故障檢查與技術(shù)維護(hù)

發(fā)電機(jī)失磁的原因及其影響、物理現(xiàn)象和電量變化

 

摘要：發(fā)電機(jī)失去直流勵(lì)磁稱(chēng)為失磁。發(fā)電機(jī)失磁后，經(jīng)過(guò)同步振蕩進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)電機(jī)在異步運(yùn)行狀態(tài)下，以低滑差s與電網(wǎng)并列運(yùn)行，從系統(tǒng)吸取無(wú)功功率建立磁場(chǎng)，并向系統(tǒng)輸入一定的有功功率，是一種特殊的運(yùn)行方式。解決發(fā)電機(jī)失磁問(wèn)題首選我們需要了解發(fā)電機(jī)工作原理和勵(lì)磁系統(tǒng)的作用，本文康明斯發(fā)電機(jī)廠家帶您了解失磁的相關(guān)知識(shí)。

 

一、同步發(fā)電機(jī)工作原理

 

      同步發(fā)電機(jī)是用于發(fā)電的一種設(shè)備，它是一種機(jī)械設(shè)備，通過(guò)發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。它的工作原理是，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的一種裝置，它將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，以滿足客戶(hù)的電力需求。同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理是，當(dāng)外加電流作用于發(fā)電機(jī)繞組時(shí)，發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁路形成，產(chǎn)生發(fā)電機(jī)內(nèi)部的偶極磁場(chǎng)，并且發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)與外界的電流磁場(chǎng)相互作用，形成發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生發(fā)電。

      發(fā)電機(jī)的電力輸出是通過(guò)調(diào)節(jié)外加電流的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，外加電流的頻率可以控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制發(fā)電機(jī)的輸出功率。當(dāng)發(fā)電機(jī)的外加電流頻率較低時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速減慢，功率減??；當(dāng)發(fā)電機(jī)的外加電流頻率較高時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，功率增加。

      發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子之間有一定的角位移，稱(chēng)為同步角調(diào)和，這個(gè)角調(diào)和也是發(fā)電機(jī)的重要參數(shù)，它決定了發(fā)電機(jī)的輸出功率。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間的同步角會(huì)發(fā)生變化，發(fā)電機(jī)的輸出功率也會(huì)發(fā)生變化。

      同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是它的輸出功率可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以滿足客戶(hù)的不同需求。另外，同步發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率高，可以有效地節(jié)約能源。

      其具體原理和結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示，用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子使其到達(dá)同步轉(zhuǎn)速n，后在勵(lì)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產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。其公式如下：

● 頻率

? =nρ/60

● 大小

E₀= 4.44?N₁K_w1∅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(fù)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(shù)單位，滿足w^3 = 1。

      以上就是同步發(fā)電機(jī)的工作原理。它可以有效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以滿足客戶(hù)的不同需求，發(fā)電效率也非常高，可以有效地節(jié)約能源。

 

圖1  同步交流發(fā)電機(jī)原理圖

圖2  同步交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)分布圖

 

 

三、發(fā)電機(jī)失磁原因和解決辦法

 

1、失磁原因

       在柴油發(fā)電機(jī)組使用過(guò)程中，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有刷電機(jī)出現(xiàn)失磁現(xiàn)象。引起發(fā)電機(jī)失磁的原因有轉(zhuǎn)子繞組故障、勵(lì)磁機(jī)故障、自動(dòng)滅磁開(kāi)關(guān)誤跳閘、半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)中某些元件損壞或回路發(fā)生故障依舊誤操作等。

（1）長(zhǎng)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(dǎo)致ID電流負(fù)值變大，導(dǎo)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(nèi)部的電子自旋可以在小范圍內(nèi)自發(fā)地排列起來(lái)，形成一個(gè)自發(fā)磁化區(qū)，可是高溫足以改變這種特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致磁性消失。那究竟多高的溫度會(huì)導(dǎo)致失磁現(xiàn)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(chǔ)存不當(dāng)或者腐蝕

      大多數(shù)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(jié)構(gòu)（鐵→氧化鐵）從而導(dǎo)致磁性的損失。

（5）劇烈撞擊等外力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損壞

      尖銳物體間的劇烈撞擊，比如反復(fù)敲打磁鐵或磁鐵不慎掉落在堅(jiān)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(duì)于發(fā)電機(jī)而言，兩者都具有堅(jiān)強(qiáng)的外殼保護(hù)，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(jì)。

2、解決方法

（1）用專(zhuān)用充磁器對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子充磁（此類(lèi)方法一般適用于專(zhuān)業(yè)發(fā)電機(jī)廠或康明斯服務(wù)站），外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（2）簡(jiǎn)易充磁裝置，接線如圖4所示。

      用12V/24V蓄電池對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子充磁，發(fā)電機(jī)應(yīng)開(kāi)啟至略低于額定轉(zhuǎn)速，首選從蓄電池引出兩條電線，然后去碰發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁接線端，正極連接正極，負(fù)極連接負(fù)極，在轉(zhuǎn)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(jī)組即可。

（3）發(fā)電機(jī)在不并網(wǎng)的情況下開(kāi)啟至額定轉(zhuǎn)速，載上一定量的負(fù)載(發(fā)電機(jī)功率越大，負(fù)荷也要越大)，這樣發(fā)電機(jī)就起勵(lì)建壓，無(wú)需人工充磁。

 

圖3  電容式充磁機(jī)

圖4  交流發(fā)電機(jī)充磁電路圖

 

 

四、失磁發(fā)電機(jī)的影響及現(xiàn)象變化

 

1、失磁對(duì)發(fā)電機(jī)的影響

（1）發(fā)電機(jī)失磁后大部分會(huì)出現(xiàn)無(wú)電壓電流輸出。

（2）會(huì)引起發(fā)電機(jī)失步，將在轉(zhuǎn)子的阻尼繞組、轉(zhuǎn)子表面、轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生差頻電流，若超出允許值，則將使轉(zhuǎn)子過(guò)熱。

（3）引起附加溫升并可能引起轉(zhuǎn)子局部高溫。

（4）產(chǎn)生嚴(yán)重過(guò)熱現(xiàn)象，危及轉(zhuǎn)子安全。

（5）同步交流發(fā)電機(jī)異步運(yùn)動(dòng)，在定子繞組中將出現(xiàn)脈動(dòng)電流。

（6）產(chǎn)生交變的機(jī)械力矩，使機(jī)組發(fā)生振動(dòng)，影響發(fā)電機(jī)的安全。

（7）從發(fā)電機(jī)組中吸收很大的無(wú)功功率以建立發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)。

（8）發(fā)電機(jī)組容量較小或無(wú)功儲(chǔ)備不足時(shí)，引起發(fā)電機(jī)組電壓下降。

（9）低勵(lì)磁或失磁運(yùn)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(xiàn)象

（1）失磁初始階段∶

       勵(lì)磁Uf減小，引起定子電動(dòng)勢(shì)E₀、機(jī)端電壓U、定子電流I減??；滑差s和功角δ變化很小，機(jī)端輸出有功P 和無(wú)功Q下降。

（2）失去靜穩(wěn)以前（δ<90°）∶

      從圖5可以看出，U持續(xù)下降；δ持續(xù)增大；Q迅速減小并導(dǎo)致無(wú)功功率反向；s緩慢增加；由于滑差電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償了部分勵(lì)磁電壓的消失，且δ的持續(xù)增大，使有功P、I出現(xiàn)回升。又因發(fā)動(dòng)機(jī)功率不能很快改變，致使轉(zhuǎn)子加速減慢，s、P、I又隨之減小，這樣P、I出現(xiàn)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。

       現(xiàn)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(jī)組廠家會(huì)放棄使用這種低端的發(fā)電機(jī)配置，而去采用自勵(lì)磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)來(lái)代替。在中國(guó)地區(qū)通常是在5-50KW以?xún)?nèi)的國(guó)產(chǎn)小品牌才會(huì)使用有刷發(fā)電機(jī)，主要因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜，其次有刷電機(jī)針對(duì)電動(dòng)機(jī)等瞬間電流過(guò)高的設(shè)備有抗過(guò)載能力。如果按照康明斯技術(shù)來(lái)說(shuō)的話，盡量建議用戶(hù)不要采用此類(lèi)有刷電機(jī)。因?yàn)楝F(xiàn)在的使用單位操作人員基本不了解有刷電機(jī)的性能，在碳刷磨損過(guò)多后無(wú)法進(jìn)行自我維護(hù)，需要供應(yīng)商來(lái)解決，此問(wèn)題就造成很多供應(yīng)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(fèi)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(nèi)），供應(yīng)商干脆就建議用戶(hù)更換整臺(tái)發(fā)電機(jī)，以便有利可圖。

 

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