同步电机参数测试课程设计.docx
《同步电机参数测试课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《同步电机参数测试课程设计.docx（26页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
同步电机参数测试课程设计
同步电机参数测试课程设计（总28页）
《电励磁同步电机参数的测定系统设计》
姓名：
金敏
班级：
电气工程及自动化08-1班
学号：
指导老师：
邓先明教授
时间：
2011年11月11日
1概述
同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同步速机时得名。
同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。
设计主要分析同步发电机在电励磁作用下的稳态参数和瞬态参数的测试，简要分析同步电动机和调相机的运行状态。
同步电机在现代工业系统中的应用范围越来越广，其主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。
作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。
同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。
近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。
同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。
这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。
电机测试是随着电机的诞生而诞生的。
伴随着电机容量的扩大和类型的增加，电机测试的内容也变得复杂和多样化。
而对同步电机参数测试主要是稳态参数和瞬态参数的测试，是研究分析电力系统运行和控制系统设计的前提，同时反映同步电机暂态过程的瞬变参数与电力系统的稳定性有着密切的关系，电网的故障计算，同步电机电压波动，冲击电压计算和励磁系统设计等，都需要准确的瞬变参数。
因此对同步电机的稳态参数和瞬态参数的测量有着非常重要的意义。
2同步电机的工作原理
同步电机的结构模型
同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。
一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。
图2-1常用的转场式同步发电机的结构模型
图2—1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。
这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。
转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转子磁场）。
气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。
除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。
同步电机的工作原理
基本原理
主磁场的建立：
励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。
载流导体：
三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。
切割运动：
原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。
交变电势的产生：
由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。
通过引出线，即可提供交流电源。
感应电势有效值：
每相感应电势的有效值为E=Φm
感应电势频率：
感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p，即f=np/60
交变性与对称性：
由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。
同步转速
从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。
我国电网的频率为50Hz，故有：
n=60f/p=3000/p
要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。
例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。
只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。
运行方式
同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。
作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。
同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。
近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。
同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。
这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。
（a）发电机状态：
图2-2发电机状态相量图
电压超前于电流，Pem、均大于0，转子主极轴线沿转向超前于气隙合成磁场轴线，故电磁转矩为制动性质，原动机输入驱动转矩克服制动作用的电磁转矩。
（b）、过渡状态：
逐步减小原动机输入功率，使转子瞬时减速，Pem、相应减小，=0时，发电机变为空载，输入功率正好抵偿空载损耗。
（c）电动机状态：
继续减小原动机输入功率，Pem、为负，电机要从电网吸收一部分电功率，与原动机输入功率一起与空载损耗平衡，维持转子同步旋转。
如拆去原动机，在电机轴上再加机械负载，Pem、负得更大，电磁转矩为驱动性质，电机进入输入电动机状态，将电网输入的电能转换成机械能。
空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。
图表示一台四极电机空载时的磁通示意图。
从图2-3可见，主极磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。
主磁通所经过的主磁路包括空气隙电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。
图2-3电机空载时的磁通示意图
稳态工作过程及参数
发电机运行时,由端电压U、负载电流I、励磁电流If，转速和功率因数等量决定其状态。
其中转速和功率因数一般不变，因此U、I、If两两间的函数关系就称为同步发电机的运行特性。
即：
空载特性：
U=f（If），I=0
负载特性：
U=f（If），I=C
外特性：
U=f（I），If=C
调节特性：
If=f（I），U=C
同步电机的空载特性
用实验测定空载特性时，由于磁滞现象，上升和下降的磁化曲线不会重合，因此，一般约定采用自U0≈开始至If=0的下降曲线，结果如图2-4所示。
图2-4空载特性曲线
E0，E0=f（If）曲线与电机磁化曲线=f（If）相似，空载实验时，If只能单方向调节。
同步发电机的零功率因数负载特性
实验等效电路如图，外接纯感性负载。
测试条件：
cos=0和负载I=C；测定U=f（If）
电压方程为：
E0+Ea=Eδ=U+jIσ
图2-5负载特性时—空矢量图
图2-6负载特性曲线图
同步发电机的外特性
外特性是发电机在n=nN,If=常数,cos=常数的条件下，U=f（I）的特性曲线。
感性负载时，外特性是下降的；容性负载时，外特性可能是上升的。
图2-7同步电机外特性曲线
电压变化率：
加额定励磁时，空载电压与某一功率因数下额定负载时的电压之差，额定电压的百分比。
即
同步发电机的调节特性
调节特性是发电机在n=nN，U=常数,cos=常数的条件下，If=f（I）的特性曲线。
显然，感性负载时，调节特性是上升的；容性负载时，调节特性可能是下降的。
图2-8同步电机的调节特性曲线
瞬态工作过程及参数
短路特性：
IK=f（If），U=0
当短路时，U=0，限制电流的是电机定子电抗（忽略电阻），因此电枢反应磁势是一个去磁的直轴电枢反应磁势。
此时，合成电势仅等于漏抗压降，气隙合成磁场很小，磁路不饱和。
因此短路特性：
IK=f（If）为直线。
图2-9同步电机短路特性时空矢量图
图2-10同步电机短路特性曲线
同步电机参数测定的意义
准确获取同步电机参数，是研究分析电力系统运行和控制系统设计的前提。
同步电机数学模型及参数的研究对电力系统分析计算、电机设计、电机运行及控制等都具有重要意义。
同步电机参数辨识有离线与在线两种，根据激励源的不同又可以分为频域和时域两种。
在具体的参数辨识过程中，主要考虑三方面的问题：
一是怎样选取辨识型；二是怎样选取适当的辨识信号和设计有效的辨识实验；三是如何证明辨识所得参数的有效性。
由于在线参数辨识过程不需要中断机器运行，参数的辨识以及数据的处理时在电机的正常运行过程中运行的，能真实反映由于磁饱和、电机老化、绕组温度以及绕组所受到的电磁力的影响，辨识的参数更接近于电机的参数，因而近年来同步电机的在线参数辨识越来越引起人们的关注。
3同步电机参数测试的方法
测试平台：
一台同步电机，额定参数UN=380v（Y），PN=15KW，cosψN=，ηN=
稳态参数的测试方法
同步电机稳态阻抗参数有：
绕组电阻、漏电抗、同步电抗、负序阻抗、零序阻抗。
绕组电阻的测定
一般用静态直流方法测量定子绕组和转子绕组电阻值。
为绕组加直流电压，测出电压和电流，再利用欧姆定律计算出电阻：
=Uz/Iz
将电阻折至75º值：
其等效电路如图3-1所示：
图3-1绕组电阻的等效电路
（1）测试电路
如图3-2所示接线，打开开关S、S1，将R阴值调到最大位置，闭合S接通24V电源，调节R使试验电流不超过电机额定电流的10%，读取电流互感器上的电流值，再闭合S1读取电压互感器二次侧的电压值。
读完后，先打开S1，再打开S。
对三相绕组分别进行试验，可依次测得三相绕线电阻值。
图3-2伏安法测电枢绕组的测试接线图
（2）所用器件
表3-1伏安法测电枢绕组的测试器件
所用器件
数量
D5224VDC励磁电源
1
CL48-DI型舒特电流表
1
PZ80-E4型电压表
1
刀开关
2
ST电阻柜型滑动变阻器
1
漏电抗的测定
漏电抗的测定需要作用作图法实现，首先要完成空载特性和零功率因数负载特性实验。
（1）空载特性实验
实验线路如图3-3所示
图3-3伏安法测电枢绕组的测试接线图
实验所需组件
表3-2空载特性实验的测试器件
所用器件
数量
DJ23校正过的直流电机
1
JDZXF14-6电压互感器50:
1
3
电流互感器50:
1
3
WP智能直流电压表WP-LEDVC1
3
DSO9254A示波器
1
D43三相可变电抗
3
ST电阻柜型滑动变阻器
2
D50A3P型空气开关
2
实验步骤
a、按图3-4接线，校正过的直流电机MG（DJ23）按他励联接方式作原动机，用来拖动三相同步发电机GS旋转。
GS的定子绕组为Y型接法（UN=220）.调节三相同步发电机励磁回路串接的电阻RF2至最大位置，调节MG的电枢串联电阻RST。
到最大值调节MG的励磁调节电阻RF1至最小值，断开开关S1,S2.将控制左侧高压器旋钮向逆时针方向旋转退到零位置，检查控制屏上的电源总开关，电枢电源开关及励磁电源开关都需在关断的位置，作好实验开机准备。
b、接通控制屏上的电源总开关，按下开按钮，接通励磁电源开关，看到电流表A2有励磁电流指示后，再接通控制屏上的电枢电源开关，起动MG,MG起动运行正常后，把Rst调至最小，调节Rf1使MG转速过到同步发电机的额定转速1500转/分并保持恒定。
c、接通GS励磁电源，调节GS励磁电流（必须单方向调节），使I单增至GS输出电压U~为止。
d、单方向减小GS励磁电流，使If单方向减至零为止，读取励磁电流If和相应的空载电压U0。
在用实验方法测定同步发电机的空载特性时，由于转子磁路中的剩磁情况不同，当单方向改变励磁电流If从零到某一最大，再反过来由此最大值减小到零时将得到上升和下降的二条不同的曲线，二条曲线的出现，反映铁磁材料中的磁滞现象，测定参数时使用下降曲线，其最高点取U0=,如剩磁电压较高，可延伸曲线的直线部分使与横轴相交，则交点的横座标绝对值应为校正量，在所有试验测得的励磁电流数据上加上此值，即得通过原点之校正网线。
注意事项
a、转速要保持恒定。
b、在额定电压附近应该多测几点。
（2）零功率因数负载特性实验
实验线路及实验所需组件同空载特性实验。
实验步骤
a、调节GS的Rf2至最大值，打开开关S1S2，调节可变电抗器使阻抗最大
b、按他励直流电动机的起动步骤（电枢必须串联全值起动电阻Rst，先接通励磁电源，后接通电枢电源）起动直流电机MG，调节MG的转速过额定值1500转/分并保持恒定。
c、把开关S2闭合到可变电抗器负载端，调节Rf2和可变电抗器使同步发电机接近于倍额定电压（线电压），且电流为额定电流，读取端电压和励磁电流值。
d、每次调节励磁电流使电机端电压减小且调节可变电抗器使定子电流值保持恒定（为额定电流），直至端电压为零。
在这范围内测取端电压和相应的励磁电流。
共测取7~9组数据，并记录。
注意：
每次调节三相可变电抗时应该对称平衡调节。
（3）用以上两个实验的数据得到如图3-4所示实验曲线用以计算。
图3-4漏电抗特性曲线
在零功率因数线点n,取n0=n´0´，作0k线平行于气隙线，过k作km⊥0n。
则：
同步电抗的测定
同步电抗就是当电机正向同步旋转、励磁绕组接通、电枢三项绕组通以对称的的正序电流时，同步电机所表现的电抗，亦是电机在稳态运行时所表现的电抗。
可以用小转差法或反向励磁发测量，本设计采用小转差法测定。
（1）实验线路及测试条件
先将励磁绕组开路；定子绕组加三相额定频率的低电压（），外加电压的相序应与转子转向相同；用原动机拖动同步电机旋转，方向与磁场方向一致，速度低于同步速，转差率小于1%。
待转速稳定后，用示波器记录电枢电压、电枢电流及励磁绕组开路的电压波形，并量取被试电机的转差率。
由于转子速度与磁场同步速度很接近（转差率小），转子阻尼绕组的影响可以忽略。
由于转子速度低于磁场同步速度，定子磁场的轴线与转子d轴和q轴交替重合，呈周期性变化。
当定子磁场的轴线与转子q轴重合时，对应交轴同步电抗xq，定子电流最大，定子电压最小。
因此，同步电抗xq等于此时相电压除以相电流，即：
当定子磁场的轴线与转子d轴重合时，对应交轴同步电抗xd，定子电流最小，定子电压最大。
因此，同步电抗xd等于此时相电压除以相电流，即：
计算时注意将测得的电压和电流转换为相值来计算。
由于实验是在低电压下进行的，所测定的参数是不饱和值。
（2）实验电路图及测量步骤
图3-5用小转差法测定xd和xq的原理接线图
测量步骤
（1）、按图接线；
（2）、判断电机定子磁场方向；
（3）、定子加低电压；
（4）、拖动电机旋转，与磁场方向相同，转差率小，不能同步。
（5）、用示波器测定子电压和电流，分别记录最大值。
也可以用响应快的电压电流表，测定子电压和电流，分别记录最大值。
（3）所用器件
表3-3小转差法测定xd和xq的测试器件
所用器件
数量
Y180L-4-22KW异步电机
1
JDZXF14-6电压互感器50:
1
3
电流互感器50:
1
3
WP智能直流电压表WP-LEDVC1
3
DSO9254A示波器
1
D43三相可变电抗
3
ST电阻柜型滑动变阻器
2
D50A3P型空气开关
2
负序阻抗的测定
负序阻抗的测定有采用反向同步旋转法和线间稳态短路法，本设计采用反向同步旋转法测定。
（1）实验线路及测试条件
先将励磁绕组短路；在给定子绕组加三相额定频率的低电压，使定子电枢电流为。
用原动机拖动同步电机旋转，方向与磁场方向相反，速度等于同步速，转差率=2。
实验线路如图3-6所示。
图3-6负序阻抗的测定实验线路图
（2）测量步骤
按图3-6接线；
判断电机定子磁场方向，接线保证与电机旋转方向相反；
电源电压输出调至零，逐渐增加电压，直到电流为。
测量输入功率P；线电压和线电流。
计算公式
（4）所用设备
表3-4反向同步旋转法测零序阻抗定测试器件
所用器件
数量
Y180L-4-22KW异步电机
1
JDZXF14-6电压互感器50:
1
3
电流互感器50:
1
3
WP智能直流电压表WP-LEDVC1
3
DSO9254A示波器
1
D43三相可变电抗
3
ST电阻柜型滑动变阻器
2
D50A3P型空气开关
2
零序阻抗的测定
零序阻抗的测定有开口三角形法和两相对中点短路法测定，本设计采用开口三角形法测定。
（1）实验线路及测试条件
实验线路如图3-6所示。
先让励磁绕组短路；将定子绕组并联，加单相额定频率的低电压，使定子电枢电流为左右；用原动机拖动同步电机旋转，速度等于同步速。
图3-7口三角形法测定零序阻抗实验线路图
（2）测量步骤
1按图3-7接线；
2拖动电机旋转，达到同步速；
3电源电压输出调至零，逐渐增加电压，直到电流为。
4测量输入功率P；线电压和线电流。
（3）计算公式
I是三相的总电流=3Iph
（4）所用设备
表3-5零序阻抗定测试器件
所用器件
数量
Y180L-4-22KW异步电机
1
JDZXF14-6电压互感器50:
1
3
电流互感器50:
1
3
WP智能直流电压表WP-LEDVC1
3
DSO9254A示波器
1
D43三相可变电抗
3
ST电阻柜型滑动变阻器
2
D50A3P型空气开关
2
瞬态参数测量设计
准确的同步电机参数，是研究分析电力系统运行和控制系统设计的前提，其中，反映同步电机暂态过程的瞬变参数与电力系统的稳定性有着密切的关系，电网的故障计算，同步电机的电压波动有着密切的关系，电网的故障计算，同步电机电压不懂，冲击电压计算和励磁系统设计等，都需要准确的瞬变参数。
三项突然短路实验是检测同步电机瞬态参数较为理想的方法。
也是国家标准（GB/T029-93）要求采用的方法。
硬件电路设计
本系统硬件电路由：
信号调节部分、基于PCI总线的快速数据采集卡、工控机组成。
检测信号包括：
ABC三相电流信号、发电机电枢电压信号、励磁电流信号、五部分组成。
（图3-9）
图3-9信号测量取样电路
其中：
（1）测量励磁电流是为了对其进行监测，因为在同步电机的突然短路试验过程中，应使励磁电流不发生较大变化。
（2）测量电枢电压信号是为了进行电压恢复试验。
（3）三相电枢电流信号和励磁信号取自试验线路上的标准无感电阻，已经转换成电流信号。
电枢电压洗好来自电压互感器二次线圈。
这些信号经信号调节电路进行滤波、隔离、限幅、程控放大等处理后送入采集卡，采集卡的数据存在计算机内部，供后续数据处理软件进行计算和图形处理。
在信号调节电路中，不同的信号采取不同的处理方法：
（1）对来自电压互感器的电枢电压信号，采用LM公司的电压测量器件（Lv5-P）
（2）作为电压变换器，变换成标准输入信号。
（3）对来自标准无感取样的电阻的（反映电枢电流的）电压信号，采用高性能的AD524单芯片测量放大器直接进行放大处理。
数据采集卡选用Adcantech的基于PCI总线的PLC-818H数据采集卡。
该卡与研华586工控机一起构成PC测量系统。
特别要注意的是励磁电流回路与电枢电流回路为不同系统，不能共地。
对来之标准分流器的励磁电流用WB141隔离传感器进行信号变换并且实现原副方隔离。
数据采集与处理
信号送入PLC-818H后，由软件启动PLC-818H，采样前，先进行PLC-818H的检测。
显示试验项目、放大倍数等参数设置状态，判明一切正常后，启动采样模块。
调用支持PLC-818H的动态链接库中函数,完成瞬变信号的采集。
在三相突然短路试验中，各相合闸时间差不能超过15°电角度。
如两相先合闸，电枢电流表现为两相突然短路到三相短路的过渡过程。
因此，除标准采样电压、电流信号外。
三相合闸初始时间的判断，在该试验中十分重要。
根据三相突然短路试验的采样数据，进行数据处理（瞬变参数辨识）。
数据处理程序流程图（图3-10）
图3-10三相突然短路数据处理框图
对突然短路试验的采用数据，在进行数据处理之前，需要进行坏点的剔除和数据的修匀。
对于系统误差，很大程度上由PLC-818引起，可由校调解决，校调信号可采用标准正弦信号。
系统的数据采集（采集卡的控制，虚拟面板操作等）用编制。
数据处理软件用编制。
所用器件
表3-6伏安法测电枢绕组的测试器件
所用器件
数量
LV25-P电压测量器
1
AD524单芯片测量放大器
1
WB141隔离传感器
1
PLC-818H数据采集卡
2
研华586工控机
1
4设计小结
电动机的用电量约占到我国所有工业用电量的三分之二，用电总量的二分之一，同步电机的工作对于全社会的节能降耗具有重要意义。
生产和推广使用同步电机取代现有的传统电机，已经得到国内外的广泛认可。
在这种背景下，迫切需要设计一套适合同步电机测试系统。
一套针对高效电机的测试系统，在设计、构造和完善的过程中，是要考虑很多问题的。
这其中不仅包括行业规范，本国特点，对试验设备，试验条件，试验精度要求，还包括试验方案的应用范围，优势，局限性，结果可能存在的问题，如何修正及可发展改造的空间和推广应用前景等等。
本文的在设计工作主要是针对以下几个方面进行的。
1．对同步电机稳态运行的情况原理进行分析，同时对如何进行稳态参数进行在现场进行合理的测试进行了研究，比较各种方法的差异，得出比较实际可行的方法。
2．对同步电机测试中最主要的技术指标——瞬变参数的的测试方法进行了系统研究。
在深入探讨了国外针对高效电机的几种主要效率测试规范，以及我国对高效率电机效率测试方法的规定和要求后，提出了基于数据采集卡的同步电机测试系统的试验方案。
通过本次设计，巩固了以前学过的专业知识，加强了技能的训练，取得了圆满的成果。
参考文献
【1】《电机与拖动基础》实验指导书中国矿业大学出版社
【2】《电机学》华中科技大学出版社
【3】《电机原理与拖动基础》中国矿业大学出版社
【4】《电机现代测试技术》机械工业出版社
【5】《同步电动机瞬变参数的测量》电力系统及其自动化学报2000年4月
【6】《同步电机瞬变参数的测试数据处理方法的研究》大电机技术1999年
本实验所用设备汇总表
实验项目
设备名称
数量
绕组电阻测试
D5224VDC励磁电源
1
CL48-DI型舒特电流表
1
PZ80-E4型电压表
1
刀开关
2
ST电阻柜型滑动变阻器
1
同步电抗测试
Y180L-4-22KW异步电机
1
JDZXF14-6电压互感器50:
1
3
电流互感器50:
1
3
WP智能直流电压WP-LEDVC1
3
DSO9254A示波器
1
D43三相可变电抗
3
ST电阻柜型滑动变阻器
2
D50A3P型空气开关
2
漏电抗测试
DJ23校正过的直流电机
1
JDZXF14-6电压互感器50:
1
3
电流互感器50:
1
3
WP智
升级会员 