永磁同步發電機加載方法研究

(中車永濟電機有限公司，山西永濟 044502)

0 引言

相對于電勵磁同步發電機來說，永磁同步發電機由于省去了勵磁繞組和容易故障的集電環和電刷，結構較為簡單，加工和裝配費用少，運行更為可靠[1]。永磁同步發電機具有相對體積小，功率質量比高等眾多優點，其應用領域廣闊，如航空航天用主發電機，汽車、拖拉機用發電機、風力發電機、小型水力發電機、小型內燃發電機機組廣泛使用各種類型的永磁同步發電機。但是，永磁同步發電機制成后難以調節其磁場以控制其輸出電壓和功率因數[1]，輸出功率因數完全由負載決定。現有文獻中提出的通過單位功率因數控制方法實現永磁電機按照需要功率因數運行[2]等方法均是采用改變控制策略完成對功率因數的調節，對于試驗現場無配套變頻器的情況，無法通過改變控制策略實現功率因數的調節。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備滿足功率因數要求是最有效可行的方法。到目前為止 ,變頻傳動系統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,能量消耗型需要功率電阻消耗發電機的有功功率，需要電抗器或者電容器消耗電機的無功功率,系統龐大,控制復雜,能量消耗嚴重 。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電機配套的變頻器。能量回饋型需要同步電動機和直流發電機及并網裝置。本文通過對永磁同步發電機負載試驗不同加載方法的分析,結合公司現有試驗設備，對某型號345kW永磁同步發電機制定一套可行的加載方案，通過分析計算，結合現有文獻中對電網功率因數調節的方法討論[4～5]，選擇滿足要求的試驗負載搭建試驗系統來實現對輸出功率因數的調節，并通過試驗驗證本文制定的加載方案的可行性。

1 系統組成及工作原理

本文被試電機為某型號345kW永磁同步發電機，其基本參數見表1。

表1 被試永磁同步發電機基本參數

由于被試永磁同步發電機功率為345kW，功率較大，采用電阻消耗法加載能源浪費極其嚴重，公司現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電機配套的變頻器，公司現有試驗設備無配套的變頻器。為了滿足試驗要求，利用公司現有設備資源完成該電機試驗項目，制定了一套現有設備能力下的加載方案，加載系統組成如圖1所示。

圖1加載系統組成圖

加載系統中直流電動機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電機GS。直流電動機M1、M2參數見表2。

表2 直流電動機M1、M2參數

直流發電機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，用于陪試永磁同步電機MS加載。直流發電機G1、G2參數見表3。MS與GS為同一規格的永磁同步電機，該電機運行于電動工況。

表3 直流電動機M1、M2參數

試驗時，電網經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。為了保證兩臺直流電機經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經過齒輪箱GB1耦合驅動被試永磁同步發電機GS旋轉并發電。永磁同步發電機GS為永磁同步電動機MS供電，驅動永磁同步電動機MS旋轉。直流發電機G1、G2經齒輪箱GB2與電機MS機械連接，提供系統負載轉矩，并通過兩套ABB直流傳動DCS800(U3、U4)實現能量回饋。被試永磁同步發電機加載系統實物如圖2所示。

圖2被試永磁同步發電機加載系統實物圖

2 功率因數調節

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

永磁同步發電機功率因數與輸出有功功率、無功功率的關系如下

(1)

Q=S×sinφ

(2)

式中，cosφ—功率因數；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、功率因數關系為

(3)

由式(3)可以計算出被試永磁同步發電機在額定負載工況下其發出的無功功率，通過試驗測試系統在額定有功功率且沒有無功吸收設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電機輸出端測量的各電性能參數，得到不進行功率因數調節時永磁同步發電機的性能參數如圖3所示，測量的電氣參數數值如表4所示。

圖3無功率因數調節工況永磁同步發電機電性能參數

表4無功率因數調節工況電氣參數測量值

參數數值參數數值電壓(V)1644.8電流(A)120.88頻率(Hz)119.93功率因數0.9984有功功率(kW)-343.81無功功率(kVar)19.87

從表4中數據可知，永磁同步發電機功率因數為0.9984，吸收無功功率Q1=19.87kWar。由表1可知，被試電機的額定功率因數為0.95。由式(3)額定工況運行時，永磁同步發電機需要發出無功功率為

=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，其基本參數及其在1500V，120Hz下實測空載數據見表5。

表5 三相異步電動機基本參數及實測空載數據

從表5中數據可知，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節到所需功率因數，本文加載系統采用三臺三相異步電動機并聯，并采用接觸器分別控制每臺電機的閉合及斷開，即可吸收磁同步發電機發出無功功率,系統組成如圖4所示。

圖4功率因數調節系統圖

3 試驗驗證

圖4中M5、M6、M7為三臺相同規格的異步電動機，并聯在同步發電機輸出端空載運行。對永磁同步發電機進行加載至輸出有功功率345kW，得到進行功率因數調節時永磁同步發電機的性能參數如圖5所示，測量的電氣參數數值如表6所示。

圖5功率因數調節工況永磁同步發電機電性能參數

表6 功率因數調節工況電氣參數測量值

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

對比試驗數據和理論分析計算可知，選折的三相異步電動機并聯至永磁同步發電機輸出端后，其負載功率因數于計算值存在偏差，主要由以下原因：(1)計算選擇三相異步電動機，空載功率因數較低，其測量值存在一定偏差；(2)永磁同步發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，在不同功率因數負載下，其電壓調整率存在差異。

4 結語

本文提出的永磁同步發電機加載方法，以加載機組能量回饋實現了永磁同步發電機負載有功功率的無級可調，同時選擇合適的異步電動機空載運行實現永磁同步發電機無功功率的調節，充分利用試驗現場現有設備，減少了額外的設備投資。本文的研究對于永磁同步發電機在設備限制的情況下實現加載系統的搭建及負載功率因數計算和調節具有一定的參考意義。