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故障检查与技术维护 |
发电机失磁的原因及其影响、物理现象和电量变化 |
摘要：发电机失去直流励磁称为失磁。发电机失磁后，经过同步振荡进入异步运行状态，发电机在异步运行状态下，以低滑差s与电网并列运行，从系统吸取无功功率建立磁场，并向系统输入一定的有功功率，是一种特殊的运行方式。解决发电机失磁问题首选我们需要了解发电机工作原理和励磁系统的作用，本文康明斯发电机厂家带您了解失磁的相关知识。
一、同步发电机工作原理
同步发电机是用于发电的一种设备，它是一种机械设备，通过发电机的运转产生电能。它的工作原理是，机械能转换成电能的一种装置，它将机械能转换成电能，以满足客户的电力需求。同步发电机的运行原理是，当外加电流作用于发电机绕组时，发电机内部磁路形成，产生发电机内部的偶极磁场，并且发电机内部的磁场与外界的电流磁场相互作用，形成发电机的转子旋转，从而产生发电。
发电机的电力输出是通过调节外加电流的频率来实现的，外加电流的频率可以控制发电机的转速，从而控制发电机的输出功率。当发电机的外加电流频率较低时，发电机的转速减慢，功率减小；当发电机的外加电流频率较高时，发电机的转速增加，功率增加。
发电机的转子与定子之间有一定的角位移，称为同步角调和，这个角调和也是发电机的重要参数，它决定了发电机的输出功率。当发电机转子旋转时，发电机转子与定子之间的同步角会发生变化，发电机的输出功率也会发生变化。
同步发电机的特点是它的输出功率可以根据需求进行调节，可以满足客户的不同需求。另外，同步发电机的发电效率高，可以有效地节约能源。
其具体原理和结构分别如图1、图2所示，用柴油发动机拖动交流发电机转子使其到达同步转速n，后在励磁绕组中通入直流电流建立恒定磁场，定子绕组切割磁感线产生感应电动势E。其公式如下：
● 频率
∱ =nρ/60
● 大小
E0= 4.44∱N1Kw1∅0
● 波形
由e=blν可知，波形取决于b的空间分布。
● 相序
相序变换公式可以表示为：
正序分量：U1 = (Ua + Ubw + Ucw) / 3
负序分量：U2 = (Ua + Ubw^2 + Ucw^2) / 3
零序分量：U0 = (Ua + Ub + Uc) / 3
其中，Ua、Ub和Uc分别表示A相、B相和C相电压，w为虚数单位，满足w^3 = 1。
以上就是同步发电机的工作原理。它可以有效地将机械能转换成电能，为客户提供电力。它的特点是输出功率可以根据需求进行调节，可以满足客户的不同需求，发电效率也非常高，可以有效地节约能源。
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图1 同步交流发电机原理图 |
图2 同步交流发电机结构分布图 |
二、励磁系统的作用
1、电压控制
在发电机正常运行情况下，维持发电机机端或升压变压器的高压侧电压在给定水平。
2、无功功率的分配
调节发电机输出的无功功率，保证并列运行的发电机之间合理的无功分配。
3、提高并列运行的稳定性
可有效地提高柴油发电机组的静态稳定性，并在一定程度上改善暂态稳定性，但可能引入负阻尼，引发低频振荡。
4、提高继电保护动作的灵敏性
交流发电机处于低负荷运行并发生短路故障，强励可增大短路电流，继而提高了继电保护的灵敏度。
5、快速灭磁
可降低故障对发电机或升压变压器造成的损害。
6、改善运行条件
维持机端电压在给定水平，继而保证了发电机的电压水平。
三、发电机失磁原因和解决办法
1、失磁原因
在柴油发电机组使用过程中，我们经常发现有刷电机出现失磁现象。引起发电机失磁的原因有转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障依旧误操作等。
（1）长期闲置不使用造成的。
（2）变频器载波频率若很低也会引起正弦波波形不良，导致ID电流负值变大，导致失磁。
（3）极端温度波动：
众所周知，磁体具有磁性的原因在于铁、钴、镍或铁氧体等铁磁类物质内部的电子自旋可以在小范围内自发地排列起来，形成一个自发磁化区，可是高温足以改变这种特殊的内部结构，从而导致磁性消失。那究竟多高的温度会导致失磁现象的发生呢？
○ 居里温度：超过此温度，磁性将完全消失。
○ 最高工作温度：超过此温度，磁性可能会发生不可靠恶化。常用来衡量可靠性。
（4）储存不当或者腐蚀
大多数磁铁都含有适量的铁，铁在氧气和水的共同作用下会发生氧化腐蚀。有一些永磁体由于其含铁量超过60%，这种情况下非常容易被腐蚀。腐蚀的发生改变了材料本身具有磁性的潜在化学结构（铁→氧化铁）从而导致磁性的损失。
（5）剧烈撞击等外力导致的结构损坏
尖锐物体间的剧烈撞击，比如反复敲打磁铁或磁铁不慎掉落在坚硬的物体表面上，以上情况会迫使磁畴排列方式发生改变从而降低磁性。但是对于发电机而言，两者都具有坚强的外壳保护，一般情况下很难受到外界撞击，这个影响因素的概率可忽略不计。
2、解决方法
（1）用专用充磁器对发电机转子充磁（此类方法一般适用于专业发电机厂或康明斯服务站），外形结构如图3所示。
（2）简易充磁装置，接线如图4所示。
用12V/24V蓄电池对发电机转子充磁，发电机应开启至略低于额定转速，首选从蓄电池引出两条电线，然后去碰发电机转子的励磁接线端，正极连接正极，负极连接负极，在转子两个碳刷处触碰20-30秒左右（触碰时火花小表示接线方向正确），然后迅速断掉蓄电池与碳刷之间的连接，启动柴油发电机组即可。
（3）发电机在不并网的情况下开启至额定转速，载上一定量的负载(发电机功率越大，负荷也要越大)，这样发电机就起励建压，无需人工充磁。
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图3 电容式充磁机 |
图4 交流发电机充磁电路图 |
四、失磁发电机的影响及现象变化
1、失磁对发电机的影响
（1）发电机失磁后大部分会出现无电压电流输出。
（2）会引起发电机失步，将在转子的阻尼绕组、转子表面、转子绕组中产生差频电流，若超出允许值，则将使转子过热。
（3）引起附加温升并可能引起转子局部高温。
（4）产生严重过热现象，危及转子安全。
（5）同步交流发电机异步运动，在定子绕组中将出现脉动电流。
（6）产生交变的机械力矩，使机组发生振动，影响发电机的安全。
（7）从发电机组中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。
（8）发电机组容量较小或无功储备不足时，引起发电机组电压下降。
（9）低励磁或失磁运行时定子端部漏磁增加，将使端部铁心过热。
2、失磁后的物理现象
（1）失磁初始阶段∶
励磁Uf减小，引起定子电动势E0、机端电压U、定子电流I减小；滑差s和功角δ变化很小，机端输出有功P 和无功Q下降。
（2）失去静稳以前（δ<90°）∶
从图5可以看出，U持续下降；δ持续增大；Q迅速减小并导致无功功率反向；s缓慢增加；由于滑差电动势补偿了部分励磁电压的消失，且δ的持续增大，使有功P、I出现回升。又因发动机功率不能很快改变，致使转子加速减慢，s、P、I又随之减小，这样P、I出现波动。实际上P在有功功率水平上做上下波动，平均功率基本不变。
（3）静稳极限时（δ=90°）∶
机端输出无功反向，且为某一常数，这是发电机失磁后抵达静稳极限的一个特征。
（4）静稳破坏后（90°<δ<180°）∶
机端输出功率有功P基本保持不变，Q反向且不断增大，定子电流明显上升，定子电压U明显下降，滑差s和功角δ急剧增大。
3、发电机失磁后的电量变化
（1）励磁电压、电流减小，如图6所示。
（2）发电机机端电压降低。
（3）定子电流增大并出现波动。
（4）发电机输出一定的有功功率，且做周期性波动。
（5）从输出无功功率变为吸收无功功率。
（6）转子回路感应出滑差频率的交流电流和交流电动势。
（7）转子电流周期性波动，电流数值较失磁前小。
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图5 失磁后的物理变化曲线图 |
图6 发电机失磁故障走向图 |
总结：
现行社会中由于技术和方便性上的要求逐渐提高，大部分柴油发电机组厂家会放弃使用这种低端的发电机配置，而去采用自励磁无刷发电机来代替。在中国地区通常是在5-50KW以内的国产小品牌才会使用有刷发电机，主要因为其价格便宜，其次有刷电机针对电动机等瞬间电流过高的设备有抗过载能力。如果按照康明斯技术来说的话，尽量建议用户不要采用此类有刷电机。因为现在的使用单位操作人员基本不了解有刷电机的性能，在碳刷磨损过多后无法进行自我维护，需要供应商来解决，此问题就造成很多供应商不愿意上门服务。究其原因，无非是一个碳刷才几元钱但是人工费成本可能是几百上千，客户无法接收这样的价格（碳刷一般不在保修范围内），供应商干脆就建议用户更换整台发电机，以便有利可图。
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