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发电机损耗和效率测定试验 |
摘要：发电机效率是发电机的有功输出功率与有功输入功率之比，通常用百分数表示。该指标是发电机的重要技术指标之一。其测定方法有两种：直接负载法和间接负载法。GB/T755.2-2003《旋转发电机（牵引发电机除外）确定损耗和效率的试验方法》和GB/T1029一2005《三相同步电机试验方法》对三相同步发电机损耗和效率的试验和确定方法进行了明确规定。
一、间接测量法
1、计算公式
量出发电机本身各部分和辅助设备的损耗，这些损耗是恒定损耗；负载损耗在柴油发电机组厂家的工厂内用电动机将发电机带动作空转、空载、三相短路等试验，分别测耗；励磁损耗；杂散损耗；辅助设备损耗等，将所有损耗加起来将得到SP，按下式计算出效率∶
hg=(1-SP/PN+SP)×100%
式中：PN--发电机额定输出功率
SP--发电机在额定负载时所有损耗之和
2、试验方法
发电机的效率定义为输出功率与输入功率之比，通常以百分比表示。效率测定试验通常包括以下步骤：
（1）准备工作
① 设备和工具：准备好所需的测量仪器，如功率计、万用表、温度计、频率计等。
② 安全措施：确保试验区域安全，做好防护措施，避免高电压和高温引起的事故。
（2）测试方法
① 励磁和加载试验
在发电机处于励磁状态时，逐渐增加负载，直至达到额定负载。
在不同负载情况下记录输入功率（从电源到发电机的功率）、输出功率（从发电机到负载的功率）。
② 负载测量
使用功率计测量发电机在不同负载下的输出功率。
测量输入功率时，需考虑发电机的励磁损耗。
③ 记录数据
记录不同负载下的电流、电压和功率因数（如果适用）。
记录环境温度和湿度等条件，确保试验条件一致。
（3）机械损耗测定
通过阻抗测量和温度变化，估算机械损耗。
（4）效率测试
在多个负载下进行上述步骤，记录数据并计算每个负载的效率。
绘制效率曲线图，分析发电机的最佳工作负载范围。
（5）注意事项
① 环境条件：试验应在规定的环境条件下进行，避免极端温度、湿度对测量结果的影响。
② 仪器校准：确保所有测量仪器已校准，避免因仪器不准确导致的测量误差。
③ 记录完整：在测试过程中，仔细记录每个步骤的数据，确保结果的可重复性。
注意：具体试验方法详见GB1029《三相同步电机试验方法》
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图1 无刷同步发电机整机结构图 |
图2 康明斯发电机效率示意图 |
二、直接测量法（量热法）
1、损耗测定
此方法是在发电机带额定负荷下
（1）测量发电机基准表面内部损耗p
这部分损耗包括定子绕组冷却水带走的损耗；通过氢冷却水带走的损耗，热传导到基础及轴上的损耗机壳表面散掉的热量（折算成损耗）。
（2）测量基准表面外部损耗
这部分损耗包括励磁机冷却水带走的损耗发电机轴承油带走的损耗；氢侧密封油带走的损耗；空侧密封油带走的损耗；励磁机轴承油带走的损耗。
将所有的损耗加起来即为SP，按上式计算出效率。
发电机厂家不仅应提供测量各种损耗用的测点，并应在设计制造中对现场的测试条件予以充分考虑。
（3）直接负载的损耗分析测定法
试验时，被试发电机加实际的额定负载测定与额定负载有关的功率、电流等试验数据并求得负载损耗，通过其他的相关试验求得与负载无关的恒定损耗，最后用这些试验数据计算求出被试发电机的效率。这种方法被称为效率的直接负载损耗分析测定法。下面介绍采用直接负载法时各项损耗的测定方法。其中各量的单位均为基本单位，涉及到三相电压、电流和电阻的数值均为三相平均值，电阻为修正到基准工作温度时的数值。
（4）试验设备
试验设备的组成和上述方法类似，只是可以不必使用测量机械功率（或转矩）的测功机等仪器设备，所以组建起来将比第一种方法容易一些。
（5）三相同步发电机的损耗
三相同步发电机的损耗由如下四大部分组成。
① 恒定损耗：
包括铁芯损耗（包含空载杂散损耗）和机械损耗，机械损耗又包含轴承摩擦损耗、通风损耗和电刷摩擦损耗等几部分。
② 负载损耗：
定子绕组（或称为电枢）中的铜损耗。
③ 励磁损耗：
由励磁绕组铜损耗力、变阻器热损耗力、电刷热损耗一励磁机损耗、自带励磁装置的损耗力和自带辅助绕组的铜损耗等组成。
④ 杂散损耗：
杂散损耗用表示，由电枢绕组导线内的杂散损耗和磁路及其他金属部件（导线除外）内的杂散损耗组成。
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图3 发电机损耗试验接线示意图 |
图4 同步发电机损耗分析表 |
2、用测功机直接测量机械功率
① 试验设备
被试发电机为发电机时，用功率适当的其他机械拖动，发出的电功率反馈电网或用电负载直接消耗掉。上述负载应能够在一定范围内可调（见“热试验”部分）。
发电机的输入机械功率和电动机的输出机械功率用测功机（含用转矩转速传感器和其他机械组成的测功机）或校正过的直流发电机进行测量或求取。这些测功设备的测量准确度应不低于0.5级，尽可能达到0.2级。
② 试验方法
试验时被试发电机在全部作参数均为额定的条件下运行到温升稳定（对短时工作制的发电机，应运行到规定的时间）。记录温升稳定后的电枢输出或输入电流、输和输出功率及励磁电流、电压等。有必要时，还应记录试验环境的温度、相对湿度和大气压等数值。
3、两台同规格发电机对拖回馈的直接测定法
用两台同规格发电机对拖，一台作为电动机运行，另一台作为发电机运行，根据试验需要决定被试发电机是发电机还是电动机。使被试发电机在额定工况下运行到温升稳定（或运行到规定的工作时间）后，测出电动机的输入功率和发电机的输出功率。
4、恒定损耗的测定方法
被试发电机的励磁电流由独立的直流电源供给，作空载发电机运行。
三、高效发电机的设计优化方法
1、优化设计
采用先进的发电机设计方法，优化发电机的结构和材料，减少功率损耗。例如，采用更高效的绕组、降低气隙磁阻以及改善冷却方式等。
2、使用高性能材料
选用高导电性、高磁导率的材料，可以有效降低铜损和铁损。制造发电机时采取良好的工艺以降低材料的缺陷，进一步提升效率。
3、运行调控
通过合理控制发电机的运行工况，如调整负载、改善启动方式及避免过载等，可提高发电机的使用效率。
4、智能控制系统
引入先进的控制技术，实现对发电机的精确控制。使用变频器等智能调速装置，不仅能优化能量使用，还能在不同工作条件下保持较高的效率。
总结：
发电机的损耗和效率测定是确保其性能和可靠性的关键步骤。通过这些测试，可以评估发电机的运行效率、识别潜在问题，并进行必要的维护或调整。以下是发电机损耗和效率测定的试验方法、步骤和注意事项。
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