备载发电机的运转要素和特征

　　摘要：备用柴油发电机一般是指房地产开发商在建造楼盘时，为了小区的消防安全配备的作为消防应急的备用电源发动机，当小区市电事故时，消防备载柴油发电机可以备用起动，保障消防装备的电力供应进而保护居民的生命财产安全康明斯发电机组。作为消防后备电源的柴油发电机需要具备以下优点：消防备载柴油发电机性能稳定，对环境的适应性能较强，故障率低，耐用。消防备载柴油发电机是自动化柴油发电机，可实现自动转换用途。当电网断电时，消防柴油发电机必须在30秒(可调)之内立即启动，发电并合闸。当电网恢复正常供电后，柴油发电机也应在30秒(可调)之内停止发电并分闸，使电网能够正常供电。

　　交流发电机的组成和物理特点是非常复杂的，已超出本文的范围，但是，为了理解超前容量因数负荷是怎样危害发电机的，必须知晓发电机的一些关键原理。

　　图1是交流发电机作业原理示意图，其中有一个旋转磁场，是由转子绕组发生的。如图1所示，励磁直流电源加在转子绕组上，励磁电流流过绕组时就会发生旋转磁场。这个旋转磁场使定子绕组不断地切割磁力线相电压（电势）。发电机的电压调节器持续测量输出电压，并通过调节励磁电流调整输出电压。如果负荷突然增加致使发电机输出电压下降，电压调整器即稍稍增加磁场电流，使输出电压回升。反之亦然，因此可以稳定输出电压。转子磁场需要的直流电源经滑环和碳刷供给。

　　目前，参数中心均选取无刷交流同步发电机，不选取碳刷。图1是无刷交流同步发电机电路机理图。发电机的励磁直流电源是位于转子上的一个小交流发电机和三相桥式整流器产生的，用于发电机主磁场励磁，发电机定子绕组（主电枢）就发生发电机三相交流输出电压。转子上励磁机发电机的磁场在定子上，其励磁直流源是由三相交流电（引自发电机输出）整流得到的。无刷交流同步发电机的基础作业原理与图1相同。

　　如前所述，不一样性质负荷的主要差异在于负载电流相对于电压的相位不同。超前容量因数（电容性）负载电流超前，滞后功率因数（电感性）负荷电流滞后，功率因数1的（电阻性）负载电流与电压同相。不同性质的负载对发电机的影响也体现在电流的相位上。以下的研讨侧重于电流的相位。

　　当发电机为负荷供电时，负载电流通过定子绕组也会产生旋转磁场，定子的旋转磁场与转子的旋转磁场迭加。当负载有一些不同相电流（无功电流）时，转子磁场强度会被定子产生的磁场加强或减弱。例如，如果负荷有滞后不同相电流，它将部分地抵消转子旋转磁场强度，调整器必须增加旋转磁场的励磁电流进行补偿。与此相反，如果负载有超前不同相电流，它在定子发生的磁场是提升了转子旋转磁场的强度的。调节器必须减小励磁电流以进行补偿。这样来维持所要求的输出电压。当负载功率因数为1时，负载电流流过定子发生的旋转磁场对转子旋转磁场基本没有危害，转子磁场强度仅仅由励磁电流确定，即由发电机电无水压调整器控制。

　　电压调节器能在很宽的负荷因素下（包括各种超前和滞后不一样相电流）保持输出电压稳定。但是，当超前不同相电流变得很大时，磁场会提高到很大，即使调整器不再供给励磁电流了，磁场仍然很大。因为发电机的调整器不可能供应负的励磁电流防爆发电机。所以当超前不同相电流超过某一点时，电压调节器就不能进行补偿了，调整器就关闭了。发电机的输出电压失去控制，不断上升。结果是发电机的控制电路测定到输出电压偏高并立刻关机。

　　下面通过发电机输出电压向量图进一步分析超前不同相电流的影响。其中，发电机输出电压U与发电机内阻Z 的压降Uz的向量和等于发电机的电势E。发电机的内阻Uz0由电阻R和电感L构造，内阻压降Uz0等于电阻压降UR和电感压降UL的向量和。

　　发电机带滞后负荷（电感性）时，电势E大于输出电压队较大的电势E才能发生需要的输出电压U。发电机带超前负荷（电容性时，发电机的电势E比输出电压U小，即较小的电势E即可以产生较大的输出电压U。

　　在给定的励磁电流和负荷电流幅度的情形下，带滞后负荷时发生的电势E较小，带超前负荷时产生的电势E较大。

　　在发电机带较大的超前负载的情形下，为了维持发电机输出电压U，电压调整器必须减少转子励磁电流以减小输出电压。但是，定子电流发生的磁场，加上发电机转子的剩磁。即使关闭电压调整器，将励磁电流减到零，仍有足够的磁场发生较大的输出电压，这将导致输出过压，最终使发电机关机。因此，发电机一般无法带较大的容性负载。

　　上述发电机运转不稳，甚至关机的情形就是所谓发电机的容量因数问题。这个问题不是由谐波电流致使的。也不是由滞后不同相电流引起的。它是由大于某阈值的超前不同相电流导致的。必须指出，虽然超前不一样相电流存在时，容量因数会下降，但这个问题的根源是超前不一样相电流，而不是容量因数的特定值导致的。例如，如果负荷电流的谐波很大，必然会致使容量因数下降，但不会造成发电机运转不稳和关机。下面将更具体的讨论这个问题.

　　每个发电机都有一个可接受的运行要素的指标，即发电机可以吸收无功功率（超前不同相电流）的指标。图4示出的是典型的发电机功率曲线。描述了发电机输出和输入容量的能力。横轴表示输出和输入的无功容量（kVAr），右边是输出无功功率（正向无功容量），左边是输入无功功率（反向无功容量）。纵轴表示输出的有功功率（kW）。无功功率和有功功率均用以额定容量为基准的标幺值（即单位容量，额定功率的百分数）表示。图4中放射线是恒容量因数线所示，发电机的作业范围分为5个区。1区是典型发电机的正常工作范围。2区和3区是非正常工作范围但不会故障设备。4区和5区是禁止运行的作业范围，会造成装置故障或运行异常。

　　在1区的工作范围内，发电机组的输出有功功率（kW）在额定有功容量的0和100%之间，输出的无功容量（kVAr）在额定无功功率的0和60%之间，功率因数（滞后）在0.8和1.0之间。

　　在2区的作业范围内，容量因数（滞后）在0和0.8 之间。输出有功功率在0和0.6之间，输出无功容量在0和0.85之间。

　　在3区的作业范围内，容量因数（超前）在0.97和1 之间。输入的无功功率在0和0.2之间，输出有功容量在0和1之间。

　　在4区的作业范围内，功率因数（超前）在0和0.97 之间。输入的无功功率在0.2和1之间，输出有功功率在0和0.98之间。

　　在5区的作业范围内，功率因数（滞后）在0.8和0 之间。输出的无功功率在0和0.8之间，输出有功容量在0和0.6之间。

　　由上可以看出，发电机吸收无功容量的能力比输出无功容量的能力小得多。因此带超前容量因数负荷的能力非常有限。3区左边与4区（禁止区）的边界位于输入无功容量大约0.2处的纵轴，表示发电机吸收的无功功率如果大于额定无功功率的20%就会造成运行不稳的问题。例如，1000kVA，功率因数0.8的发电机组，其额定无功容量为600kVAr，如果其输入无功功率大于120kVAr，就会引起发电机运转不稳或关机。

　　发电机吸收无功功率的能力用反向无功功率的极限表示，也可用超前无功电流极限表示。于是，发电机作业时的超前无功电流必须小于额定无功电流的20%，以防止产生运行不稳定的问题。

　　发电机吸收无功功率的能力不采用限定超前容量因数表示。由于从2区功率曲线中的恒功率因数线可以发现，不稳定边界处的功率因数，随着输出有功容量的大小变化很大。致使发电机不稳的临界超前容量因数可以从无输出有功功率负荷时的0.0变到接近满负载时的0.97。超前容量因数的极限在不一样的有功容量负荷下是不同的，故不能规定一个主要数值。

　　发电机在轻载时，引起运转不稳的临界超前功率因数很低，很容易达到。负荷较大时，要点的临界功率因数就变得很大。因此，发电机轻载时，不易损生不稳定的问题。这也解释了为何一个数据中心多年来运转稳定，当用电负载随时间增大时，就变得不稳了。