàn)室有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

1 引言

發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件，其性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)機(jī)組的性能和安全性影響極大。空載試驗(yàn)是檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)電磁性能的一個(gè)最基本的試驗(yàn)項(xiàng)目。空載試驗(yàn)的目的主要有兩個(gè)，一是測(cè)取發(fā)電機(jī)的空載特性;二是測(cè)取發(fā)電機(jī)的空載損耗。利用發(fā)電機(jī)的空載試驗(yàn)和空載特性，還可以用于測(cè)定發(fā)電機(jī)的重要參數(shù)，如感應(yīng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電抗和勵(lì)磁電流，同步發(fā)電機(jī)的同步電抗和短路比等。

2 感應(yīng)發(fā)電機(jī)的空載試驗(yàn)

2.1 空載特性測(cè)試

感應(yīng)發(fā)電機(jī)的空載特性是指在保持同步轉(zhuǎn)速n0不變的條件下，發(fā)電機(jī)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(guān)系曲線，如圖1所示。空載特性的橫坐標(biāo)通常采用空載電壓的標(biāo)幺值U0/UN，電壓的標(biāo)么值一般取額定電壓UN作為基值。

從圖1可以看出，當(dāng)空載電壓U0較低時(shí)，由于發(fā)電機(jī)磁路處于不飽和狀態(tài)，空載電流I0較小，這時(shí)，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(jī)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(yīng)發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)的接線原理圖如圖2所示。圖中，M為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，可以是直流電動(dòng)機(jī)，也可以是交流電動(dòng)機(jī)，通常為與發(fā)電機(jī)相同型號(hào)的電機(jī);TS為電動(dòng)機(jī)M的調(diào)速裝置;G為被試感應(yīng)發(fā)電機(jī);TY為三相調(diào)壓器。

圖1 感應(yīng)發(fā)電機(jī)空載特性

圖2 感應(yīng)發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)原理

對(duì)上述試驗(yàn)設(shè)備有如下技術(shù)要求:

(1)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)M應(yīng)能在感應(yīng)發(fā)電機(jī)G以同步轉(zhuǎn)速為起點(diǎn)的1.5倍轉(zhuǎn)差范圍內(nèi)達(dá)到1%的穩(wěn)態(tài)調(diào)速精度要求。

(2)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)M的輸出功率(機(jī)械功率)應(yīng)可測(cè)，測(cè)功裝置的準(zhǔn)確度應(yīng)達(dá)到0.5級(jí)。

(3)被試感應(yīng)發(fā)電機(jī)G的勵(lì)磁由三相調(diào)壓器TY提供，調(diào)節(jié)TY可以方便地調(diào)節(jié)G的端電壓，以便測(cè)取空載特性曲線。

(4)G的同步轉(zhuǎn)速n0與電網(wǎng)頻率f及電機(jī)極對(duì)數(shù)p的關(guān)系為:

也就是說(shuō)，當(dāng)電網(wǎng)頻率f波動(dòng)時(shí)，同步轉(zhuǎn)速n0隨之波動(dòng)。因此，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也應(yīng)隨之加以調(diào)節(jié)，使發(fā)電機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中始終保持同步轉(zhuǎn)速，圖2中的TS即為拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置。

感應(yīng)發(fā)電機(jī)空載特性的試驗(yàn)方法如下所述:

(1)將開K1分?jǐn)?，起?dòng)電動(dòng)機(jī)M，將其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至發(fā)電機(jī)G的同步轉(zhuǎn)速n0，并保持不變。

(2)使被試發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)一段時(shí)間，空轉(zhuǎn)的目的是使發(fā)電機(jī)的風(fēng)摩損耗穩(wěn)定下來(lái)。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)M輸出的機(jī)械功率P01全部用于補(bǔ)償發(fā)電機(jī)G的風(fēng)摩損耗Pfw，即

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

(3)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)G始終保持同步轉(zhuǎn)速n0。按順序閉合K2和K1，利用三相調(diào)壓器TY為發(fā)電機(jī)G提供勵(lì)磁。應(yīng)該指出的是，閉合開關(guān)K1之前，應(yīng)觀察發(fā)電機(jī)側(cè)電壓表的讀數(shù)，并將調(diào)壓器側(cè)的電壓調(diào)至與發(fā)電機(jī)側(cè)電壓接近后，再閉合開關(guān)K1，以免因兩側(cè)電壓相差較大而產(chǎn)生較大的電流沖擊。

(4)調(diào)節(jié)調(diào)壓器TY，使發(fā)電機(jī)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(dá)到的最低值，其間測(cè)取7～9組(I0，U0)。最后繪出空載特性曲線

2.2 空載損耗測(cè)定

根據(jù)GB/T 19071.2的規(guī)定，感應(yīng)發(fā)電機(jī)的鐵損耗應(yīng)分別用發(fā)電機(jī)法和電動(dòng)機(jī)法測(cè)取，用這兩種方法測(cè)得的鐵損耗的平均值來(lái)作為發(fā)電機(jī)的最終鐵損耗。

(1)用發(fā)電機(jī)法測(cè)取空載鐵損耗pFe1:空載特性測(cè)定時(shí)，在空載電壓U0=UN點(diǎn)，在讀取空載電流I0N的同時(shí)，還應(yīng)測(cè)取電動(dòng)機(jī)M的輸出功率P02。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，應(yīng)立即在發(fā)電機(jī)的出線端測(cè)量定子繞組電阻R0。則發(fā)電機(jī)的空載銅損耗PCu01為

發(fā)電機(jī)的空載鐵損耗PFel為:

(2)用電動(dòng)機(jī)法測(cè)取空載鐵損耗PFe2:將圖2中的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)M脫開，使感應(yīng)發(fā)電機(jī)G經(jīng)三相調(diào)壓器TY接電網(wǎng)作電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行。調(diào)節(jié)調(diào)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(dá)到的最低值，其間測(cè)取7～9組(P0，I0，U0)，其中巧為電機(jī)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(jī)法一樣，空載電壓U0的調(diào)節(jié)也必須是單調(diào)下降的。

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，應(yīng)立即在電機(jī)的出線端測(cè)量定子繞組電阻R0，并按式(3)計(jì)算電機(jī)的空載銅損耗PCu02。

作電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)輸入的電功率P0全部用于補(bǔ)償空載銅損耗PCu02、空載鐵損耗PFe2和風(fēng)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(fēng)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(yīng)電機(jī)的鐵損耗PFe2大體上與電源電壓的平方成比例，而在電機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大的情況下，風(fēng)摩損耗pfw基本上是一個(gè)常值，因此曲線基本上是一條直線。將該直線延長(zhǎng)(圖4中的虛線)，延長(zhǎng)線與縱軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為風(fēng)摩損耗pfw，而風(fēng)摩損耗線以上的部分則是隨電壓變化的鐵損耗。

調(diào)節(jié)空載電壓時(shí)需“逐步降低到可能達(dá)到的最低值”，其目的在于提高PFe2和pfw分離的精度，所測(cè)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(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速也明顯下降。

圖3 電動(dòng)機(jī)時(shí)的空載特性

圖4 鐵損耗與風(fēng)摩損耗的分離

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

3 雙饋發(fā)電機(jī)的空載試驗(yàn)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23479.2規(guī)定，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)只需完成作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的空載試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)電機(jī)定子側(cè)由三相調(diào)壓器供電，三相轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)電刷短路。測(cè)取空載電流I0和空載輸入功率P0隨外施電壓U0的標(biāo)幺值(U0/UN)變化的空載特性，即I0=f(U0/UN)的關(guān)系和P0=f(U0/UN)曲線。試驗(yàn)線路如圖5所示，典型的空載特性曲線如圖6所示。其試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)原理和試驗(yàn)方法與籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的空載試驗(yàn)完全相同。

圖5 雙饋發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)原理圖

圖6 雙饋發(fā)電機(jī)空載特性

4 同步發(fā)電機(jī)的空載試驗(yàn)

根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，同步發(fā)電機(jī)可分為電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)兩類。電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流可以方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，其很多重要特性可以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁來(lái)測(cè)得。例如，空載特性、短路特性、零功率因數(shù)負(fù)載特性等。永磁同步發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)，很多適用于電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)方法無(wú)法應(yīng)用，給永磁同步發(fā)電機(jī)的性能和參數(shù)測(cè)試帶來(lái)了困難。因此，永磁發(fā)電機(jī)測(cè)試技術(shù)研究仍然是一個(gè)十分有意義的課題。

4.1 電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的空載試驗(yàn)

4.1.1 空載特性測(cè)試

空載特性是同步發(fā)電機(jī)的一條重要的基本特性。同步發(fā)電機(jī)的空載特性是指在保持同步轉(zhuǎn)速不變的條件下，其勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0與勵(lì)磁電流If間的關(guān)系，即E0=f(If)關(guān)系曲線，如圖7所示。

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

同步發(fā)電機(jī)的空載試驗(yàn)原理圖如圖8所示。圖中，M為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，G為被試同步發(fā)電機(jī)。需要給同步發(fā)電機(jī)配置合適的直流勵(lì)磁電源。電動(dòng)機(jī)M可以選用直流電動(dòng)機(jī)，也可選用與被試發(fā)電機(jī)完全相同的電機(jī)，使之運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，兩臺(tái)電機(jī)同軸連接，以便隨時(shí)保持同步轉(zhuǎn)速不變。

圖7 同步發(fā)電機(jī)空載特性

圖8 同步發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)原理

如果同步電動(dòng)機(jī)M本身沒有自起動(dòng)能力，可以采用輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)法，即選用容量為被試發(fā)電機(jī)額定容量10%～15%的直流電動(dòng)機(jī)或與同步電動(dòng)機(jī)極數(shù)相同的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來(lái)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)M。選用前者時(shí)，可采用準(zhǔn)同步起動(dòng)法，在滿足同步電動(dòng)機(jī)投入并網(wǎng)條件的情況下，才能將其投入電網(wǎng)運(yùn)行。選用后者時(shí)，首先用輔助電動(dòng)機(jī)將同步電動(dòng)機(jī)M拖動(dòng)到接近同步速，再利用自整步法將電動(dòng)機(jī)M投入電網(wǎng)。測(cè)取同步發(fā)電機(jī)空載特性的試驗(yàn)步驟如下所述。

(1)將開關(guān)K1與電網(wǎng)分?jǐn)?，起?dòng)電動(dòng)機(jī)M至被試發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。

(2)閉合幵關(guān)K2，給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If，使發(fā)電機(jī)空載電壓U0升至1.2～1.3倍額定電壓，并以此作為第一點(diǎn)，逐漸減小勵(lì)磁電流直至分?jǐn)嚅_關(guān)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(lì)磁電流的調(diào)節(jié)應(yīng)是單調(diào)下降的，以防止局部磁滯回線對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

4.1.2 空載損耗測(cè)定

(1)空載發(fā)電機(jī)法

被試發(fā)電機(jī)在原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下保持同步轉(zhuǎn)速空載運(yùn)行，其勵(lì)磁電流由獨(dú)立的直流電源供給，測(cè)取同步發(fā)電機(jī)不同空載電壓下的空載損耗。同步發(fā)電機(jī)實(shí)際空載運(yùn)行時(shí)，其輸出功率Pout=0，電樞繞組銅耗PCua=0。因此，發(fā)電機(jī)的空載損耗P0就是從軸上輸入的機(jī)械功率Pin，并將全部消耗在鐵損耗與風(fēng)摩損耗上，即P0=Pin=pFe+pFW?？蛰d試驗(yàn)時(shí)，機(jī)械功率PIN可用測(cè)功機(jī)或轉(zhuǎn)矩儀測(cè)量。空載損耗測(cè)定的具體試驗(yàn)步驟如下所述。

(1)起動(dòng)原動(dòng)機(jī)，在原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，使發(fā)電機(jī)保持同步轉(zhuǎn)速空載運(yùn)行。

(2)待軸承的摩檫損耗穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，在空載電壓U0=(0.2～1.25)UN范圍內(nèi)讀取測(cè)功機(jī)或轉(zhuǎn)矩儀測(cè)得的空載轉(zhuǎn)矩T0和轉(zhuǎn)速n(或Ω)共計(jì)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(yīng)發(fā)電機(jī)基本相同的方法將鐵損耗PFe和風(fēng)摩損耗pfw分離。

(2)空載電動(dòng)機(jī)法

被試電機(jī)在額定頻率下作空載電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，其外施電壓應(yīng)為實(shí)際可調(diào)的對(duì)稱電壓，勵(lì)磁電流由獨(dú)立的直流電源供給。試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使電樞電流為最小。具體試驗(yàn)方法與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)空載損耗測(cè)試基本相同。

4.2 永磁同步發(fā)電機(jī)的空載試驗(yàn)

永磁同步發(fā)電機(jī)的主磁場(chǎng)由永磁體建立，永磁發(fā)電機(jī)一旦制成后，其主磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)，電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)中需要通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)的各種試驗(yàn)方法己經(jīng)無(wú)法應(yīng)用。到目前為止，永磁同步發(fā)電機(jī)測(cè)試技術(shù)仍然是一個(gè)需要深入研究和不斷完善的課題。

永磁發(fā)電機(jī)作空載試驗(yàn)的目的無(wú)非有以下3點(diǎn):①檢驗(yàn)同步轉(zhuǎn)速時(shí)的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0與設(shè)計(jì)值的偏差是否在允許范圍內(nèi);②測(cè)取電機(jī)的空載損耗;③通過(guò)空載試驗(yàn)了解電機(jī)磁路的飽和程度是否與設(shè)計(jì)值一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用發(fā)電的類別依據(jù)上述所分析的空載測(cè)試方法及要求可以得出如下結(jié)論:

(1)空載特性可判定發(fā)電機(jī)主磁路設(shè)計(jì)的合理性，特別是額定電壓點(diǎn)的位置直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)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(jī)的效率?？蛰d損耗與負(fù)載損耗的分配比率還將影響到效率特性曲線的分布，對(duì)變速控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率特性將產(chǎn)生一定影響。

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