CN100498363C

CN100498363C - 同步电机参数测试方法

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Publication number: CN100498363C
Application number: CNB2006100633283A
Authority: CN
Inventors: 丘昌涛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2026-10-26
Also published as: CN1967278A

Abstract

本发明公开了一种同步电机参数测试方法，要解决的技术问题是实时测试同步发电机参数；本发明的方法包括以下步骤：选择识别，调入初值数据，确定静态交流试验，采样数据，识别计算。本发明与现有技术相比，在数据运算、图表显示、数据保存、历史数据分析上，与普通的识别仪器相比，实现了快速自动识别发电机参数，克服了采用微处理器储存器容量小的限制，通过网口与局域网内其它电脑连接，可在远程端实时监测到电机的各种运行或试验参数，利用打印机并口可以将图表、数据打印出来，便于作各种分析和研究，结构简单。

Description

同步电机参数测试方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统发电设备检测的方法，特别是一种大中型发电机参数的测试方法。

背景技术

同步发电机是电力系统的主要设备，其电路模型参数的准确程度，对电力系统的规划、运行、稳定计算、控制调整等都有重大影响。对发电机制造厂家来說，新机组出厂时需要做“型式试验”，其中包括测定发电机参数，以便提供给用户，同时校核设计参数。同步电机发明一百多年来，形成了测定参数的常规方法，如空载试验，三相短路试验、三相突然短路试验，零功率因数试验、二相对中点短路试验、二相短路试验、静态交流试验、直流衰减试验、电压恢复试验、滑差试验、抽出转子试验等。这些试验方法，一次只能测取一个或几个参数，要测得许多参数，需要做10个试验，历时数月，试验时间过长，花费大量的人力物力。近20多年来国内外对发电机参数测试的研究，主要集中在二个方面：一是在线识别，在发电机运行状态下加一个干扰信号，使其产生一个过渡过程，用计算机进行曲线拟合，识别发电机在该状态下的参数；二是静态频率响应法，对静止状态下的发电机施加不同频率的激励信号，由这些激励信号及其响应，识别发电机不饱和参数。由于受试验条件及设备的影响，其实际应用都受到很大限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种同步电机参数测试方法，要解决的技术问题是实时简便快速安全经济测试同步发电机参数，提高收敛速度，增强测试功能。

本发明采用以下技术方案：一种同步电机参数测试方法，包括以下步骤：一、启动同步电机参数测试装置，确定选择发电机参数识别；二、调入存储在计算机硬盘中的发电机额定值、自藕变压器和电流互感器的变比、定子绕组电阻、电流衰减初值数据；三、选择确定静态交流试验；四、对发电机单相A-B、B-C、C-A连接，进行采样数据，对发电机电压、电流、功率采样；采样数据时，对发电机单相A-B、B-C或C-A每一次连接采集数据后，暂存在数据采集模块中，发出暂停指令，此时人工进行发电机接线的换相操作，然后进行下一次采样，采样完毕，发出识别计算指令；五、识别计算，通过电路阻抗串并联，得到计算的端口阻抗，求取计算端口阻抗与试验端口阻抗之差，即电阻差的平方加电抗差的平方，再开方获得并给出结果。

本发明存储在硬盘中的发电机额定值、自藕变压器和电流互感器的变比、定子绕组电阻、电流衰减初值数据是应用于采用随机试验法，先进行随机统计试验，再转向随机方向寻优，获得待求参数。

本发明的方法给出结果采用存储在结果文件中、显示或打印的方式。

本发明的方法若不选择发电机参数识别，选择十个单项常规发电机特性试验的一个：空载试验、短路试验、零功率因数特性试验、滑差试验、零序阻抗试验、二相对中点试验、二相短路试验、电压恢复试验、三相突然短路试验、对准轴线的交流静态试验或转子温升试验；输入计算用的数据，在发电机试验数据采样后，发出计算指令，计算机进行曲线拟合，计算参数，得到结果后，结束测试。

本发明与现有技术相比，系统核心采用WINDOWS系统，因此在数据运算、图表显示、数据保存、历史数据分析上，与普通的识别仪器相比，极具优势，实现了快速自动识别发电机参数，克服了采用微处理器储存器容量小的限制，通过网口与局域网内其它电脑连接，可在远程端实时监测到电机的各种运行或试验参数，利用打印机并口可以将图表、数据打印出来，便于作各种分析和研究，结构简单。

附图说明

图1是使用本发明的同步电机参数测试装置连接架构图。

图2是本发明方法实施例的数据采集与控制流程图。

图3是本发明方法实施例的识别流程图。

图4是本发明同步电机参数测试装置实施例的识别器结构框图。

图5是本发明方法实施例的参数测试及智能特性试验流程图。

图6-1是本发明使用的发电机的直轴电路模型。

图6-2是本发明使用的发电机的交轴电路模型。

图7是本发明交流静态试验-NPIS法原理接线图。

图8是本发明直流衰减试验直轴原理接线图。

图9是本发明直流衰减试验交轴原理接线图。

图10是本发明的定子直流衰减曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。如图1所示，本发明的同步电机参数测试装置，将计算机通过RS485总线与数据采集模块连接，数据采集模块连接电压/电流变换器，电压/电流变换器接发电机外加电源，获取被测试发电机需测试的信号，计算机连接有打印设备，计算机与局域网内其它计算机连接时，可远程实时监测电机的各种运行或试验参数。

作为最佳实施例，本发明的同步电机参数测试装置，计算机采用笔记本式电脑，配置为P4-CPU、1.64GH、2MB，硬盘40GB、5400rpm，内存256MB，DDR2，LCD显示器14.1英寸，外接键盘和鼠标，操作系统采用WINDOWSXP，主板带有网口、USB端口、打印机并口、RS232及RS485端口。数据采集模块采用ADAM4017+，它是8通道的电压/电流采集器，能够准确地将+/-10V、0～20mA模拟量信号转变为计算机能识别的数字信息。电压变换采用YXY300V/7.07V，0.1级精密型电压变换器PT，电流变换采用YXL5A/10V，0.1级精密型电流变换器CT，电压/电流变换器将来自同步发电机的电压/电流信号转换成0～10V弱电信号。

本发明的同步电机参数测试装置实施例配置的使用环境为：AC电源：220V，50HZ，经变换为DC电源或采用电池；交流电压输入信号≤300V；交流电流输入信号≤5A；直流衰减试验输入信号≤100mV；使用环境温度范围：0～45℃。

如图2和图7所示，作静态交流试验时，测量信号为交流电压和电流，将发电机外加交流电压经AT降至<300V，电流经CT降至<5A，分别经电压与电流变换器，变换为0～10V弱电压信号，然后传送到模拟量电压/电流数据采集模块，再经转换器将信号传递至计算机。作直流衰减试验、空载短路试验、零功率因数特性试验、电压恢复试验、二相对中点试验、二相短路试验、转子温升试验、三相突然短路试验，采集发电机的转子或定子的直流电压/直流电流信号，采用分流器、分压器或直流隔离传感器，将发电机实际直流DC信号变换为<100mV的弱电压信号，传送到数据采集模块，再经转换器将信号传递至计算机。做直流衰减试验，短路定子绕组，给出控制信号，输入到数据采集模块，用来启动衰减DC通道的数据采样同步。

本实施例采用8通道的数据采集模块，实际中只用了5个通道，余下通道是为开发其它试验法识别参数备用的，如三相突然短路试验测试。

如图6-1、6-2所示，发电机的直轴(d轴)和交轴(q轴)电路简化为串联、并联的电阻和电感连接模型，本发明的同步电机参数测试方法要测定的参数就是电路中的电阻和电抗，称为发电机的基本参数。

如图7所示，来自发电机端的外加220-380V交流电压/电流，经自藕变压器AT及电流互感器CT变换后，电压<300V，电流<5A，被引到同步电机参数识别器NPIS的电压变换器YXY和电流变换器YXL的原边。

如图3所示，引自发电机的电压/电流经AT/CT变换后，电压<300V及电流<5A，经过同步电机参数测试装置内的变换器YXY/YXL转换成0～10V的弱信号，此信号被送至数据采集模块的通道中，计算机的CPU控制其实时地通过数据总线RS485与数据采集模块相通信，即实时地读取经数据采集模块转换后的数字信息，存放在硬盘数据文件DATA中，如需要也可以图表方式显示在显示器上或打印出来。以交流AC静态试验为例来具体说明测试过程：

1.如图7所示，发电机转子静止，励磁绕组短路，定子三相绕组A-B、B-C、C-A轮流通以单相交流电压/电流；

2.把各次共三次测得的电压经自藕变压器AT降到<300V，电流信号经电流互感器CT降到<5A，引至识别器内的电压/电流变换器，变换为0-10V的弱电压信号；

3.将0-10V的电压/电流信号传送到数据采集模块，经转换送到计算机，计算机初始化数据采集模块参数，在接到数据采集模块的信号后，读取信号，并判断是否转换成数字信号，如果是即存储到硬盘DATA文件，通过图表在显示器显示出来；若读取信号后没有完成数据转换，则返回上一步骤重新读取；

4.计算机从储存器中取测量的数据，作优化识别计算：由交流静态试验的三次单相试验，可得到三组电压、电流、功率，求出三组电阻、电抗，从而求得d/q轴电路模型端口阻抗Z_D0和Z_Q0；另一方面，随机取模型电路各支路一组基本参数值电阻、电抗，由简单的电路阻抗串并联计算，可得到计算的端口阻抗Z_D和Z_Q，求取计算端口阻抗与试验端口阻抗之差，即电阻差的平方加电抗差的平方，再开方；下一步，再随机选另一组基本参数值求取计算端口阻抗及误差；一次次这样计算，拾弃误差较大的基本参数，保留误差最小的基本参数，直到误差在设定的容许值内，且满足设定的约束条件的基本参数值，就是要求的基本参数，即解。随机选取参数要用随机数发生器，它是一个计算机子程序。电机参数的模型和识别算法执行程序存放在计算机硬盘上，发电机的额定数据及其他有关计算用的数据也预先存储在硬盘上，根据不同的试验方法及数据要求，在试验开始前确定并由键盘/光盘输入，识别时自动调用，进行计算，最后求得发电机的基本参数，其中有7个d轴基本参数，5个q轴基本参数；因为d轴和q轴的Ra、Xl相同，故只有10个独立的基本参数。即：

定子绕组电阻Ra，定子绕组漏抗X₁，d轴电枢反应电抗X_ad，励磁绕组电阻R_ffd，励磁绕组漏抗X_fd1，d轴阻尼绕组电阻R_1d，d轴阻尼绕组漏抗X_1d1；q轴电枢反应电抗X_aq，q轴阻尼绕组电阻R_1q，q轴阻尼绕组漏抗X_1q1。

5.由同步电机理论，可得到基本参数与导出参数的关系，从而计算出14个导出参数与时间常数：即d轴同步电抗X_d、d轴暂态电抗X_d’、d轴次暂态电抗X_d”、励磁绕组总电抗X_ffd、d阻尼绕组总电抗X_11d、q轴同步电抗X_q、q轴阻尼绕组总电抗X_11q、q轴次暂态电抗X_q”、负序电抗X₂、励磁绕组时间常数T_d0、d轴暂态时间常数T_d’、d轴次暂态时间常数T_d”、定子绕组和励磁绕组均开路时d轴阻尼绕组的时间常数T_1d0、定子绕组短路时q轴阻尼绕组的时间常数T_q″。试验约需1小时，而识别计算仅需几秒钟。

6.按设定的格式形成试验报告文件，存储、显示或打印。

由于采用WINDOWSXP操作系统，因此本发明的同步电机参数测试装置在数据运算、图表显示、数据保存、历史数据分析上，实现了快速自动识别发电机参数。同时本装置还可通过网口与局域网内其它计算机连接，可在远端实时监测到电机的各种运行或试验参数，利用打印机并口可以将图表、数据打印出来，便于作各种分析和研究。

如图4所示，本发明的同步电机参数测试装置采用了P4-CPU的笔记本式计算机，操作人员通过键盘/鼠标发出指令控制I/O设备、内存储器、运算器的运行。

如图5所示，本发明的同步电机参数测试方法，包括以下步骤：一、启动同步电机参数测试装置；二、确定选择发电机参数识别方法；三、调入存储在硬盘DATA文件中的发电机额定值、自藕变压器AT和电流互感器CT的变比、定子绕组电阻、电流衰减初值数据；四、识别算法采用随机试验法，首先进行随机统计试验，需要给定参数的一个可靠的搜索范围，在此范围内去寻找较好的解，例如，水轮发电机的电枢反应电抗Xad，凭经验知其值大概等于1，就可给定其范围是0.7-1.05，其上限为1.05，下限为0.7；其余参数类似给定。随机统计试验范围，也可根据发电机的设计参数值，由计算机执行时调用形成。参数的上、下限及设计值试验前经键盘/光盘输入，存放在硬盘上的数据文件中。要不要给定上下限，由试验人员在试验前输入设定，如果需要，则计算机从数据文件中调入上、下限参数，否则从数据文件DATA调入发电机参数设计值。正常的参数测试，是由发电机参数的设计值形成随机试验范围，当设计值难于取得时，可以给定一个较可靠的参数的上、下限，在设定的范围内首先进行随机统计试验，获得较好的解，再转向随机方向寻优；五、选择确定静态交流试验；六、确定是静态交流试验，可用键盘或鼠标点击显示器有关图标设置，对发电机静态试验单相A-B、B-C、C-A连接每一次数据(电压、电流、功率)采样后，暂存在数据采集模块中，并手动发出暂停指令，此时工人进行发电机接线的换相操作，然后进行下一次采样，采样完毕，手动发出识别计算指令，装置进行采样数据处理，送到计算机硬盘上指定DATA的文件中，接着进行识别计算，从硬盘数据文件中调用交流静态试验数据，进行识别计算，给出结果，存储在结果文件中，同时显示或打印出来；如确定不是静态交流试验，就预先在硬盘控制数据文件中设置直流衰减试验数据：发电机的额定值、衰减电流初值、参数设计值或参数上下限、定子电阻，数据采样后，计算机识别装置从硬盘数据文件中调用直流衰减试验数据，进行优化识别计算，具体过程为：

1.如图8或图9所示，发电机转子静止，励磁绕组短路，定子三相绕组连接成定子与转子对准D轴或Q轴试验。

2.合上开关K1，在定子绕组中通入直流电流Io≤5％额定电流；合上开关K2，同时断开K1，发出控制同步信号到衰减直流通道，启动数据采样，如图10所示，直流衰减曲线IA(t)的定子电流随时间呈衰减状态。

3.发电机的DC衰减信号，经分流器变为<100mV的弱电信号送到数据采集模块，经过转换送到计算机，存储在硬盘指定DATA文件中。

4.计算机识别，从储存器中取测量的数据，进行优化识别计算：发电机参数的模型和识别算法的执行命令存放在计算机硬盘文件中，发电机的额定数据及其他有关计算用的数据也预先存储在硬盘上，根据DC试验方法及数据要求，在试验开始前确定，通过光盘或键盘输入，进行直流衰减试验识别。

如图10所示，由静态直流DC衰减试验，可求得直轴/交轴(d/q轴)定子电流衰减曲线IA(t)；另一方面，我们可以由计算得出另一条DC衰减曲线，由同步电机理论，此时发电机基本方程式可写成状态方程形式，在给定电路参数、给定初值Io的条件下，状态方程有确定解，用4阶龙格-库塔法解状态方程，得出一条计算的DC衰减曲线IB(t)。由试验曲线与计算曲线的差方之和(误差)，说明计算曲线与试验曲线的拟合程度，如二条曲线完全拟合，即误差近为零，所选的参数即等于实际参数，即解。一次次计算，拾去误差较大的解，保留最小误差的解，直到误差最小，二条曲线完全拟合，且参数满足设定的约束条件，就得到待求的d轴7个基本参数，即最优解。如图9所示，变更发电机绕组接线，使定子d轴与转子q轴对准，与上述识别过程类似，求得q轴5个基本参数。因为d、q轴的定子电阻Ra、定子漏抗Xl相同，共有10个基本参数：定子绕组电阻Ra，定子绕组漏抗X₁，d轴电枢反应电抗X_ad，励磁绕组电阻R_ffd，励磁绕组漏抗X_fd1，d轴阻尼绕组电阻R_1d，d轴阻尼绕组漏抗X_1d1；q轴电枢反应电抗X_aq，q轴阻尼绕组电阻R_1q，q轴阻尼绕组漏抗X_1q1。

5.由同步电机理论，可得到基本参数与导出参数的关系，从而计算给出14个导出参数与时间常数：即

d轴同步电抗X_d、d轴暂态电抗X_d’、d轴次暂态电抗X_d”、励磁绕组总电抗X_ffd、d阻尼绕组总电抗X_11d、q轴同步电抗X_q、q轴阻尼绕组总电抗X_11q、q轴次暂态电抗X_q”、负序电抗X₂、励磁绕组时间常数T_d0、d轴暂态时间常数T_d’、d轴次暂态时间常数T_d”、定子绕组和励磁绕组均开路时d轴阻尼绕组的时间常数T_1d0、定子绕组短路时q轴阻尼绕组的时间常数T_q″.试验约需1小时，而识别计算仅需几秒钟。

6.自动按规定的格式形成试验报告文件，存储、显示或打印。

七、结束测试。

在启动同步电机参数测试装置后，若不选择发电机参数识别，则根据要做的试验，选择控制文件中十个单项常规发电机特性试验的一个：空载试验、短路试验、零功率因数特性试验、滑差试验、零序阻抗试验、二相对中点试验、二相短路试验、电压恢复试验、三相突然短路试验、对准轴线的交流静态试验或转子温升试验。然后输入计算用的数据，存放在硬盘数据文件中。在发电机试验数据采样后，发出计算指令，计算机进行曲线拟合，计算参数，得到结果后，结束测试。从测试数据输入，到数据处理，到得出结果，均由计算机完成，故称智能特性试验。

例如智能空载特性试验，在控制文件中键入选择‘非识别’‘其他试验’‘1’。采样信号有转子励磁电流(DC)和定子电压(AC)数据，经分流器将励磁电流信号降到<100mV输入到数据采集模块、定子电压经自藕变压器AT将电压降低到<300V，输入到YXY，降低为0-10V弱电信号，输入到数据采集模块。改变励磁电流Ifd，测量对应的定子电压Eo，如此约需测量6-7点，再经转换送到计算机硬盘的数据文件存储。得出的一条曲线Eo＝f(Ifd)是空载特性曲线；由采样得来的是一组离散点，识别计算程序准备了‘曲线拟合子程序’，应用函数拟合技术，建立一个多项式模型，在直线段用一条直线表示，在饱和段用一条二次曲线表示，从空载试验测得的N组数组，可确定二次曲线的系数，并用最小二乘法进行曲线拟合，最后得到一条平滑的空载特性曲线Eo＝f(Ifd)，进行显示，或打印，存储，结束试验。如再做了短路试验，就可计算出直轴同步电抗Xd和短路比SCR。其他试验的过程，类似进行，只是采集的数据不同，处理数据不同。

利用本发明的方法，由空载短路试验，求得d轴同步电抗Xd及短路比SCR；由空载、短路、零功率因数试验求得保梯电抗Xp；由滑差试验求得d轴同步电抗Xd和q轴同步电抗Xq；由零序阻抗试验求得零序电阻Ro和零序电抗Xo；由二相对中点短路试验求得参数Xo、Ro；由二相短路试验求得负序电抗X2；由对准轴线的AC静测法求得d轴次暂态电抗Xd”及q轴次暂态电抗Xq”；由三相突然短路试验求得d轴次暂态电抗Xd”、d轴暂态电抗Xd’、d轴同步电抗Xd，及时间常数Tdo、Td’、Td”；由电压恢复试验求得d轴暂态电抗Xd’、时间常数Tdo；可以做转子温升试验，给出转子温升T。得到结果后，或显示、或打印、存储，结束测试。

本发明的同步电机参数测试方法可测定同步电机直轴/交轴(d/q轴)电路模型中的十个基本参数和十四个导出参数及时间常数。可以扩大测定发电机d轴饱和参数：转子静止状态下，在励磁绕组中通进励磁电流，使直轴磁路到饱和状态，按照AC静态试验方法，测出该饱和状态下的D轴饱和参数，变更励磁电流，即变更饱和程度，又测出另一组饱和参数。从几次变更励磁电流Ifd测得的参数Xad，可作出一条Xad＝f(Ifd)曲线。发电机实际运行时的饱和参数Xad，就可以从曲线上找出，只需确定该运行状态下的气隙磁势(用Ifd表示)，在曲线上找到对应的Xad。

本发明的同步电机参数测试装置结构简单，体积小，重量轻，CPU及硬盘储存量大，可以对各种容量的同步电机的参数进行测试。试验方法简单，对人员、机组和机组运行均无危险，测试速度快，模型精确，收敛性能好，抗干扰能力强，一次试验即可获得被试发电机的全部参数，大大缩短测试时间，机组可及早投入运行。提高了工效，节约测试能耗和其它费用，指导机组增容改造，可收到很大的经济效益和社会效益。

Claims

1.一种同步电机参数测试方法，包括以下步骤：一、启动同步电机参数测试装置，确定选择发电机参数识别；二、调入存储在计算机硬盘中的发电机额定值、自藕变压器和电流互感器的变比、定子绕组电阻、电流衰减初值数据；三、选择确定静态交流试验；四、对发电机单相A-B、B-C、C-A连接，进行采样数据，对发电机电压、电流、功率采样；采样数据时，对发电机单相A-B、B-C或C-A每一次连接采集数据后，暂存在数据采集模块中，发出暂停指令，此时人工进行发电机接线的换相操作，然后进行下一次采样，采样完毕，发出识别计算指令；五、识别计算，通过电路阻抗串并联，得到计算的端口阻抗，求取计算端口阻抗与试验端口阻抗之差，即电阻差的平方加电抗差的平方，再开方获得并给出结果。

2.根据权利要求1所述的同步电机参数测试方法，其特征在于：所述存储在硬盘中的发电机额定值、自藕变压器和电流互感器的变比、定子绕组电阻、电流衰减初值数据是应用于采用随机试验法，先进行随机统计试验，再转向随机方向寻优，获得待求参数。

3.根据权利要求1所述的同步电机参数测试方法，其特征在于：所述给出结果采用存储在结果文件中、显示或打印的方式。

4.根据权利要求1所述的同步电机参数测试方法，其特征在于：所述启动同步电机参数测试装置后，若不选择发电机参数识别，选择十个单项常规发电机特性试验的一个：空载试验、短路试验、零功率因数特性试验、滑差试验、零序阻抗试验、二相对中点试验、二相短路试验、电压恢复试验、三相突然短路试验、对准轴线的交流静态试验或转子温升试验；输入计算用的数据，在发电机试验数据采样后，发出计算指令，计算机进行曲线拟合，计算参数，得到结果后，结束测试。