中国农村水利水电·2003年第9期
55
大型交流电动机温升试验研究
杜灿阳
(粤港供水有限公司 广东深圳
518021)
摘要 具体介绍了大型交流电动机形式试验中温升试验的各种方法, 并结合东深供水改造工程中东方电机厂及上海电机厂对东深同步及异步电动机的温升试验的实施, 分析了试验方法的选择和遇到问题的处理。 关键词 交流电动机 温升试验 输入功率 功率因数 大型电机制造的关键技术之一是冷却问题, 如果冷却的效果不理想, 会导致定子绕组、铁心等部件的温升较高, 除了造成损耗加大, 还会加剧电晕的产生, 腐蚀绝缘, 严重影响电机的使用寿命。所以, 温升试验是电动机形式试验中的一个重要项目, 能验证电机总体设计是否合理, 特别是能考验通风、冷却系统是否符合要求。
东深供水改造工程新建三座抽水泵站, 共配置24台泵组, 其中上海电机厂提供0. 5万kW 同步机和异步机各8台, 东方电机股份有限公司提供0. 3万kW 同步机和异步机各4台, 分别与泵站中的水泵相配套。根据双方的合同要求, 卖方在生产厂组织电机形式试验, 买方现场见证, 以下介绍温升试验的方法及东深电机温升试验的实施。
到0. 3万kW 和0. 5万kW , 如果采用直接负载法, 需要在轴端提供相当负荷的机械负载, 一般试验站的设备难以满足要求, 东方电机及上海电机厂根据本厂试验站的设备情况, 组织攻关研究, 很好地实施了电动机的温升试验, 以下作详细介绍。
2. 1 降低电压负载法在异步机形式试验中的研究
上海电机厂采用降低电压负载法进行异步电动机的温升试验, 如前所述, 降低电压负载法也需要在轴端提供相当负荷的机械负载, 加载常用的方法有两种:一是在轴伸端拖一个如水泵之类的机械负载, 用调整机械的负载来达到调整电机负载的目的; 二是在轴伸端拖一台陪试负载电机, 给被试电动机的转轴加上力矩来调整电动机的负载。显然, 一般试验站难以提供相当的机械负载, 故常采用陪试电机来实现, 但这要求把被试的电动机卧装, 与相应的负载陪试电机机械联接。
采用降低电压负载法碰到的第二个困难就是立式电机卧装带来的问题, 上下机架和两个轴承无法使用, 电机如何固定成为一大难题。为此, 上海电机厂制造了两个专用的工装支架和两个电机工装端盖。支架可以使电机稳固安装, 能承受试验时一切负荷的影响; 端盖则用来保证卧装时的密闭循环通风冷却系统与正常立装的状态一致。
解决了这两个难点后, 就可以实施试验, 分两步:
(1) 电机在卧式状态下以额定频率、实际电网电压(6kV ) 和电机的额定铭牌电流为运行工况进行温升试验, 并确定在此工况下的定子绕组温升Δt r 和铁心温升Δt fer 。
(2) 电机在立式状态下以额定频率、额定电压(10kV ) 做空载温升试验, 并确定此工况下的定子绕组温升Δt 0和铁心温升Δt feo 。
通过这两个温升, 对应于额定功率时的绕组温升Δt n 和铁Δt :
1 大型电动机温升试验的方法
同步电动机和异步电动机的温升试验方法不尽相同。根据国家标准GB1032-85及G B T 1029-93规定, 异步电动机温升试验的方法有直接负载法和等效负载法, 等效负载法又分为降低电压负载法和定子叠频法两种; 同步电动机的试验方法有直接负载法、低功率因数负载法和空载短路法三种。
在试验方法的选择上, 标准中也有较明确的规定, 优先采用直接负载法, 若受设备条件限制无法实施, 再考虑其他方法。对于异步电动机, 100kW 以上允许采用降低电压负载法; 立式或300kW 以上的电机允许采用定子叠频法。
在温度的测量方法上, 常用的有电阻法、温度计法、埋置检温计(ET D ) 法和叠加法等。大型电机在绕组、铁心及轴承等部件均埋设有检温元件, 故埋置检温计法使用较普遍。
2 东深工程配套电动机温升试验的研究
56
Δt n =αΔt 0+Δt r Δt fen =αΔt feo +Δt fer α=(P 0-P 0r ) P 0
式中:P 0为额定电压时的空载输入功率, 由空载试验求取; P 0r 为试验时电网电压时的空载输入功率, 由空载试验求取。
大型交流电动机温升试验研究 杜灿阳
Δt -Δt 0
Δt an =Δt K 1U 1
K +t c K
+Δt U 1-Δt 0
式中:t c 为三相对称短路温升试验时冷却介质的温度, ℃;K 为铜绕组取235, 非铜绕组按国标GB755另取。
定子铁心的温升按下式确定:
Δt fen =Δt K +Δt U 1-Δt 0
额定工况下励磁绕组温升的确定则根据上述试验, 测得的励磁绕组温升及励磁绕组热态电阻, 作Δt =f (I 2f , R f ) 曲线, 即可求得励磁绕组温升。
2. 2 定子叠频法在异步机形式试验中的研究
东方电机厂采用定子叠频法进行异步电机温升试验, 其优点是无需机械联接, 适用不合适陪试机的大型立式电动机。试验时, 将两种不同频率的电压串联后连到被试电机的接线端上, 其接线原理如图1所示, T F 1是主同步发电机, 是输出额定频率(50Hz ) 及额定电压的电源; T F 2是辅助同步发电机, 其频率f 2一般低于额定频率几赫兹到10Hz 左右, 称为辅助电源
。
2. 4 低功率因数负载法在同步机形式试验中的研究
东方电机厂采用低功率因数负载法测量0. 3万kW 同步电动机的温升。由于试验站同步机的容量最大为单机0. 275万kVA , 无法满足0. 3万kW 被试机进行零功率因数负载试验的要求, 为此, 采用一台0. 275万kVA 同步电机TF 拖动被试机和另一台0. 2750万kVA 同步陪试电机的试验方法, 试验接线如图3所示。试验时, 将被试机和陪试机以电动机方式启动, 运行到额定转速, 增加被试机的励磁电流, 使被试机运行在过励电动机状态, 定子绕组发出I N =200A 的无功电流, T F 运行在欠励发电机状态, 吸收无功电流, 陪试机运行在欠励电动机状态, 吸收无功电流, 被试机及陪试机的损耗由TF 提供, , 使被试电机在额定频率、额定励磁电流、额定电枢电流工况下运行, 直到电机的温升趋于稳定, 即可求得电机各部分温升。
图1 定子叠频法电机温升试验原理图
试验时, 发电机TF 1及T F 2的相序必须一致, 先由主发电机T F 1供电启动, 被试电机使其在额定电压、额定频率下运转, 再将辅助发电机T F 2启动, 使其频率为f 2, 然后将T F 2励磁投入, 增大TF 2的电压, 被试电动机的电流随之增大, 调整至额定电流时, 便可进行温升试验, 此时定子铜耗、磁通值及定子铁心损耗基本上都与额定负载试验时相同。
用叠频法进行异步电机温升试验的试验能力取决于试验设备机组的容量, 为提高异步电机的试验能力, 还可利用1台变压器进行半电压叠频等值加载温升试验, 试验线路见图2
。
图3 功率因数负载法原理图
试验过程中如电枢电压小于额定电压的95%,则电枢绕组温升、定子铁心温升还需按下列方法修正:
(1) 补作电枢电压等于额定电压的空载温升和电枢电压等
图2 加载温升试验原理图
于低功率因数负载温升电压的空载温升, 从而算出额定工况下的电枢绕组温升及定子铁心温升。
(2) 按经验公式算出额定工况下的电枢绕组温升及定子铁心温升。
2. 3 空载短路法在同步机形式试验中的研究
进行5000kW 同步电机的温升试验时, 上海电机厂采用空载短路法, 在电机卧装时, 分别进行以下4次试验。
(1) 电机空转, 不加励磁, 测得温升为Δt 0;
(2) 电机空载, 电枢电压等于105%额定值, 测得温升为Δt U 1; (3) 电机空载, 电枢电压等于120%额定值, 测得温升为Δt U 2;
(4) 电机三相对称断路, 电枢电流等于额定值, 测得温升为Δt K 。
t 。
3 分析与结论
同步机和异步机都有几种可选择的温升试验方法, 但基本原则是尽量采用直接法。对于大型电动机而言, 方法的选择受限于试验设备的容量、安装等因素。从东深工程配套电机温升试验的结果(见表1) 看, 各部温升均满足合同中规定的80K 限值的要求, 实际运行中由于功率未能达到额定, 故温升比试验值更低。
中国农村水利水电·2003年第9期
57
东深供水改造工程同步电动机励磁系统
许旭生
广东(广东省水利电力勘测设计研究院
广州510170)
摘要 从励磁系统的启动投励、整流、灭磁和励磁调节等相关环节介绍东深供水改造工程同步电动机的励磁系统设计, 主要阐述励磁系统的设备构成、参数、原理和功能, 重点反映本工程励磁系统的技术特点。 关键词 同步电动机 励磁系统 可控硅 调节器
变、整流, 并且必须相对提高硅元件的容量和抗过压能力; 半控桥控制相对简单、易造成失控, 但也可充分利用失控工况继续保持工作, 对元件容量和抗过压能力要求较低, 调节性能较差、谐波分量大。综合各技术因素, 全控桥相对更代表先进的控制技术, 对于大型同步机励磁更为合适, 并且应用相对广泛。
(3) 励磁调节器可采用单调节器或双调节器, 双调节器可以进行备用、冗余, 但必须确保通道同步跟踪和无扰动自动切换。目前调节器已由传统的模拟式向微机数字式过渡, 数字式调节器采用现代控制技术, 调节性能、功能更加优越、对内对外接口更加方便、灵活, 并且体积小。
(4) 励磁交流电源取自400V AC 厂用电已得到普选采用, 证实是可靠的, 厂用电备自投的切换时间(1s 内) 不会造成失励失步和对电机的不良影响。
(5) 目前已建的同步电动机励磁系统一般对外通信方式和功能尚不先进, 通信信息量很少, 多采用硬布线或封闭的专用协议通信, 要满足无人值班运行和融入泵站监控系统统一远方监控、调节尚需进行系统完善和技术创新。
1 工程简介
东深供水改造工程新建莲湖、旗岭和金湖三个供水泵站, 每个泵站各安装8台泵组(其中4台同步电动机, 4台异步电动机) 。莲湖泵站每台电动机功率0. 3万kW ; 旗岭泵站每台电动机功率0. 5万kW ; 金湖泵站每台电动机功率0. 5万kW 。
同步电动机具有功率因数高、稳定性好、提高电能利用率等优点, 鉴于本工程确保向香港供水的重要性, 作为同步电动机的重要环节, 励磁系统必须具备高可靠性和优越的控制调节性能并满足无功就地平衡的电力系统要求。
2 大型同步电动机励磁系统技术现状
(1) 大型同步电动机励磁系统采用静止可控硅整流技术已相当成熟, 国内外厂商均能自主开发、生产。
(2) 硅整流单元采用三相全控桥式技术或采用三相半控桥式, 目前还有着很大的技术争议, 严格讲各有优缺点。全控桥实现整流、逆变, 调节品质好, 运行特性好, 但必须确保可靠逆
表1 东深工程配套电机温度试验结果
生产厂家形 式
设
备基本数据
型 号额定功率 kW 额定电压 kV 额定电流 A 额定转速 (r ·min -1) 冷却方式
试验结果
定子绕组温升 K 定子铁心温升 K 转子绕组温升 K 推力轴承温升 K
同步电动机TLJ2600-24
[1**********]0IC81W 47. 348. 561. 444
◆
东方电机厂
异步电动机YLS2600-24
[1**********]8IC81W 7679-47
[作者简介] 杜灿阳, 男, 工程师
(收稿日期:2003-07-29)
同步电动机T LKS5000-24
[1**********]0IC 81W 60. 732. 862. 630. 3
上海电机厂
异步电动机YLKS5000-24
[1**********]8IC81W 63. 761. 6-48. 2
中国农村水利水电·2003年第9期
55
大型交流电动机温升试验研究
杜灿阳
(粤港供水有限公司 广东深圳
518021)
摘要 具体介绍了大型交流电动机形式试验中温升试验的各种方法, 并结合东深供水改造工程中东方电机厂及上海电机厂对东深同步及异步电动机的温升试验的实施, 分析了试验方法的选择和遇到问题的处理。 关键词 交流电动机 温升试验 输入功率 功率因数 大型电机制造的关键技术之一是冷却问题, 如果冷却的效果不理想, 会导致定子绕组、铁心等部件的温升较高, 除了造成损耗加大, 还会加剧电晕的产生, 腐蚀绝缘, 严重影响电机的使用寿命。所以, 温升试验是电动机形式试验中的一个重要项目, 能验证电机总体设计是否合理, 特别是能考验通风、冷却系统是否符合要求。
东深供水改造工程新建三座抽水泵站, 共配置24台泵组, 其中上海电机厂提供0. 5万kW 同步机和异步机各8台, 东方电机股份有限公司提供0. 3万kW 同步机和异步机各4台, 分别与泵站中的水泵相配套。根据双方的合同要求, 卖方在生产厂组织电机形式试验, 买方现场见证, 以下介绍温升试验的方法及东深电机温升试验的实施。
到0. 3万kW 和0. 5万kW , 如果采用直接负载法, 需要在轴端提供相当负荷的机械负载, 一般试验站的设备难以满足要求, 东方电机及上海电机厂根据本厂试验站的设备情况, 组织攻关研究, 很好地实施了电动机的温升试验, 以下作详细介绍。
2. 1 降低电压负载法在异步机形式试验中的研究
上海电机厂采用降低电压负载法进行异步电动机的温升试验, 如前所述, 降低电压负载法也需要在轴端提供相当负荷的机械负载, 加载常用的方法有两种:一是在轴伸端拖一个如水泵之类的机械负载, 用调整机械的负载来达到调整电机负载的目的; 二是在轴伸端拖一台陪试负载电机, 给被试电动机的转轴加上力矩来调整电动机的负载。显然, 一般试验站难以提供相当的机械负载, 故常采用陪试电机来实现, 但这要求把被试的电动机卧装, 与相应的负载陪试电机机械联接。
采用降低电压负载法碰到的第二个困难就是立式电机卧装带来的问题, 上下机架和两个轴承无法使用, 电机如何固定成为一大难题。为此, 上海电机厂制造了两个专用的工装支架和两个电机工装端盖。支架可以使电机稳固安装, 能承受试验时一切负荷的影响; 端盖则用来保证卧装时的密闭循环通风冷却系统与正常立装的状态一致。
解决了这两个难点后, 就可以实施试验, 分两步:
(1) 电机在卧式状态下以额定频率、实际电网电压(6kV ) 和电机的额定铭牌电流为运行工况进行温升试验, 并确定在此工况下的定子绕组温升Δt r 和铁心温升Δt fer 。
(2) 电机在立式状态下以额定频率、额定电压(10kV ) 做空载温升试验, 并确定此工况下的定子绕组温升Δt 0和铁心温升Δt feo 。
通过这两个温升, 对应于额定功率时的绕组温升Δt n 和铁Δt :
1 大型电动机温升试验的方法
同步电动机和异步电动机的温升试验方法不尽相同。根据国家标准GB1032-85及G B T 1029-93规定, 异步电动机温升试验的方法有直接负载法和等效负载法, 等效负载法又分为降低电压负载法和定子叠频法两种; 同步电动机的试验方法有直接负载法、低功率因数负载法和空载短路法三种。
在试验方法的选择上, 标准中也有较明确的规定, 优先采用直接负载法, 若受设备条件限制无法实施, 再考虑其他方法。对于异步电动机, 100kW 以上允许采用降低电压负载法; 立式或300kW 以上的电机允许采用定子叠频法。
在温度的测量方法上, 常用的有电阻法、温度计法、埋置检温计(ET D ) 法和叠加法等。大型电机在绕组、铁心及轴承等部件均埋设有检温元件, 故埋置检温计法使用较普遍。
2 东深工程配套电动机温升试验的研究
56
Δt n =αΔt 0+Δt r Δt fen =αΔt feo +Δt fer α=(P 0-P 0r ) P 0
式中:P 0为额定电压时的空载输入功率, 由空载试验求取; P 0r 为试验时电网电压时的空载输入功率, 由空载试验求取。
大型交流电动机温升试验研究 杜灿阳
Δt -Δt 0
Δt an =Δt K 1U 1
K +t c K
+Δt U 1-Δt 0
式中:t c 为三相对称短路温升试验时冷却介质的温度, ℃;K 为铜绕组取235, 非铜绕组按国标GB755另取。
定子铁心的温升按下式确定:
Δt fen =Δt K +Δt U 1-Δt 0
额定工况下励磁绕组温升的确定则根据上述试验, 测得的励磁绕组温升及励磁绕组热态电阻, 作Δt =f (I 2f , R f ) 曲线, 即可求得励磁绕组温升。
2. 2 定子叠频法在异步机形式试验中的研究
东方电机厂采用定子叠频法进行异步电机温升试验, 其优点是无需机械联接, 适用不合适陪试机的大型立式电动机。试验时, 将两种不同频率的电压串联后连到被试电机的接线端上, 其接线原理如图1所示, T F 1是主同步发电机, 是输出额定频率(50Hz ) 及额定电压的电源; T F 2是辅助同步发电机, 其频率f 2一般低于额定频率几赫兹到10Hz 左右, 称为辅助电源
。
2. 4 低功率因数负载法在同步机形式试验中的研究
东方电机厂采用低功率因数负载法测量0. 3万kW 同步电动机的温升。由于试验站同步机的容量最大为单机0. 275万kVA , 无法满足0. 3万kW 被试机进行零功率因数负载试验的要求, 为此, 采用一台0. 275万kVA 同步电机TF 拖动被试机和另一台0. 2750万kVA 同步陪试电机的试验方法, 试验接线如图3所示。试验时, 将被试机和陪试机以电动机方式启动, 运行到额定转速, 增加被试机的励磁电流, 使被试机运行在过励电动机状态, 定子绕组发出I N =200A 的无功电流, T F 运行在欠励发电机状态, 吸收无功电流, 陪试机运行在欠励电动机状态, 吸收无功电流, 被试机及陪试机的损耗由TF 提供, , 使被试电机在额定频率、额定励磁电流、额定电枢电流工况下运行, 直到电机的温升趋于稳定, 即可求得电机各部分温升。
图1 定子叠频法电机温升试验原理图
试验时, 发电机TF 1及T F 2的相序必须一致, 先由主发电机T F 1供电启动, 被试电机使其在额定电压、额定频率下运转, 再将辅助发电机T F 2启动, 使其频率为f 2, 然后将T F 2励磁投入, 增大TF 2的电压, 被试电动机的电流随之增大, 调整至额定电流时, 便可进行温升试验, 此时定子铜耗、磁通值及定子铁心损耗基本上都与额定负载试验时相同。
用叠频法进行异步电机温升试验的试验能力取决于试验设备机组的容量, 为提高异步电机的试验能力, 还可利用1台变压器进行半电压叠频等值加载温升试验, 试验线路见图2
。
图3 功率因数负载法原理图
试验过程中如电枢电压小于额定电压的95%,则电枢绕组温升、定子铁心温升还需按下列方法修正:
(1) 补作电枢电压等于额定电压的空载温升和电枢电压等
图2 加载温升试验原理图
于低功率因数负载温升电压的空载温升, 从而算出额定工况下的电枢绕组温升及定子铁心温升。
(2) 按经验公式算出额定工况下的电枢绕组温升及定子铁心温升。
2. 3 空载短路法在同步机形式试验中的研究
进行5000kW 同步电机的温升试验时, 上海电机厂采用空载短路法, 在电机卧装时, 分别进行以下4次试验。
(1) 电机空转, 不加励磁, 测得温升为Δt 0;
(2) 电机空载, 电枢电压等于105%额定值, 测得温升为Δt U 1; (3) 电机空载, 电枢电压等于120%额定值, 测得温升为Δt U 2;
(4) 电机三相对称断路, 电枢电流等于额定值, 测得温升为Δt K 。
t 。
3 分析与结论
同步机和异步机都有几种可选择的温升试验方法, 但基本原则是尽量采用直接法。对于大型电动机而言, 方法的选择受限于试验设备的容量、安装等因素。从东深工程配套电机温升试验的结果(见表1) 看, 各部温升均满足合同中规定的80K 限值的要求, 实际运行中由于功率未能达到额定, 故温升比试验值更低。
中国农村水利水电·2003年第9期
57
东深供水改造工程同步电动机励磁系统
许旭生
广东(广东省水利电力勘测设计研究院
广州510170)
摘要 从励磁系统的启动投励、整流、灭磁和励磁调节等相关环节介绍东深供水改造工程同步电动机的励磁系统设计, 主要阐述励磁系统的设备构成、参数、原理和功能, 重点反映本工程励磁系统的技术特点。 关键词 同步电动机 励磁系统 可控硅 调节器
变、整流, 并且必须相对提高硅元件的容量和抗过压能力; 半控桥控制相对简单、易造成失控, 但也可充分利用失控工况继续保持工作, 对元件容量和抗过压能力要求较低, 调节性能较差、谐波分量大。综合各技术因素, 全控桥相对更代表先进的控制技术, 对于大型同步机励磁更为合适, 并且应用相对广泛。
(3) 励磁调节器可采用单调节器或双调节器, 双调节器可以进行备用、冗余, 但必须确保通道同步跟踪和无扰动自动切换。目前调节器已由传统的模拟式向微机数字式过渡, 数字式调节器采用现代控制技术, 调节性能、功能更加优越、对内对外接口更加方便、灵活, 并且体积小。
(4) 励磁交流电源取自400V AC 厂用电已得到普选采用, 证实是可靠的, 厂用电备自投的切换时间(1s 内) 不会造成失励失步和对电机的不良影响。
(5) 目前已建的同步电动机励磁系统一般对外通信方式和功能尚不先进, 通信信息量很少, 多采用硬布线或封闭的专用协议通信, 要满足无人值班运行和融入泵站监控系统统一远方监控、调节尚需进行系统完善和技术创新。
1 工程简介
东深供水改造工程新建莲湖、旗岭和金湖三个供水泵站, 每个泵站各安装8台泵组(其中4台同步电动机, 4台异步电动机) 。莲湖泵站每台电动机功率0. 3万kW ; 旗岭泵站每台电动机功率0. 5万kW ; 金湖泵站每台电动机功率0. 5万kW 。
同步电动机具有功率因数高、稳定性好、提高电能利用率等优点, 鉴于本工程确保向香港供水的重要性, 作为同步电动机的重要环节, 励磁系统必须具备高可靠性和优越的控制调节性能并满足无功就地平衡的电力系统要求。
2 大型同步电动机励磁系统技术现状
(1) 大型同步电动机励磁系统采用静止可控硅整流技术已相当成熟, 国内外厂商均能自主开发、生产。
(2) 硅整流单元采用三相全控桥式技术或采用三相半控桥式, 目前还有着很大的技术争议, 严格讲各有优缺点。全控桥实现整流、逆变, 调节品质好, 运行特性好, 但必须确保可靠逆
表1 东深工程配套电机温度试验结果
生产厂家形 式
设
备基本数据
型 号额定功率 kW 额定电压 kV 额定电流 A 额定转速 (r ·min -1) 冷却方式
试验结果
定子绕组温升 K 定子铁心温升 K 转子绕组温升 K 推力轴承温升 K
同步电动机TLJ2600-24
[1**********]0IC81W 47. 348. 561. 444
◆
东方电机厂
异步电动机YLS2600-24
[1**********]8IC81W 7679-47
[作者简介] 杜灿阳, 男, 工程师
(收稿日期:2003-07-29)
同步电动机T LKS5000-24
[1**********]0IC 81W 60. 732. 862. 630. 3
上海电机厂
异步电动机YLKS5000-24
[1**********]8IC81W 63. 761. 6-48. 2