CN109633443B - 一种适合于自励磁大型同步电机空载特性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合于自励磁大型同步电机的空载特性测量方法，该方法根据机端电压、机端电流与同步电抗计算得到精确的电机反电势，无需额外配备他励励磁机以保证机端的完全空载状态，直接利用电机自身的励磁系统即可实施测量；同时通过将机端电压折算为额定频率下的电压值，不要求电机转速稳定在额定值，有效降低了测量难度；在计算反电势的过程中，本发明提出的方法充分考虑了励磁电流较大时电抗的饱和效应，使得计算得到的反电势更加准确，同时可以获得考虑饱和后的电机d、q轴同步电抗变化曲线，有助于电机控制等其他方面的研究。

Description

一种适合于自励磁大型同步电机空载特性测量方法

技术领域

本发明属于电机试验技术领域，更具体地，涉及一种自励磁大型同步电机空载特性测量方法。

背景技术

同步电机的空载特性对检验电机制造与设计具有重要意义，同时表征了电机电感的饱和特性，对其稳定性分析同样至关重要。因此，空载特性试验是电机出厂和运输到安装现场后必须开展与考核的性能试验之一。

现有的空载特性测量均按照国家标准GB/T 1029-2005所推荐的方法来进行，此方法要求电机处于额定转速，且采用他励励磁系统以保证机端的完全空载状态，通过不断增大或从一定的值开始减小电机的励磁电流，获得电枢端反电势与励磁电流的关系，从而得到空载特性曲线。

然而，上述标准空载测量方法中要求的条件相对严格，特别是要求测量时电机必须以他励励磁，而现有大型同步电机多采用从机端取电的自励磁方式，例如静态自并励、静态自复励系统等，这使得如若要在安装现场进行空载特性试验，则必须配备具有足够容量与电压等级的他励励磁系统，极大地增加了试验设备的准备难度。另外，对于采用变频器起动的大型同步电动机，例如大型调相机与大型抽水蓄能电机，进行空载试验时必须要切除变频器，这要求必须配备一台原动机来稳定电机转速处于额定值。并且，对于大型水轮发电机，其转速由水轮机决定，在正常情况下，水流速已经波动较大，因此很难保证电机稳定地处于额定转速，这造成测量得到的空载特性误差较大。

因此，提出适合于自励磁系统大型同步电机的空载特性测量方法具有很重要的工程意义，以克服现有空载特性试验方法的限制条件。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种适合于自励磁大型同步电机的空载特性测量方法，该方法不要求测量时电机转速的稳定，同时不需要额外配备他励励磁机或临时电源，可以得到精准的反电势与励磁电流的关系。

为实现上述目的，本发明提供的一种适合于自励磁大型同步电机的空载特性测量方法，包括：

(1)电机转速升高到一定值时，使电机依靠自身的机械惯性自然滑行减速；

(2)控制电机励磁电流从最大值均匀地分段减小至0，每段励磁电流减小到设定值时在一段时间内保持稳定；

(3)在所述一段时间内测量电机的励磁电流、机端电压、机端电流和电机转速；

(4)利用所述电机转速和机端电压，计算得到额定频率下的机端电压；

(5)计算每段励磁电流稳定时电机d轴和q轴的同步电抗；

(6)利用所述机端电流、额定频率下的机端电压和同步电抗计算电机反电势，得到所述励磁电流与反电势的关系。

优选地，所述步骤(1)中所述转速达到80％额定转速时，使电机依靠自身机械惯性自然滑行减速。

优选地，所述步骤(2)中所述最大值为定子电压为1.3倍额定电压时对应的电流值，所述分段的个数为10至20个，所述一段时间为5至10秒。

进一步地，所述步骤(5)中所述计算每段励磁电流稳定时电机d轴和q轴的同步电抗的方法如下：

每段励磁电流稳定时，由于电机惯性较大，可认为电机处于准稳态状态，磁链与电压方程如下：

ψ_d＝X_di_d+X_adI_fi

ψ_q＝X_qi_q

v_d＝-ω_iψ_q+r_si_d

v_q＝ω_iψ_d+r_si_q

ψ_d为d轴磁链，ψ_q为q轴磁链，v_d为d轴电压，v_q为q轴电压，X_d为d轴同步电抗，X_q为q轴同步电抗，X_ad为d轴电枢反应电抗，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，I_fi为第i段励磁电流稳定时测量的励磁电流，r_s为定子电阻，ω_i为第i段励磁电流稳定时测量的电机转速，取标幺值时为1；

仅考虑主磁路的饱和，并忽略阻值一般很小的定子电阻r_s，额定频率下的d、q轴电压由下式求取：

X_l为定子漏抗，f_i为第i段励磁电流稳定时的频率，f_N为额定频率，X_adsat为考虑饱和效应的d轴电枢反应电抗，X_aqsat为考虑饱和效应的q轴电枢反应电抗；

d轴电流i_d与q轴电流i_q表示为：

θ为机端电流与d轴的夹角；

额定频率下的机端电压表示如下：

从而电机d轴和q轴电枢反应电抗的优化方程可表示如下：

n为分段的个数，V_ti为第i段励磁电流稳定时测量的机端电压，

为计算得到的额定频率下的机端电压,i＝1，2，……n；

以电机d轴和q轴电枢反应电抗为优化目标量，对上述优化方程进行最小值寻优，得到每段励磁电流稳定时电机的d轴和q轴电枢反应电抗，与定子漏抗相加后获得d、q轴同步电抗。

进一步地，所述步骤(6)中计算反电势的公式为：

为反电势向量，

为额定频率下的机端电压向量，X_t为同步电抗，

为机端电流向量，r_s为定子电阻；

计算时忽略定子电阻，利用同步电机的向量图完成反电势的计算。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明的测量方法，通过计算得到精确的电机反电势，无需额外配备他励励磁机以保证机端处于完全空载状态，直接利用电机自身的励磁系统即可实施测量，同时将机端电压折算为额定频率下的电压值，不要求电机稳定在额定转速下，有效降低了测量难度。

(2)本发明的测量方法，在计算反电势的过程中充分考虑了励磁电流较大时电抗的饱和效应，使得计算得到的反电势更加准确，同时可以获得考虑饱和后的电机d、q轴同步电抗变化曲线，有助于电机控制等其他方面的研究。

附图说明

图1是本发明的一种适合于自励磁大型同步电机的空载特性测量方法；

图2是求取反电势的电压电流向量图；

图3中的曲线分别为机端电压—励磁电流曲线、经过频率折算后的机端电压—励磁电流曲线、反电势—励磁电流曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的适合于自励磁大型同步电机的空载特性测量方法包括以下步骤：

(1)电机转速升高到一定值时，使电机依靠自身的机械惯性自然滑行减速；

具体地，启动电机，为避免低速时电阻的影响，当电机转速升至80％额定转速时，对于有原动机的电机，使原动机不工作，避免原动机转速波动对电机转速的影响，使电机根据自身的机械惯性自然滑行减速，如大型水轮发电机，可以关闭水闸；对于无原动机的电机，切除变频器，同样让电机自然滑行减速；

(2)控制电机励磁电流从最大值均匀地分段减小至0，每段励磁电流减小到设定值时在一段时间内保持稳定；

(3)在所述一段时间内测量电机的励磁电流、机端电压、机端电流和电机转速；

具体地，利用电机本身的励磁系统，将励磁电流增大到定子电压为1.3倍额定电压时对应的电流值I_fmax；然后均匀的取0至I_fmax之间的n段，为便于测量，n可取10至20之间的任一值，控制励磁电流从I_fmax分段减小直至0，每段减小电流值I_fmax/n，当所述励磁电流减小至(n-i/n)I_fmax，控制所述励磁电流维持稳定5至10秒，在此稳态期间测量电机的励磁电流I_fi、机端电压V_ti、机端电流I_ti和转速ω_i，i＝1，2，……，n；

该步骤中，减小励磁电流是为了排除剩磁大小不确定的影响，需要注意的是，维持稳态的时间根据具体电机的转动惯量大小和测量时电机的转速进行适当调整：对于转动惯量较小的电机，维持稳态时间不宜过长，避免测试时间内电机转速发生较大变化；若此时电机转速较低，维持稳态时间不宜过短，保证能测量到多个周期的电压电流波形。

(4)利用所述电机转速ω_i和机端电压V_ti，计算得到额定频率下的机端电压值

具体地，根据电机学理论，电机的机端电压正比于频率，因此根据第i个测量点处电机的转速ω_ι即可对应地将V_ti折算为额定频率下的机端电压值

(5)计算每段励磁电流稳定时电机d轴和q轴的同步电抗；

具体地，由于采用自励磁系统后电机的机端并非完全空载，步骤(4)获得的额定频率下的机端电压还需要根据机端电流与电抗值折算为反电势，采用发电机惯例，反电势的计算公式为：

为反电势向量，

为额定频率下的机端电压向量，X_t为同步电抗，

为机端电流向量，r_s为定子电阻。

反电势需要利用测量得到的机端电压与机端电流计算得到，然而，计算时需要考虑励磁电流较大时电抗的饱和效应，通常电抗的饱和效应要通过空载特性曲线去确定，但是此时空载特性曲线是未知的，所以首先需要获得考虑饱和效应的电机d轴和q轴同步电抗，所述同步电抗的计算过程如下：

由于机组惯性较大，所以在每段励磁电流稳定后的测量过程中可以认为电机的转速是保持不变的，根据步骤(3)可知，测量时励磁电流同样维持不变，进而可认为机端电流的基波有效值在每段测量过程中维持不变。因此，可以认为在每段励磁电流稳定后的测量过程中，电机处于一个准稳态状态，可以导出以下的磁链与电压方程：

在(2)式中：ψ_d为d轴磁链，ψ_q为q轴磁链，v_d为d轴电压，v_q为q轴电压，X_d为d轴同步电抗，X_q为q轴同步电抗，X_ad为d轴电枢反应电抗，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，I_fi为第i段励磁电流稳定时测量的励磁电流，r_s为定子电阻，ω_i为第i段励磁电流稳定时测量的电机转速，取标幺值时为1；

仅考虑主磁路的饱和，并忽略阻值一般很小的定子电阻后，额定频率下的d、q轴电压可由下式求取：

在上式中：X_l为定子漏抗，f_i为第i段励磁电流稳定时的频率，f_N为额定频率，X_adsat为考虑饱和效应的d轴电枢反应电抗，X_aqsat为考虑饱和效应的q轴电枢反应电抗；

设机端电流与d轴的夹角为θ，那么d轴电流i_d与q轴电流i_q可表示为：

额定频率下的机端电压可由下式计算：

为获得d、q轴电枢反应电抗，可构造如下的优化方程：

在上式中：n为测量点的个数，V_ti为第i段励磁电流稳定时测量的机端电压，

为计算得到的额定频率下的机端电压；

以两轴饱和电抗为优化目标量，利用最小二乘法或人工智能寻优方法对式(6)进行最小值寻优，得到每段励磁电流稳定时电机的d轴和q轴电枢反应电抗，与定子漏抗相加后获得d、q轴同步电抗。

需要注意的是，若电机不含有位置传感器，在以上优化方程中还需要将机端电流与d轴的夹角θ也作为优化目标量，与d、q电枢反应电抗一起进行最小值寻优。

(6)计算公式(1)计算反电势

得到励磁电流与反电势的关系；

具体地，可以利用同步电机的向量图求解反电势

在忽略定子电阻的情况下，向量图如图2所示；在获得反电势后，还需要进行剩磁折算步骤，将励磁电流与反电势的关系曲线沿横轴平移，使其延长线通过原点，得到空载特性曲线。

将本发明提出的空载特性测量方法运用于一台自并励大型水轮发电机，可得到如图3所示的曲线，图中的三条曲线分别表示：

电机自然滑行减速过程中测量得到的机端电压—励磁电流曲线；

经过频率折算后的机端电压—励磁电流曲线；

经过数据处理过程后得到的反电势—励磁电流曲线，即空载特性曲线。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适合于自励磁大型同步电机的空载特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)电机转速升高到一定值时，使电机依靠自身的机械惯性自然滑行减速；

(2)控制电机励磁电流从最大值均匀地分段减小至0，每段励磁电流减小到设定值时在一段时间内保持稳定；

(3)在所述一段时间内测量电机的励磁电流、机端电压、机端电流和电机转速；

(4)利用所述电机转速和机端电压，计算得到额定频率下的机端电压；

(5)计算每段励磁电流稳定时电机d轴和q轴的同步电抗；

(6)利用所述机端电流、额定频率下的机端电压和同步电抗计算电机的反电势，得到励磁电流与反电势的关系；所述步骤(5)中所述计算每段励磁电流稳定时电机d轴和q轴的同步电抗的方法如下：

每段励磁电流稳定时，认为电机处于准稳态状态，仅考虑主磁路的饱和，并忽略定子电阻，可得到电机d轴和q轴电枢反应电抗的优化方程为：

n为分段的个数，V_ti为第i段励磁电流稳定时测量的机端电压，

为计算得到的额定频率下的机端电压，X_adsat为考虑饱和效应后的d轴电枢反应电抗，X_aqsat为考虑饱和效应后的q轴电枢反应电抗，X_l为定子漏抗，f_i为第i段励磁电流稳定时的频率，f_N为额定频率，I_ti为第i段励磁电流稳定时测量的机端电流，I_fi为第i段励磁电流稳定时测量的励磁电流，θ为机端电流与d轴的夹角，i＝1，2，……n；

以电机d轴和q轴电枢反应电抗为优化目标量，对上述优化方程进行最小值寻优，得到每段励磁电流稳定时电机的d轴和q轴电枢反应电抗，与定子漏抗相加后获得d、q轴同步电抗。

2.根据权利要求1所述的一种适合于自励磁大型同步电机的空载特性测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述转速达到80％额定转速时，使电机依靠自身机械惯性自然滑行减速。

3.根据权利要求1或2所述的一种适合于自励磁大型同步电机的空载特性测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述最大值为定子电压为1.3倍额定电压时对应的电流值；所述分段的个数为10至20个；所述一段时间为5至10秒。

4.根据权利要求1所述的一种适合于自励磁大型同步电机的空载特性测量方法，其特征在于，所述步骤(6)中计算反电势的公式为：

为反电势向量，

为额定频率下的机端电压向量，X_t为同步电抗，

为机端电流向量，r_s为定子电阻；

计算时忽略定子电阻，利用同步电机的向量图完成反电势的计算。

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