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故障檢查與技術(shù)維護 |
發(fā)電機失磁的原因及其影響、物理現象和電量變化 |
摘要：發(fā)電機失去直流勵磁稱(chēng)為失磁。發(fā)電機失磁后，經(jīng)過(guò)同步振蕩進(jìn)入異步運行狀態(tài)，發(fā)電機在異步運行狀態(tài)下，以低滑差s與電網(wǎng)并列運行，從系統吸取無(wú)功功率建立磁場(chǎng)，并向系統輸入一定的有功功率，是一種特殊的運行方式。解決發(fā)電機失磁問(wèn)題首選我們需要了解發(fā)電機工作原理和勵磁系統的作用，本文康明斯發(fā)電機廠(chǎng)家帶您了解失磁的相關(guān)知識。
一、同步發(fā)電機工作原理
同步發(fā)電機是用于發(fā)電的一種設備，它是一種機械設備，通過(guò)發(fā)電機的運轉產(chǎn)生電能。它的工作原理是，機械能轉換成電能的一種裝置，它將機械能轉換成電能，以滿(mǎn)足客戶(hù)的電力需求。同步發(fā)電機的運行原理是，當外加電流作用于發(fā)電機繞組時(shí)，發(fā)電機內部磁路形成，產(chǎn)生發(fā)電機內部的偶極磁場(chǎng)，并且發(fā)電機內部的磁場(chǎng)與外界的電流磁場(chǎng)相互作用，形成發(fā)電機的轉子旋轉，從而產(chǎn)生發(fā)電。
發(fā)電機的電力輸出是通過(guò)調節外加電流的頻率來(lái)實(shí)現的，外加電流的頻率可以控制發(fā)電機的轉速，從而控制發(fā)電機的輸出功率。當發(fā)電機的外加電流頻率較低時(shí)，發(fā)電機的轉速減慢，功率減??；當發(fā)電機的外加電流頻率較高時(shí)，發(fā)電機的轉速增加，功率增加。
發(fā)電機的轉子與定子之間有一定的角位移，稱(chēng)為同步角調和，這個(gè)角調和也是發(fā)電機的重要參數，它決定了發(fā)電機的輸出功率。當發(fā)電機轉子旋轉時(shí)，發(fā)電機轉子與定子之間的同步角會(huì )發(fā)生變化，發(fā)電機的輸出功率也會(huì )發(fā)生變化。
同步發(fā)電機的特點(diǎn)是它的輸出功率可以根據需求進(jìn)行調節，可以滿(mǎn)足客戶(hù)的不同需求。另外，同步發(fā)電機的發(fā)電效率高，可以有效地節約能源。
其具體原理和結構分別如圖1、圖2所示，用柴油發(fā)動(dòng)機拖動(dòng)交流發(fā)電機轉子使其到達同步轉速n，后在勵磁繞組中通入直流電流建立恒定磁場(chǎng)，定子繞組切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生感應電動(dòng)勢E。其公式如下：
● 頻率
? =nρ/60
● 大小
E0= 4.44?N1Kw1∅0
● 波形
由e=blν可知，波形取決于b的空間分布。
● 相序
相序變換公式可以表示為：
正序分量：U1 = (Ua + Ubw + Ucw) / 3
負序分量：U2 = (Ua + Ubw^2 + Ucw^2) / 3
零序分量：U0 = (Ua + Ub + Uc) / 3
其中，Ua、Ub和Uc分別表示A相、B相和C相電壓，w為虛數單位，滿(mǎn)足w^3 = 1。
以上就是同步發(fā)電機的工作原理。它可以有效地將機械能轉換成電能，為客戶(hù)提供電力。它的特點(diǎn)是輸出功率可以根據需求進(jìn)行調節，可以滿(mǎn)足客戶(hù)的不同需求，發(fā)電效率也非常高，可以有效地節約能源。
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圖1 同步交流發(fā)電機原理圖 |
圖2 同步交流發(fā)電機結構分布圖 |
二、勵磁系統的作用
1、電壓控制
在發(fā)電機正常運行情況下，維持發(fā)電機機端或升壓變壓器的高壓側電壓在給定水平。
2、無(wú)功功率的分配
調節發(fā)電機輸出的無(wú)功功率，保證并列運行的發(fā)電機之間合理的無(wú)功分配。
3、提高并列運行的穩定性
可有效地提高柴油發(fā)電機組的靜態(tài)穩定性，并在一定程度上改善暫態(tài)穩定性，但可能引入負阻尼，引發(fā)低頻振蕩。
4、提高繼電保護動(dòng)作的靈敏性
交流發(fā)電機處于低負荷運行并發(fā)生短路故障，強勵可增大短路電流，繼而提高了繼電保護的靈敏度。
5、快速滅磁
可降低故障對發(fā)電機或升壓變壓器造成的損害。
6、改善運行條件
維持機端電壓在給定水平，繼而保證了發(fā)電機的電壓水平。
三、發(fā)電機失磁原因和解決辦法
1、失磁原因
在柴油發(fā)電機組使用過(guò)程中，我們經(jīng)常發(fā)現有刷電機出現失磁現象。引起發(fā)電機失磁的原因有轉子繞組故障、勵磁機故障、自動(dòng)滅磁開(kāi)關(guān)誤跳閘、半導體勵磁系統中某些元件損壞或回路發(fā)生故障依舊誤操作等。
（1）長(cháng)期閑置不使用造成的。
（2）變頻器載波頻率若很低也會(huì )引起正弦波波形不良，導致ID電流負值變大，導致失磁。
（3）極端溫度波動(dòng)：
眾所周知，磁體具有磁性的原因在于鐵、鈷、鎳或鐵氧體等鐵磁類(lèi)物質(zhì)內部的電子自旋可以在小范圍內自發(fā)地排列起來(lái)，形成一個(gè)自發(fā)磁化區，可是高溫足以改變這種特殊的內部結構，從而導致磁性消失。那究竟多高的溫度會(huì )導致失磁現象的發(fā)生呢？
○ 居里溫度：超過(guò)此溫度，磁性將完全消失。
○ 最高工作溫度：超過(guò)此溫度，磁性可能會(huì )發(fā)生不可靠惡化。常用來(lái)衡量可靠性。
（4）儲存不當或者腐蝕
大多數磁鐵都含有適量的鐵，鐵在氧氣和水的共同作用下會(huì )發(fā)生氧化腐蝕。有一些永磁體由于其含鐵量超過(guò)60%，這種情況下非常容易被腐蝕。腐蝕的發(fā)生改變了材料本身具有磁性的潛在化學(xué)結構（鐵→氧化鐵）從而導致磁性的損失。
（5）劇烈撞擊等外力導致的結構損壞
尖銳物體間的劇烈撞擊，比如反復敲打磁鐵或磁鐵不慎掉落在堅硬的物體表面上，以上情況會(huì )迫使磁疇排列方式發(fā)生改變從而降低磁性。但是對于發(fā)電機而言，兩者都具有堅強的外殼保護，一般情況下很難受到外界撞擊，這個(gè)影響因素的概率可忽略不計。
2、解決方法
（1）用專(zhuān)用充磁器對發(fā)電機轉子充磁（此類(lèi)方法一般適用于專(zhuān)業(yè)發(fā)電機廠(chǎng)或康明斯服務(wù)站），外形結構如圖3所示。
（2）簡(jiǎn)易充磁裝置，接線(xiàn)如圖4所示。
用12V/24V蓄電池對發(fā)電機轉子充磁，發(fā)電機應開(kāi)啟至略低于額定轉速，首選從蓄電池引出兩條電線(xiàn)，然后去碰發(fā)電機轉子的勵磁接線(xiàn)端，正極連接正極，負極連接負極，在轉子兩個(gè)碳刷處觸碰20-30秒左右（觸碰時(shí)火花小表示接線(xiàn)方向正確），然后迅速斷掉蓄電池與碳刷之間的連接，啟動(dòng)柴油發(fā)電機組即可。
（3）發(fā)電機在不并網(wǎng)的情況下開(kāi)啟至額定轉速，載上一定量的負載(發(fā)電機功率越大，負荷也要越大)，這樣發(fā)電機就起勵建壓，無(wú)需人工充磁。
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圖3 電容式充磁機 |
圖4 交流發(fā)電機充磁電路圖 |
四、失磁發(fā)電機的影響及現象變化
1、失磁對發(fā)電機的影響
（1）發(fā)電機失磁后大部分會(huì )出現無(wú)電壓電流輸出。
（2）會(huì )引起發(fā)電機失步，將在轉子的阻尼繞組、轉子表面、轉子繞組中產(chǎn)生差頻電流，若超出允許值，則將使轉子過(guò)熱。
（3）引起附加溫升并可能引起轉子局部高溫。
（4）產(chǎn)生嚴重過(guò)熱現象，危及轉子安全。
（5）同步交流發(fā)電機異步運動(dòng)，在定子繞組中將出現脈動(dòng)電流。
（6）產(chǎn)生交變的機械力矩，使機組發(fā)生振動(dòng)，影響發(fā)電機的安全。
（7）從發(fā)電機組中吸收很大的無(wú)功功率以建立發(fā)電機的磁場(chǎng)。
（8）發(fā)電機組容量較小或無(wú)功儲備不足時(shí)，引起發(fā)電機組電壓下降。
（9）低勵磁或失磁運行時(shí)定子端部漏磁增加，將使端部鐵心過(guò)熱。
2、失磁后的物理現象
（1）失磁初始階段∶
勵磁Uf減小，引起定子電動(dòng)勢E0、機端電壓U、定子電流I減??；滑差s和功角δ變化很小，機端輸出有功P 和無(wú)功Q下降。
（2）失去靜穩以前（δ<90°）∶
從圖5可以看出，U持續下降；δ持續增大；Q迅速減小并導致無(wú)功功率反向；s緩慢增加；由于滑差電動(dòng)勢補償了部分勵磁電壓的消失，且δ的持續增大，使有功P、I出現回升。又因發(fā)動(dòng)機功率不能很快改變，致使轉子加速減慢，s、P、I又隨之減小，這樣P、I出現波動(dòng)。實(shí)際上P在有功功率水平上做上下波動(dòng)，平均功率基本不變。
（3）靜穩極限時(shí)（δ=90°）∶
機端輸出無(wú)功反向，且為某一常數，這是發(fā)電機失磁后抵達靜穩極限的一個(gè)特征。
（4）靜穩破壞后（90°<δ<180°）∶
機端輸出功率有功P基本保持不變，Q反向且不斷增大，定子電流明顯上升，定子電壓U明顯下降，滑差s和功角δ急劇增大。
3、發(fā)電機失磁后的電量變化
（1）勵磁電壓、電流減小，如圖6所示。
（2）發(fā)電機機端電壓降低。
（3）定子電流增大并出現波動(dòng)。
（4）發(fā)電機輸出一定的有功功率，且做周期性波動(dòng)。
（5）從輸出無(wú)功功率變?yōu)槲諢o(wú)功功率。
（6）轉子回路感應出滑差頻率的交流電流和交流電動(dòng)勢。
（7）轉子電流周期性波動(dòng)，電流數值較失磁前小。
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圖5 失磁后的物理變化曲線(xiàn)圖 |
圖6 發(fā)電機失磁故障走向圖 |
總結：
現行社會(huì )中由于技術(shù)和方便性上的要求逐漸提高，大部分柴油發(fā)電機組廠(chǎng)家會(huì )放棄使用這種低端的發(fā)電機配置，而去采用自勵磁無(wú)刷發(fā)電機來(lái)代替。在中國地區通常是在5-50KW以?xún)鹊膰a(chǎn)小品牌才會(huì )使用有刷發(fā)電機，主要因為其價(jià)格便宜，其次有刷電機針對電動(dòng)機等瞬間電流過(guò)高的設備有抗過(guò)載能力。如果按照康明斯技術(shù)來(lái)說(shuō)的話(huà)，盡量建議用戶(hù)不要采用此類(lèi)有刷電機。因為現在的使用單位操作人員基本不了解有刷電機的性能，在碳刷磨損過(guò)多后無(wú)法進(jìn)行自我維護，需要供應商來(lái)解決，此問(wèn)題就造成很多供應商不愿意上門(mén)服務(wù)。究其原因，無(wú)非是一個(gè)碳刷才幾元錢(qián)但是人工費成本可能是幾百上千，客戶(hù)無(wú)法接收這樣的價(jià)格（碳刷一般不在保修范圍內），供應商干脆就建議用戶(hù)更換整臺發(fā)電機，以便有利可圖。
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