永磁同步发电机加载方法研究

(中车永济电机有限公司，山西永济 044502)

0 引言

相对于电励磁同步发电机来说，永磁同步发电机由于省去了励磁绕组和容易故障的集电环和电刷，结构较为简单，加工和装配费用少，运行更为可靠[1]。永磁同步发电机具有相对体积小，功率质量比高等众多优点，其应用领域广阔，如航空航天用主发电机，汽车、拖拉机用发电机、风力发电机、小型水力发电机、小型内燃发电机机组广泛使用各种类型的永磁同步发电机。但是，永磁同步发电机制成后难以调节其磁场以控制其输出电压和功率因数[1]，输出功率因数完全由负载决定。现有文献中提出的通过单位功率因数控制方法实现永磁电机按照需要功率因数运行[2]等方法均是采用改变控制策略完成对功率因数的调节，对于试验现场无配套变频器的情况，无法通过改变控制策略实现功率因数的调节。由于永磁同步电机负载试验项目通常采用直接负载法进行，因此选择合适的负载设备满足功率因数要求是最有效可行的方法。到目前为止 ,变频传动系统的加载方式大致包括以下几种类型:(1)能量消耗型;(2)互馈对拖型；(3)能量回馈型。其中,能量消耗型需要功率电阻消耗发电机的有功功率，需要电抗器或者电容器消耗电机的无功功率,系统庞大,控制复杂,能量消耗严重 。互馈对拖型包括两种 : 共用交流母线型和共用直流母线型[3]。互馈对拖型加载方式需要两台与被试同步发电机配套的变频器。能量回馈型需要同步电动机和直流发电机及并网装置。本文通过对永磁同步发电机负载试验不同加载方法的分析,结合公司现有试验设备，对某型号345kW永磁同步发电机制定一套可行的加载方案，通过分析计算，结合现有文献中对电网功率因数调节的方法讨论[4～5]，选择满足要求的试验负载搭建试验系统来实现对输出功率因数的调节，并通过试验验证本文制定的加载方案的可行性。

1 系统组成及工作原理

本文被试电机为某型号345kW永磁同步发电机，其基本参数见表1。

表1 被试永磁同步发电机基本参数

由于被试永磁同步发电机功率为345kW，功率较大，采用电阻消耗法加载能源浪费极其严重，公司现有电阻柜为额定电压380V的低压电阻，无配套高压电阻负载；若采用互馈对拖型加载方式需要两台与被试同步发电机配套的变频器，公司现有试验设备无配套的变频器。为了满足试验要求，利用公司现有设备资源完成该电机试验项目，制定了一套现有设备能力下的加载方案，加载系统组成如图1所示。

图1加载系统组成图

加载系统中直流电动机M1、M2由两套ABB直流传动DCS800(U1、U2)供电，通过齿轮箱GB1耦合组成拖动机组，用以拖动被试永磁同步发电机GS。直流电动机M1、M2参数见表2。

表2 直流电动机M1、M2参数

直流发电机G1、G2通过齿轮箱GB2组成加载机组，并由两台ABB直流传动DCS800(U3、U4)将电能回馈电网，用于陪试永磁同步电机MS加载。直流发电机G1、G2参数见表3。MS与GS为同一规格的永磁同步电机，该电机运行于电动工况。

表3 直流电动机M1、M2参数

试验时，电网经10kV/690V变压器(Q1、Q2)后为两套ABB直流传动DCS800(U1、U2)供电，拖动直流电动机M1、M2旋转。为了保证两台直流电机经齿轮箱机械耦合负载运行时电流均匀平衡，直流传动间采用了主从控制模式。拖动机M1、M2经过齿轮箱GB1耦合驱动被试永磁同步发电机GS旋转并发电。永磁同步发电机GS为永磁同步电动机MS供电，驱动永磁同步电动机MS旋转。直流发电机G1、G2经齿轮箱GB2与电机MS机械连接，提供系统负载转矩，并通过两套ABB直流传动DCS800(U3、U4)实现能量回馈。被试永磁同步发电机加载系统实物如图2所示。

图2被试永磁同步发电机加载系统实物图

2 功率因数调节

在加载系统中，永磁同步发电机是唯一的有功电源，同时也是无功电源，其在额定状态下运行时，既要发出有功功率又要发出无功功率。由于永磁同步发电机发出感性无功功率，需要在永磁同步发电机输出端连接电感负载以吸收感性无功功率，通过调节感性负载的大小来实现永磁同步发电机功率因数的调节。常用的感性负载有电抗器、三相感应调压器、空载运行的三相异步电动机[6]。结合公司现有的试验设备，试验现场没有能与被试永磁同步发电机匹配的多抽头电抗器，三相感应调压器容量为3150kVA，经过计算三相感应调压器电感调节至最大时，被试永磁同步发电机仍处于过载状态，负载试验无法进行。但是试验现场有各种规格的三相异步电动机，鉴于实际试验设备情况，本文中的加载系统计算选择合适的异步电动机空载运行实现永磁同步发电机无功功率的调节。

永磁同步发电机功率因数与输出有功功率、无功功率的关系如下

(1)

Q=S×sinφ

(2)

式中，cosφ—功率因数；P—有功功率，kW；S—视在功率，kVA；Q—无功功率，kvar。

由式(1)～式(2)可知无功功率与有功功率、功率因数关系为

(3)

由式(3)可以计算出被试永磁同步发电机在额定负载工况下其发出的无功功率，通过试验测试系统在额定有功功率且没有无功吸收设备工况下的无功功率，两者的总和即为感性负载需要吸收的总无功功率。

按图1所示的加载方法对永磁同步发电机进行加载，至输出有功功率345kW，采用WT1800功率分析仪在永磁同步发电机输出端测量的各电性能参数，得到不进行功率因数调节时永磁同步发电机的性能参数如图3所示，测量的电气参数数值如表4所示。

图3无功率因数调节工况永磁同步发电机电性能参数

表4无功率因数调节工况电气参数测量值

参数数值参数数值电压(V)1644.8电流(A)120.88频率(Hz)119.93功率因数0.9984有功功率(kW)-343.81无功功率(kVar)19.87

从表4中数据可知，永磁同步发电机功率因数为0.9984，吸收无功功率Q1=19.87kWar。由表1可知，被试电机的额定功率因数为0.95。由式(3)额定工况运行时，永磁同步发电机需要发出无功功率为

=112.88kVar

感性负载需要吸收的总无功功率为

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

选择一款三相异步电动机，其基本参数及其在1500V，120Hz下实测空载数据见表5。

表5 三相异步电动机基本参数及实测空载数据

从表5中数据可知，该三相异步电动机在1500V，120Hz下空载运行时，单台电机吸收的无功功率为

=44.02kVar

单台三相异步电动机吸收无功功率为44.02kVar，加载系统所需吸收的无功功率为132.75kVar，需要采用三台三相异步电动机空载运行吸收无功功率才能调节到所需功率因数，本文加载系统采用三台三相异步电动机并联，并采用接触器分别控制每台电机的闭合及断开，即可吸收磁同步发电机发出无功功率,系统组成如图4所示。

图4功率因数调节系统图

3 试验验证

图4中M5、M6、M7为三台相同规格的异步电动机，并联在同步发电机输出端空载运行。对永磁同步发电机进行加载至输出有功功率345kW，得到进行功率因数调节时永磁同步发电机的性能参数如图5所示，测量的电气参数数值如表6所示。

图5功率因数调节工况永磁同步发电机电性能参数

表6 功率因数调节工况电气参数测量值

由表6可知，永磁同步发电机输出端连接三台三相异步电动机空载运行后，其负载功率因数为0.9557，发出无功功率105.99kvar。

对比试验数据和理论分析计算可知，选折的三相异步电动机并联至永磁同步发电机输出端后，其负载功率因数于计算值存在偏差，主要由以下原因：(1)计算选择三相异步电动机，空载功率因数较低，其测量值存在一定偏差；(2)永磁同步发电机永磁体在不同的工作温度下，其剩磁密度和矫顽力存在一定差异，在不同功率因数负载下，其电压调整率存在差异。

4 结语

本文提出的永磁同步发电机加载方法，以加载机组能量回馈实现了永磁同步发电机负载有功功率的无级可调，同时选择合适的异步电动机空载运行实现永磁同步发电机无功功率的调节，充分利用试验现场现有设备，减少了额外的设备投资。本文的研究对于永磁同步发电机在设备限制的情况下实现加载系统的搭建及负载功率因数计算和调节具有一定的参考意义。