永磁同步發(fā)電機加載方法研究

(中車永濟電機有限公司，山西永濟 044502)

0 引言

相對電勵磁同步發(fā)電機，永磁同步發(fā)電機由于省去了勵磁繞組和容易故障的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)較為簡單，加工和裝配費用少，運行更為可靠[1]。永磁同步發(fā)電機具有相對體積小，功率質(zhì)量比高等眾多優(yōu)點，其應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，如航空航天用主發(fā)電機，汽車、拖拉機用發(fā)電機、風(fēng)力發(fā)電機、小型水力發(fā)電機、小型內(nèi)燃發(fā)電機機組廣泛使用各種類型的永磁同步發(fā)電機。但是，永磁同步發(fā)電機制成后難以調(diào)節(jié)其磁場以控制其輸出電壓和功率因數(shù)[1]，輸出功率因數(shù)完全由負載決定。現(xiàn)有文獻中提出的通過單位功率因數(shù)控制方法實現(xiàn)永磁電機按照需要功率因數(shù)運行[2]等方法均是采用改變控制策略完成對功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，對于試驗現(xiàn)場無配套變頻器的情況，無法通過改變控制策略實現(xiàn)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。由于永磁同步電機負載試驗項目通常采用直接負載法進行，因此選擇合適的負載設(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)互饋對拖型 ；(3)能量回饋型。其中,能量消耗型需要采用功率電阻消耗發(fā)電機的有功功率，需要采用電抗器或者電容器消耗發(fā)電機的無功功率,系統(tǒng)龐大,控制復(fù)雜,能量消耗嚴(yán)重 。互饋對拖型包括兩種 : 共用交流母線型和共用直流母線型[3]。互饋對拖型加載方式需要兩臺與被試同步發(fā)電機配套的變頻器。能量回饋型需要同步電動機、直流發(fā)電機及并網(wǎng)裝置。本文通過對永磁同步發(fā)電機負載試驗不同加載方法的分析,結(jié)合公司現(xiàn)有試驗設(shè)備，對某型號345kW永磁同步發(fā)電機制定一套可行的加載方案，通過分析計算，結(jié)合現(xiàn)有文獻中對電網(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負載搭建試驗系統(tǒng)來實現(xiàn)對輸出功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，并通過試驗驗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

本文被試電機為某型號345kW永磁同步發(fā)電機，其基本參數(shù)見表1。

表1 被試永磁同步發(fā)電機基本參數(shù)

由于被試永磁同步發(fā)電機功率為345kW，功率較大，若采用電阻消耗法加載能源浪費極其嚴(yán)重。此外，公司現(xiàn)有電阻柜為額定電壓380V的低壓電阻，無配套高壓電阻負載。若采用互饋對拖型加載方式需要兩臺與被試同步發(fā)電機配套的變頻器，公司現(xiàn)有試驗設(shè)備無配套的變頻器。為了滿足試驗要求，利用公司現(xiàn)有設(shè)備資源完成該電機試驗項目，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)中直流電動機M1、M2由兩套ABB直流傳動DCS800(U1、U2)供電，通過齒輪箱GB1耦合組成拖動機組，用以拖動被試永磁同步發(fā)電機GS。直流電動機M1、M2參數(shù)見表2。

表2 直流電動機M1、M2參數(shù)

直流發(fā)電機G1、G2通過齒輪箱GB2組成加載機組，并由兩臺ABB直流傳動DCS800(U3、U4)將電能回饋電網(wǎng)，用于陪試永磁同步電機MS加載。直流發(fā)電機G1、G2參數(shù)見表3。MS與GS為同一規(guī)格的永磁同步電機，該電機運行于電動工況。

表3 直流電動機M1、M2參數(shù)

試驗時，電網(wǎng)經(jīng)10KV/690V變壓器(Q1、Q2)后為兩套ABB直流傳動DCS800(U1、U2)供電，拖動直流電動機M1、M2旋轉(zhuǎn)。為了保證兩臺直流電機經(jīng)齒輪箱機械耦合負載運行時電流均勻平衡，直流傳動間采用了主從控制模式。拖動機M1、M2經(jīng)過齒輪箱GB1耦合驅(qū)動被試永磁同步發(fā)電機GS旋轉(zhuǎn)并發(fā)電。永磁同步發(fā)電機GS為永磁同步電動機MS供電，驅(qū)動永磁同步電動機MS旋轉(zhuǎn)。直流發(fā)電機G1、G2經(jīng)齒輪箱GB2與電機MS機械連接，提供系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩，并通過兩套ABB直流傳動DCS800(U3、U4)實現(xiàn)能量回饋。被試永磁同步發(fā)電機加載系統(tǒng)實物如圖2所示。

圖2被試永磁同步發(fā)電機加載系統(tǒng)實物圖

2 功率因數(shù)調(diào)節(jié)

在加載系統(tǒng)中，永磁同步發(fā)電機是唯一的有功電源，同時也是無功電源，其在額定狀態(tài)下運行時，既要發(fā)出有功功率又要發(fā)出無功功率。由于永磁同步發(fā)電機發(fā)出感性無功功率，需要在永磁同步發(fā)電機輸出端連接電感負載以吸收感性無功功率，通過調(diào)節(jié)感性負載的大小來實現(xiàn)永磁同步發(fā)電機功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。常用的感性負載有電抗器、三相感應(yīng)調(diào)壓器、空載運行的三相異步電動機[6]。結(jié)合公司現(xiàn)有的試驗設(shè)備，試驗現(xiàn)場沒有能與被試永磁同步發(fā)電機匹配的多抽頭電抗器，三相感應(yīng)調(diào)壓器容量為3150kVA，經(jīng)過計算三相感應(yīng)調(diào)壓器電感調(diào)節(jié)至最大時，被試永磁同步發(fā)電機仍處于過載狀態(tài)，負載試驗無法進行。但是試驗現(xiàn)場有各種規(guī)格的三相異步電動機，鑒于實際試驗設(shè)備情況，本文中的加載系統(tǒng)計算選擇合適的三相異步電動機空載運行實現(xiàn)永磁同步發(fā)電機無功功率的調(diào)節(jié)。

永磁同步發(fā)電機功率因數(shù)與輸出有功功率、無功功率的關(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—無功功率，kVar。

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

(3)

由式(3)可以計算出被試永磁同步發(fā)電機在額定負載工況下其發(fā)出的無功功率，通過試驗測試系統(tǒng)在額定有功功率且沒有無功吸收設(shè)備工況下的無功功率，兩者的總和即為感性負載需要吸收的總無功功率。

按圖1所示的加載方法對永磁同步發(fā)電機進行加載，至輸出有功功率345kW，采用WT1800功率分析儀在永磁同步發(fā)電機輸出端測量的各電性能參數(shù)，得到不進行功率因數(shù)調(diào)節(jié)時永磁同步發(fā)電機的性能參數(shù)如圖3所示，測量的電氣參數(shù)數(shù)值見表4。

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

由表4測試數(shù)據(jù)可知，永磁同步發(fā)電機功率因數(shù)為0.9984，吸收無功功率Q1=19.87kvar。由表1可知，被試電機的額定功率因數(shù)為0.95。由式(3)額定工況運行時，永磁同步發(fā)電機需要發(fā)出無功功率為

=112.88kVar

感性負載需要吸收的總無功功率為

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

選擇一款三相異步電動機，其基本參數(shù)及其在1500V，120Hz下實測空載數(shù)據(jù)見表5。

表5 三相異步電動機基本參數(shù)及實測空載數(shù)據(jù)

從表5中數(shù)據(jù)可知，該三相異步電動機在1500V，120Hz下空載運行時，單臺電機吸收的無功功率為

=44.02kVar

單臺三相異步電動機吸收無功功率為44.02kVar，加載系統(tǒng)所需吸收的無功功率為132.75kVar，需要采用三臺三相異步電動機空載運行吸收無功功率才能調(diào)節(jié)到所需功率因數(shù)，本文加載系統(tǒng)采用三臺三相異步電動機并聯(lián)，并采用接觸器分別控制每臺電機的閉合及斷開，即可吸收磁同步發(fā)電機發(fā)出無功功率,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 試驗驗證

圖4中M5、M6、M7為三臺相同規(guī)格的三相異步電動機，并聯(lián)在永磁同步發(fā)電機輸出端空載運行。對永磁同步發(fā)電機進行加載至輸出有功功率345kW，得到進行功率因數(shù)調(diào)節(jié)時永磁同步發(fā)電機的性能參數(shù)如圖5所示，測量的電氣參數(shù)數(shù)值見表6。

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

由表6可知，永磁同步發(fā)電機輸出端連接三臺三相異步電動機空載運行后，其負載功率因數(shù)為0.9557，發(fā)出無功功率105.99kvar。

對比試驗數(shù)據(jù)和理論分析計算可知采用三相異步電動機并聯(lián)至永磁同步發(fā)電機輸出端后，其負載功率因數(shù)與計算值存在偏差，主要有以下原因：(1)計算選擇的三相異步電動機，空載功率因數(shù)較低，其測量值存在一定偏差；(2)永磁同步發(fā)電機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)的負載下，其電壓調(diào)整率存在差異。

4 結(jié)語

本文提出的永磁同步發(fā)電機加載方法，以加載機組能量回饋方式實現(xiàn)了永磁同步發(fā)電機負載有功功率的無級可調(diào)，同時選擇合適的三相異步電動機空載運行實現(xiàn)永磁同步發(fā)電機無功功率的調(diào)節(jié)，充分利用試驗現(xiàn)場現(xiàn)有設(shè)備，減少了額外的設(shè)備投資。本文的研究對于永磁同步發(fā)電機在設(shè)備限制的情況下實現(xiàn)加載系統(tǒng)的搭建及負載功率因數(shù)計算和調(diào)節(jié)具有一定的參考意義。