小型内置永磁交流发电机的并联运行

摘要

小型(kW级)便携式AC发电机组用于驱动隔离交流负载,通常由柴油或汽油原动机和励磁同步发电机组成。并联运行这些发电机组能够带来很多便利,因为具有操作和效率优势。用永磁发电机代替励磁发电机能提高系统效率和可靠性。本文实验性探索了永磁发电机的并联运行情况,展示了并联运行的良好性能。

 

 

一、前言

便携式AC发电机组设计用于驱动小型(kW级)隔离交流负载,通常由柴油或汽油原动机和励磁同步发电机组成。控制设备通过改变原动机的速度来调节AC输出频率,通过改变同步发电机的励磁电流来调节输出电压。

通常并联运行两台或两台以上的小型发电机组比单独一台大型发电机组更可行,因为小型发电机组更容易运输,并且允许其中一台机组在负载较小时停机,这样就能明显提高燃料效率。基于获得旋转储备或冗余水平的能力,并联运行还具有维护更方便、将来扩展更容易、可靠性更s高的特点。

交流发动机并联时,他们以相同的电压和频率运行,重要的是,他们按额定功率的比例分担有功(kW)和无功(kVAr)功率负载。有功功率分担涉及到原动机速度(油门)控制,而无功功率分担涉及到励磁电流励磁控制[1]。

常见的交流发电机被动并联方式是采用下垂控制,发电机组具有同样的空转速度和电压,两台发电机的速度和电压设计为满载时降低(下垂)同样的量(一般为3-5%)。另外可以采用更加复杂的主动并联控制系统,它能够监控每台发电机的有功输出和无功输出并控制其按额定功率比例输出,无需改变负载情况下的输出电压或频率。

最近,一种新颖的内置永磁交流发电机(PM)被开发出来,以替代小型(kW级)发电机组的励磁交流发电机[2]。尽管没有励磁控制,由于设计精细,这款交流发电机的电压调整仍然令人满意。与传统的励磁交流发电机相比,这款交流发电机的效率更高、尺寸更小、重量更轻。

本文测试了内置永磁交流发电机并联运行时的性能情况。

Fig 1 and 2

两极、3,000rpm、8kVA内置永磁交流发电机的横截面如图1所示。完整的交流发电机图片见图2。

采用两台小型单缸发动机(一台柴油、一台汽油发动机)进行测试,两台均与同样的两极三相内置永磁交流发电机相连。柴油发动机额定功率为12hp (9kW),而汽油发动机为额定功率为13hp (9.7kW)。发动机是不同的厂家生产的,选用不同类型的发动机测试具有不同负载特点的并联系统的性能。

采用三相接触器和简单的电子电路设置并联开关,用于探测相波形同步时的点位。三相电路的零线连接在一起,三相处于开路,待接触器闭合时加以连接,形成并联电路。

本文阐述了验证交流发电机并联运行性能的一系列测试情况。第二部分阐述了稳态负载分担测试,第三部分探讨了阶跃负载瞬态波形,第四部分阐述了并联交流发电机启动感应电机的能力。

 

二、稳态并联测试

本部分测试了稳态、三相电阻负载组条件下并联交流发电机分担负载的能力。

第一步是分别对两台发电机组进行负载测试,分别产生一个负载电压下降曲线,如图3(a)所示。尽管交流发电机是一样的,发动机油门反应却完全不同,导致两台发动机产生不同的电压vs负载曲线。这样,一般很难通过简单控制实现两台发电机组的并联。

然后,采用前述的简单开关装置将两台发动机组并联。试验中采用的并联方法为下垂并联法,这种方法要求负载电流升高的时候交流发电机电压下降,这样交流发电机能够自动平衡两台并联交流发电机之间的负载。传统的励磁交流发电机需要增加一个下降电流变压传感器与自动电压调节器(AVR)进行反馈从而实现下垂并联。

最初的测试并不是为了调节发动机油门从而使空载时的电压达到平衡。

图3(a)所示为两台交流发电机并联时的负载电压曲线。并联曲线随着汽油发电机电压负载曲线运行,直到负载达到3500W,然后柴油发动机开始分担负载。从4500W到最大负载12500W,柴油发动机所分担的负载逐步增加(基于其输出电流),直到达到最大负载时发动机额定功率的相应比例。线路总谐波失真率处于1.4-2%范围内,相位总谐波失真率从2%增加至约6%。

图3(b)所示为两台并联交流发电机的输出电流以及它们之间的环流。两台交流发电机空载输出电压操作点之间存在差异使两台发电机组之间在空载时产生大约6A的环流,使两台发电机组之间形成循环无功功率。空载绕组铜线损失总计约为150W,每台交流发电机为75W,属于交流发电机绕组的限值以内。负载更高时,环流会降至约2A。

接下来调节柴油发动机的油门降低空载时的环流,结果如图4所示,在整个负载范围内,环流低很多,低于2A。看起来交流发电机分担了更多的输出电流,符合发动机额定功率。净输出功率vs 下垂曲线与油门调节之前的情况相当。

Fig 3

Fig. 3.   Before throttle adjustment. (a) voltage droop versus output power for two gen-sets independently and in parallel. (b) current from each alternator and circulating current.

图3:油门调节前(a)两台发动机组单独与并联时的电压下降vs输出功率;

(b)每台交流发电机的电流与环流。

 

Fig 4

图4:油门调节后(a)两台发动机组单独与并联时的电压下降vs输出功率;(b)每台交流发电机的电流与环流。

 

图5所示为并联运行、空载(a)与3ph、12kW均衡电阻负载(b)条件下线电压(振幅较大,蓝色)与相电压(振幅较小,红色)波形范例,其正弦波合理、质量高,总谐波失真率合格。

Fig 5

图5:并联波形(a)空载电压波形(大小:10ms/div) (b) 12Kw负载下的电压波形(大小:160V/div)

 

三、负载变化瞬态

开展研究的目的是了解并联发电机组负载变化时的电压波形瞬态情况。

图6(a) 所示为12kW电阻负载时的波形情况。当波形向右移动至新的负载下时,只出现了较小的电压干扰,这是因为交流发电机具有通量曳力效应,负载能够引起定子磁场从开路位置相对于转子旋转,这种效应瞬间发生。注意:由于速度在图表时间尺度内变化,发动机飞轮动量会阻止频率变化或额外电压下降。

图6(b) 所示为13kW电阻负载突然移除时的波形情况。刚好能够看到负载移除时的点位,在相电压波形中最明显,该波形显示:当波形移回至空载位置时,波形的峰部显得更尖锐。它在循环过程中出现,没有电压过冲,波形失真非常少。

 

Fig 6

图6:阶跃负载变化下的瞬态线电压和相电压波形 。(a)0-12Kw (大小:10ms/div、160V/div);(b)13-0KW(大小:7.8ms/div、130V/div)

 

四、电机启动瞬态

开展研究的目的是了解两台并联发电机组所产生的电机启动能力改善情况。

直接启动kW级感应电机整机时会吸引很高的启动电流,通常瞬间电流比额定电流高数倍。重要的是:启动期间交流发电机输出电压不能降低30%以上,否则会引起与交流发电机相连的其他设备出现故障,如荧光灯可能会停止工作(熄灭),接触器可能掉落。

考虑启动标准的5.5kw三相3000rpm感应电机。从图4的特征来看,在满载情况下,一台交流发电机单独很难驱动电机,在电流更高的情况下就更难启动了。

图7(a)所示为采用单台柴油发电机时感应电机启动时的波形。电机连上时,电压降至约190V(rms),降幅约为50%,这种降幅是无法接受的。因此单台柴油发电机组本身不适合用于启动5.5kW三相电机。

图7(b)所示为两台发电机组并联时的波形。现在电压降至约290V,属于电压降幅30%的要求范围内。图右边的电压显著升高说明电机比单台交流发电机时加速更快。速度增加导致电流降低,电压升高。这反映出瞬态条件下(如电机启动)并联模式的两台发电机组能够有效运行。

 

Fig 7

图7:5.5kW电机启动瞬态。(a)单台柴油交流发电机(大小:31ms/div、138V/div);(b)两台交流发电机并联(大小:38ms/div、135V/div)。

 

五、结论

配备内置永磁交流发电机的两台发电机组能够并联运行,不会产生任何问题。它们能够按照额定的发动机功率按比例分担负载,从输出功率和电机启动能力方面来说,两台并联发电机与单台大型发电机组是一样的。对于不同的发动机类型,其并联运行是一样的。测试显示这些内置永磁交流发电机的并联简单而有效,即使驱动发动机不相同也可以采用并联模式。交流发电机并联运行或单独运行时波形失真很少,在任何负载条件下均能一起流畅运行。

尽管本文只描述了两台8 kVA交流发电机的三相并联情况,实际上单相交流发电机(每台不高于20kW)、同类型四极、三相24kw交流发电机也已经成功进行并联运行,没有出现任何问题。

全文将包含进一步试验结果,包括瞬态条件下交流发电机之间的电流分担情况。

 

参考文献

 

[1] G. Olsen, “并联的不同发电机: 第1-3部分,” 康明斯发电白皮书, 网址:http://power.cummins.com/onanpowerWeb/navigation.do?pageId=578&parentId=504&linkName=Brochures,%20Case%20Histories,%20Technical%20Papers

[2] “用于便携式AC发电机组的内置永磁发电机”, ECCE 2014。

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