Prüfrichtlinien für Permanentmagnetgeneratoren: wesentliche Betriebsnormen, Belastungsverfahren und Sicherheitsbestimmungen

Permanentmagnet-Synchrongeneratoren (PMSG) verwenden Hochleistungs-Seltenerd-Permanentmagnete zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes, das keinen externen Erregerstrom benötigt. Sie bieten daher eine extrem hohe Effizienz bei der Umwandlung von elektrischer Energie (typischerweise bis zu 92 %–96 %) und eine ausgezeichnete Leistungsdichte. Ihre einzigartige physikalische Struktur bedingt jedoch signifikante Merkmale in der elektrischen Ausgabe:

Während des Generatorbetriebs ist die Leerlaufspannung in der Regel deutlich höher als die Volllastspannung. Dies liegt hauptsächlich an der internen Impedanz (Statorwicklungs-Widerstand und Streuinduktivität) im Generator. Wenn der Generator unbelastet ist, ist der Ausgangsstrom extrem gering, der interne Spannungsabfall nahezu null, und die Klemmenspannung liegt nahe der idealen Gegenspannung; wenn eine Volllast angeschlossen ist, erzeugt der große Strom, der durch die interne Impedanz fließt, einen signifikanten Spannungsabfall, der zu einem Abfall der Ausgangsklemmenspannung führt.

Beispielsweise kann die Leerlaufspannung eines Permanentmagnetgenerators mit einer Nennspannung von 690 V etwa 756 V–780 V betragen, was ein völlig normales physikalisches Phänomen und kein Fehler ist.

Die Ausgangsspannung eines Permanentmagnetgenerators ist sehr empfindlich gegenüber den Lastcharakteristiken. Selbst wenn die Drehzahl des Primäraggregats (wie z. B. einer Windkraftanlage, Wasserturbine oder eines Dieselmotors) absolut stabil bleibt, schwankt die Ausgangsspannung, wenn sich die Größe oder Art der Lastleistung ändert, entsprechend.

• Wenn eine Hochlast angeschlossen wird, steigt der Statorstrom, der Spannungsabfall aufgrund der internen Impedanz nimmt zu und die Klemmenspannung sinkt.
• Wenn eine Niedriglast angeschlossen wird, erholt sich die Klemmenspannung.
• Wenn nichtlineare Lasten (wie LED-Beleuchtung, Schaltnetzteile usw.) angeschlossen werden, verursachen die vom Laststrom erzeugten Oberwellen zusätzliche gegenläufige rotierende Magnetfelder und Spannungsverzerrungen im Generator, was zu Spannungsschwankungen führt.

Da Permanentmagnete Spannungsabfälle nicht durch Anpassung des Erregerstroms wie bei fremderregten Generatoren kompensieren können, ist die Spannungsregelrate relativ schwach. Dies ist auch der Grund, warum Permanentmagnetgeneratoren, selbst wenn sie 380 V/50 Hz liefern und das vorgeschaltete Antriebssystem stabil ist, nicht empfohlen werden, direkt mit Last zu starten – die Lasthöhe verursacht direkt Änderungen der Ausgangsspannung.

Basierend auf den oben genannten Merkmalen ist es absolut verboten, einen Permanentmagnetgenerator direkt mit geschlossener Ausgangsschalter (d. h. mit angeschlossener Last) zu starten. Das korrekte Betriebsverfahren ist:

1. Stellen Sie zuerst den AC-Ausgangsschalter auf die Position AUS.
2. Starten Sie den Generator und lassen Sie ihn 1–2 Minuten unbelastet zum Vorwärmen laufen (in kalten Umgebungen auf 3–5 Minuten verlängern).
3. Nachdem die Einheitsdrehzahl, Frequenz und Leerlaufspannung vollständig stabil sind, die Last schrittweise anlegen.

Beim direkten Starten mit Last können der enorme Einschaltstrom und starke Spannungsschwankungen leicht zu Isolationsdurchschlägen der Generatorwicklung, Schutzabschaltungen oder sogar zum Absterben des Motors und zu mechanischen Schäden führen.

Um die Genauigkeit der Testergebnisse und die Sicherheit der Permanentmagnetgeneratorausrüstung zu gewährleisten, wird dringend empfohlen, einen Motor (oder ein Primäraggregat) mit einer Antriebsleistung von mindestens dem 1,1-fachen der Nennleistung des Generators zum Antrieb zu verwenden. Das heißt:

Antriebsleistung ≥ Generator-Nennleistung * 1,1

Beispielsweise sollte für einen Permanentmagnetgenerator mit einer Nennleistung von 30 kW ein Antriebsmotor mit einer Leistung von mindestens 33 kW ausgewählt werden.

Wenn die Antriebsleistung deutlich geringer ist als die Nennleistung des Generators (z. B. Verwendung eines 5-kW-Motors zum Antrieb eines 30-kW-Generators), ergeben sich folgende schwerwiegende Folgen:

1. (1) Nichterreichen der Nenndrehzahl

Die Ausgangsspannung des Generators ist proportional zur Drehzahl. Wenn die Antriebsleistung unzureichend ist, kann der Motor den Generator nicht auf Nenndrehzahl beschleunigen, was zu einer Ausgangsspannung und -frequenz führt, die beide unter den Nennwerten liegen. Ein 30-kW-Generator benötigt mehr als 30 kW mechanische Eingangsleistung, um die elektrische Nennleistung zu liefern; das 5-kW-Antriebsdrehmoment ist bei weitem nicht ausreichend, und die Drehzahl wird stark reduziert sein.

1. (2) Ausgangsspannung und -frequenz entsprechen nicht den Spezifikationen

• - Niedrige Spannung: kann die Nennspannung (z. B. 380 V/400 V/690 V usw.) nicht erreichen, was ordnungsgemäße Tests unter Nennbedingungen unmöglich macht.
• - Niedrige Frequenz: für ein 50-Hz-System führt eine unzureichende Drehzahl dazu, dass die Frequenz von 50 Hz abweicht, was die Testdaten ungültig macht.
• - Unfähigkeit, Volllasttests durchzuführen: Nur Leerlauf- oder Leichtlasttests können durchgeführt werden, und die Lastfähigkeit des Generators kann nicht überprüft werden.

1. (3) Überlastungsschäden am Antriebsmotor

Langfristiger Betrieb des Antriebsmotors unter Überlastbedingungen führt zu:

• - Überhitzung der Wicklung, beschleunigte Alterung der Isolierung, Verkürzung der Motorlebensdauer.
• - Mögliche Auslösung von Überlastschutzschaltern, Unterbrechung von Tests.
• - In schweren Fällen Ausbrennen des Antriebsmotors.

1. (4) Ungültige Testergebnisse

Da die Drehzahl nicht auf den Nennwert stabilisiert werden kann, haben alle Testdaten (Spannungsregelrate, Wirkungsgrad, Temperaturanstieg usw.) keinen Referenzwert, und es können keine genauen Testschlüsse gezogen werden.

Neben der Leistungsanpassung ist die Drehzahlstabilität der Antriebsausrüstung ebenso entscheidend:

• Die Drehzahlschwankung sollte innerhalb von ±1 % der Nenndrehzahl liegen.
• Übermäßige Drehzahlschwankungen führen zu Schwankungen der Ausgangsfrequenz und Wellenformverzerrungen.
• Es wird empfohlen, einen Frequenzumrichtermotor oder einen Dieselmotor mit Drehzahlregelung als Antriebsquelle zu verwenden, um eine präzise und steuerbare Drehzahl zu gewährleisten.

• Bestätigen Sie, dass die Antriebsmotorleistung ≥ 1,1-mal der Nennleistung des Generators entspricht.
• Überprüfen Sie die Ausrichtung der Kupplung zwischen Antriebsmotor und Generator.
• Bestätigen Sie, dass alle Generator-Anschlussklemmen fest und zuverlässig sind und die Phasenfolge korrekt ist.
• Überprüfen Sie den Isolationswiderstand (Statorwicklung gegen Masse und zwischen den Phasen); der kalte Isolationswiderstand sollte nicht weniger als 500 MΩ betragen.
• Bestätigen Sie, dass alle Messinstrumente (Voltmeter, Amperemeter, Leistungsmesser, Frequenzmesser, Thermometer usw.) kalibriert sind und innerhalb der Gültigkeitsdauer liegen.
• Bestätigen Sie, dass die Nennspannung der Lastbox oder der Lasteinrichtung mit der Ausgangsspannung des Generators übereinstimmt.

• - Richten Sie Sicherheitsabsperrungen im Testbereich ein; Nicht-Testpersonal ist der Zutritt verboten.
• - Bediener müssen isolierende Handschuhe, isolierende Schuhe und andere persönliche Schutzausrüstung tragen.
• - Bestätigen Sie, dass alle Schutzvorrichtungen (Überstrom, Überspannung, Übertemperatur) vor dem Test betriebsbereit sind.
• - Bei Hochspannungsprüfungen muss eine dedizierte Person zur Überwachung zugewiesen werden, und befolgen Sie strikt das Prinzip "nicht-zerstörende Prüfungen vor zerstörenden Prüfungen, Niederspannung vor Hochspannung".
• - Nach dem Test, stellen Sie sicher, dass die Ausrüstung vollständig entladen ist.

1. Stellen Sie sicher, dass der Generator-Ausgangsschalter in der offenen (Leerlauf-) Position ist.
2. Starten Sie den Antriebsmotor und erhöhen Sie langsam die Drehzahl auf die Nenndrehzahl des Generators.
3. Nachdem Drehzahl und Frequenz stabil sind, notieren Sie die Leerlauf-Leitungsspannung und Phasenspannung.
4. Passen Sie die Drehzahl schrittweise an, notieren Sie die Leerlaufspannung bei verschiedenen Drehzahlen und zeichnen Sie die Leerlaufkennlinie auf.
5. Messen Sie den Leerlaufstrom (sollte nahe Null sein).
6. Notieren Sie den Temperaturanstieg im Leerlaufbetrieb (nach 30 Minuten Betrieb).

Hinweis: Die Leerlaufspannung eines Permanentmagnetgenerators ist in der Regel höher als die Volllastspannung; dies ist normal. Zum Beispiel kann die Leerlaufspannung eines Generators mit einer Nennleistung von 690 V etwa 756 V betragen.

1. Bei Nenndrehzahl bestätigen Sie, dass die Leerlaufspannung stabil ist.
2. Verwenden Sie eine schrittweise Belastungsmethode, wobei die Last schrittweise auf 25 %, 50 %, 75 % und 100 % der Nennleistung erhöht wird.
3. Nachdem jede Laststufe 10–15 Minuten stabil gelaufen ist, notieren Sie folgende Daten:

• Leitungsspannung, Phasenspannung
• Leitungsstrom, Phasenstrom
• Wirkleistung, Blindleistung, Leistungsfaktor
• Frequenz
• Wicklungstemperatur, Lagertemperatur, Gehäusetemperatur

1. 4. Berechnen Sie die Spannungsregelrate: ΔU% = (U₀ - U) / U * 100 % (U₀ ist die Leerlaufspannung, U ist die Nennlastspannung)

1. Kontinuierlicher Betrieb bei Nennlast, bis die Temperatur jedes Teils stabil ist (Temperaturanstieg-Änderung überschreitet nicht 1 K/h).
2. Verwenden Sie ein Infrarot-Wärmebildgerät oder einen Temperaturrekorder zur Überwachung:

• - Statorwicklungstemperatur (mittels eingebetteter Widerstandsmethode oder Thermoelementmethode)
• - Lagertemperatur
• - Permanentmagnet-Oberflächentemperatur (strengstens nicht die maximal zulässige Temperatur für das Permanentmagnetmaterial überschreiten, typischerweise 80–180 °C, abhängig von der Magnetgüte)
• - Gehäuseoberflächentemperatur

1. 3. Notieren Sie die Temperaturanstiegswerte jedes Teils (relativ zur Umgebungstemperatur)

Die Nenndrehzahl ist die Referenzdrehzahl für den Generator-Designbetrieb. Bei dieser Drehzahl:

• Die Ausgangsfrequenz ist die Nennfrequenz (z. B. 50 Hz oder 60 Hz)
• Die Ausgangsspannung ist die Nennspannung (z. B. 380 V/400 V/690 V)
• Alle Leistungsparameter (Wirkungsgrad, Leistungsfaktor, Temperaturanstieg usw.) basieren auf Testwerten bei Nenndrehzahl

Formel zur Drehzahlberechnung: n = 60f / p

Dabei gilt: f ist die Nennfrequenz (Hz), p ist die Anzahl der Polpaare.

Beispiel: Für einen 50-Hz-, 12-poligen (p=6) Generator beträgt die Nenndrehzahl n = 60*50/6 = 500 U/min.

• Zu hohe Drehzahl: Ausgangsspannung und -frequenz steigen, was möglicherweise zu Isolationsüberlastung führt und die Testdaten zu hoch ausfallen lässt.
• Zu niedrige Drehzahl: Ausgangsspannung und -frequenz sinken, Nennbedingungen werden nicht erreicht, und die Testdaten sind zu niedrig und ungültig.
• Drehzahlschwankungen: führen zu Schwankungen der Spannungsfrequenz und Wellenformverzerrungen, und die Testdaten weisen eine große Streuung auf.

• Schwankung der Nenndrehzahl: ≤ ±1 %
• Wiederherstellungszeit der Drehzahl-Schrittantwort: ≤ 5 Sekunden (nach plötzlicher Laständerung)
• Es wird empfohlen, einen Frequenzumrichtermotor mit Drehzahlrückkopplung und geschlossenem Regelkreis zu verwenden

Die Ausgangsspannung des Generators muss strikt mit der Nennspannung der Prüfausrüstung übereinstimmen. Stellen Sie vor der Prüfung sicher, dass Sie mit einem Multimeter oder einem Netzqualitätsanalysator die Leerlauf-Ausgangsspannung des Generators überprüfen und sicherstellen, dass diese innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs der Prüfausrüstung liegt.

Wenn die Ausgangsspannung des Generators zu hoch ist (die Nennspannung der Prüfausrüstung um mehr als 10 % überschreitet), führt dies zu:

• Isolationsdurchschlag: Überspannung überschreitet die Spannungsfestigkeitsgrenzen der internen elektronischen Komponenten und Isoliermaterialien der Prüfausrüstung.
• Kondensatorplatzer: Elektrolytkondensatoren werden durch Überspannung beschädigt.
• Halbleiterdurchbrennen: Leistungshalbleiterbauelemente fallen aufgrund von Überspannungsdurchschlag aus.
• Sättigung des Magnetkreises: Bei Prüfgeräten vom Typ Transformator oder Motor führt eine Überspannung zur Sättigung des Kernmagnetkreises, der Magnetisierungsstrom steigt stark an, und das Gerät erwärmt sich schnell und brennt aus.

• Reduzieren Sie vor der Prüfung die Spannung auf den zulässigen Nennbereich der Ausrüstung, indem Sie die Drehzahl des Antriebsmotors oder einen unterstützenden Umrichter anpassen.
• Bei Permanentmagnetgeneratoren, da die Erregung nicht angepasst werden kann, wird die Ausgangsspannung hauptsächlich durch Anpassung der Antriebsdrehzahl gesteuert.
• Es wird empfohlen, am Generatorausgang einen Umrichter, eine spannungsstabilisierende Frequenzstabilisierungseinheit oder einen Controller/Inverter zu installieren, um Prüfgeräte mit unterschiedlichen Nennspannungen anzupassen und die Anforderungen für Netzanschluss und Energiespeicherung zu erfüllen.

Gewöhnliche fremderregte Generatoren können die Ausgangsspannungsstabilität durch Anpassung des Erregerstroms aufrechterhalten, während das Magnetfeld eines Permanentmagnetgenerators von Permanentmagneten bereitgestellt wird und konstant und nicht einstellbar ist. Daher spiegeln sich Laständerungen direkt in der Ausgangsspannung wider. Deshalb müssen Permanentmagnetgeneratoren zuerst im Leerlauf stabil laufen, bevor sie schrittweise belastet werden.

1. Sofort schrittweise entlasten; den Hochstromschalter nicht direkt öffnen.
2. Prüfen Sie, ob die Antriebsdrehzahl stabil auf dem Nennwert ist.
3. Prüfen Sie, ob die Last zu groß ist oder ein Kurzschluss vorliegt.
4. Prüfen Sie, ob die Verkabelung korrekt ist, ohne Lockerung oder schlechten Kontakt.
5. Wenn die Spannung weiterhin abnormal ist, die Maschine sofort zur Inspektion stoppen.

1. Schrittweise auf Leerlauf entlasten, 2–3 Minuten zum Abkühlen laufen lassen.
2. Den Lastschalter öffnen.
3. Die Drehzahl des Antriebsmotors langsam auf Null reduzieren.
4. Die Stromversorgung trennen.
5. Die Generatorausgangsklemmen entladen.
6. Testdaten und Gerätestatus aufzeichnen.

Die Kernpunkte der Prüfung von Permanentmagnetgeneratoren lassen sich in den folgenden vier Punkten zusammenfassen:

1. 1. Antriebsleistung muss ausreichend sein: Antriebsmotorleistung ≥ Generator-Nennleistung * 1,1, "kleiner Gaul zieht großen Wagen" ist strengstens verboten.
2. 2. Drehzahl muss stabil sein: Schwankung der Nenndrehzahl ≤ ±1 %, Frequenzumrichterantrieb wird empfohlen.
3. 3. Erst im Leerlauf starten, dann Last anlegen: Starten mit Last ist strengstens verboten; Last muss schrittweise angelegt werden, und jede Stufe muss stabilisiert werden, bevor die nächste hinzugefügt wird.
4. 4. Spannung muss angepasst sein: Stellen Sie sicher, dass die Ausgangsspannung des Generators mit der Nennspannung der Prüfausrüstung übereinstimmt, um Überspannungsschäden an der Ausrüstung zu vermeiden.

Die strikte Einhaltung der oben genannten Prüfrichtlinien gewährleistet die Sicherheit der Prüfung von Permanentmagnetgeneratoren und die Genauigkeit der Daten.