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发电机效率测定试验 |
摘要：发电机效率试验的目的主要从确保性能、验证设计、故障诊断、优化运行和符合标准这五个方面来考虑的，通过该试验，可全面评估发电机效率，为设计优化、维护决策和能效管理提供依据。根据GB/T755.2-2003《旋转电机（牵引电机除外）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》对三相同步发电机效率的试验步骤和确定方法进行了明确规定。
一、发电机效率试验目的和注意事项
1、发电机效率试验的目的
（1）评估性能：确定发电机在不同负载条件下的能量转换效率，验证其是否符合设计要求或标准。
（2）验证设计参数：检验电机设计（如材料、绕组、磁路等）是否合理，确保损耗（如铁损、铜损、机械损耗）在允许范围内。
（3）故障诊断：通过效率异常变化发现潜在问题（如绝缘老化、轴承磨损、绕组短路等）。
（4）优化运行：为调整运行参数（如负载分配、冷却系统）提供依据，以提高能效。
（5）符合标准：满足国际/国家标准（如IEC、GB）或客户要求的效率认证（如IE等级）。
2、发电机效率试验注意事项
（1）试验期间需稳定运行状态，避免瞬态过程干扰数据。
（2）高精度仪表（±0.2%级）可减少误差。
（3）同步发电机需注意功率因数修正，异步发电机需考虑滑差影响。
（4）试验后分析数据，对比设计值或历史记录，判断是否存在异常。
二、发电机效率的测量方法
1、用测功机直接测量机械功率的直接测定法
（1）试验设备
被试电机为发电机时，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）进行测量，设备结构外观分别如图1、图2所示。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。
2、两台同规格发电机对拖回馈的直接测定法
（1）试验原理
① 机械连接：两台发电机通过联轴器或传动装置机械连接，一台作为电动机运行，另一台作为发电机运行。
② 电气回馈：发电机的输出电能通过电气回路回馈至电动机，形成能量闭环。
③ 能量平衡：系统仅需补充损耗部分（如机械损耗、铁损、铜损等），外部能量输入较小。
（2）试验步骤
① 试验前准备：
设备检查：确保两台发电机规格相同，机械连接可靠，电气回路绝缘良好。
仪表校准：使用高精度功率计、电流/电压互感器等测量设备，确保数据准确。
安全措施：设置隔离装置和警示标志，防止意外启动。
② 机械连接：将两台发电机通过联轴器或传动装置刚性连接，确保对中性良好，避免振动和额外机械损耗。
③ 电气回馈：将发电机A的输出端通过电气回路（如变频器或整流逆变装置）连接至发电机B的输入端，形成能量回馈。确保电气回路的电压、频率和相位匹配，避免环流或振荡。
④ 系统启动：启动系统，使发电机A作为电动机运行，驱动发电机B发电。调整负载，使系统稳定运行在额定工况。
通过这种方法，可以高效、准确地测定发电机的效率，适用于大功率发电机的性能评估和优化。
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。
（1）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。
（2）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。
（3）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。
试验设备应能显示或通过其他途径求得被试发电机的输入功率。试验时，转速应为额定值。运转到机械损耗稳定后，在发电机的不同电压防下测取被试发电机的输入功率，该功率即为被试发电机的恒定损耗试验台。
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图1 交流发电机试验台轴测图 |
图2 交流发电机试验台前视图 |
三、发电机效率研究
归根结底，对发电机设计的分析是为了计算它效率。通过效率我们可以知道输入功率的多少部分可以作为机械输出获得。旋转机器的效率随产生的电磁扭矩和转子速度而变化。理想情况下，我们希望以最大效率运行机器，但在实践中，还必须考虑发电机驱动的负载的扭矩-速度曲线。因此，我们将在一定的工作范围内使用发电机。另一个好方法是选择一个在运行状态下具有最高效率值的发电机。
这就是效率图的用武之地。发电机的效率图是效率与转子速度和电磁扭矩变化的关系图。换句话说，它也可以被描述为扭矩和速度状态空间中的效率图。负载特性曲线可以叠加在效率图上，用来确定给定负载曲线下系统的整体效率。
例如，发电机的负载是以扭矩和速度驱动循环为特征。驱动循环包括负载扭矩和随时间变化的速度。在每个时刻，扭矩和速度值的组合决定了负载的行为。所有这些扭矩-速度数据点在效率图上的散点图有助于确定发电机对特定驱动循环提供的总体效率。这使得我们能够估计发电机在整个驱动循环期间消耗的总能量，并随后预测发电机在单次充电后的续航能力。
COMSOL Multiphysics提供了内置的建模功能，让我们能够轻松地为发电机设计生成效率图。通过力计算特征可以计算电磁转矩。通过损失计算子特征可以计算铁损耗和铜损耗。可以使用传热接口来计算由于损耗产生的温度上升，也可以使用多物理场节点，将该接口完全地耦合到旋转机械，磁接口，以包括温度上升的电磁效应。最后，我们还可以通过表图特征们绘制效率图。
这里，所有效率图都显示了百分比效率。图3中的效率图是通过分析生成的，如第一部分所述。图4中的效率图是直接从参数分析中获得的。图顶部的水平线显示最大扭矩对应于5 A的定子电流。可以看出，解析效率图和数值效率图具有合理的一致性。
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图3 发电机使用经验系数建模的效率图 |
图4 发电机参数模拟效率图 |
与前两张效率图不同，图5包括了自然空气对流冷却对温度升高的影响。我们可以观察到，在考虑温升的影响后，在相同的定子电流值范围内，平均转子扭矩值有所下降。此外，随着温度在较高速度下升高（由于损耗增加），由于转子永磁体中的剩余磁通减少，扭矩将进一步降低。这可以通过沿着图顶部对应于“I=5A”的线观察到。最终的结果是，由于温度升高而导致效率分布发生变化。这有助于更好地评估给定发电机设计对相关应用的适用性。图6显示了定子的平均温度。
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图5 发电机效率图（温升的影响） |
图6 发电机效率图（定子的平均温度） |
总结：
柴油发电机组的发电机效率是指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，其测定方法分为直接负载法和间接负载法两种。本文中将实验步骤中试验前的准备、负载测试、损耗测量、效率计算作出了详细说明，并提醒了在发电机测试过程中的注意事项。
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