同步发电机电压变化的原因与控制方法
|
功能说明与康明斯知识 |
同步发电机电压变化的原因与控制方法 |
摘要：同步发电机电压变化主要原因是负载电流越大，电枢反应和内部压降效应越显著，电压变化越大，同时负载的感性或容性程度直接决定了电枢反应是去磁还是助磁，从而决定了电压是下降还是上升。因此，为了维持发电机端电压稳定在额定值，必须对上述变化进行补偿和控制。
一、同步发电机电压变化的原因
各种电气设备必须在额定电压下运行，因此保持一定电压水平，是供电质量的重要指标之一。但是，实际上电力系统的电压总是经常变动的。由于柴油发电机组电源容量较小，而负载单台设备容量却较大，因此地下工程电力系统的电源-同步发电机的端电压变动尤为严重，故研究地下工程同步发电机电压自动调整，是交流地下工程电站的重要课题之一。同步发电机的端电压并非恒定不变，其变化主要由以下两个核心因素决定：
1、电枢反应
当发电机带上负载后，定子绕组（电枢绕组）中会产生三相电流，这个电流会产生一个旋转磁场。这个旋转磁场会对转子主磁场产生叠加和削弱的作用，这种现象称为电枢反应。因此，电枢反应的性质（去磁、助磁或交磁）取决于负载的功率因数。
（1）纯电阻负载：电枢反应主要表现为“交磁”效应，会使气隙磁场发生畸变，对电压有一定影响。
（2）感性负载（最常见）：发电站绝大多数采用交流电制，由于用电设备多为感性负载，负载电流对交流同步发电机产生去磁作用，电流大小和功率因数的变化都会引起发电机端电压变化，所以交流同步发电机必须有自动电压调整装置或自励恒压装置（能自激起压，并在负载变化时自动维持电压恒定的装置）调整发电机的端电压，否则电压的剧烈变化将会影响电气设备的正常工作。
（3）容性负载：电枢反应表现为“助磁”效应，增强主磁场，可能导致端电压升高。
2、内部阻抗压降
发电机定子绕组本身存在电阻和同步电抗（主要是感抗）。当负载电流流过时，会在内部阻抗上产生电压降。这个压降也会导致发电机的端电压低于其产生的空载电动势。
3、用公式进行表达
同步发电机的电势简化矢量如图1所示，其电压平衡方程式为
(1-1)
式中，
为发电机端电压；
Ė0为发电机空载电势；
İg为发电机定子电流；
Xd为发电机同步电抗。
由图1或式（1-1）可见，如果Ė0不变，当发电机负载电流İg的大小或性质变化时，则必将引起变化。
|
图1 同步发电机电势简化相量图 |
只研究发电机端电压的数值变化时，由图1可见，式（1-1）可写成
式中，θ为Ė0与
间的夹角。
当θ较小时，cosθ≈1，而I sinφ则为发电机的无功电流İg，于是式（1-1）为
(1-2)
由此式（1-2）可见，当 不变时，同步发电机端电压变化的主要原因是无功电流的变化。
由于同步发电机电枢反应的去磁作用，使其内阻抗较大；而地下工程电站的容量有限和负载变化相对较大，所以地下工程同步发电机的端电压在无调压器时，其电压变化是比较大的。
二、同步发电机电压的控制方法
电压稳定是电能质量最重要的指标之一。电压波动会影响所有用电设备的正常运行。调节励磁电流不仅控制了电压，也调节了发电机向系统输送或吸收的无功功率。因此，需要通过调节发电机的励磁电流，来改变主磁场的强度，从而抵消电枢反应的影响，维持端电压恒定。
1、自动电压调节器（AVR）
现代同步发电机普遍采用AVR，它是一个闭环控制系统，其工作原理如下：
（1）测量：实时检测发电机的输出端电压。
（2）比较：将检测到的电压与一个设定的参考电压值（即期望的电压值）进行比较。
（3）放大与调节：如果检测电压低于参考电压，AVR会输出一个控制信号，增大励磁电流；如果检测电压高于参考电压，则输出信号减小励磁电流。
（4）执行：控制信号通过励磁系统来改变励磁电流。
2、励磁系统
AVR的控制信号需要通过励磁系统来具体实现对励磁电流的调节。励磁系统主要分为两大类：
（1）传统励磁系统（他励/并励）：使用同轴的直流发电机作为励磁机，为转子励磁绕组提供直流电流。AVR通过控制励磁机磁场电流的大小来间接控制主发电机的励磁电流。这种方式正在被更先进的系统取代。
（2）静态励磁系统（自励）：这是目前最主流的方式。它通过接在发电机出口的励磁变压器获取电源。AVR直接控制大功率的可控硅整流桥，通过改变可控硅的导通角来快速、精确地调节输送到转子绕组的直流电流大小。优点是响应速度快、控制精度高、维护简单、无旋转部件。
3、手动控制
在一些老式或小型发电机上，可能还保留手动调压旋钮。操作人员通过观察电压表，手动调节一个变阻器来改变励磁电流。这种方法响应慢、精度低，无法应对快速的负载变化，已基本被AVR取代。
总结：
同步发电机电压变化主要是由负载电流及其功率因数引起的电枢反应造成的。通过自动电压调节器（AVR）自动且快速地调节转子励磁电流，可以有效地抵消这种影响，从而将发电机端电压稳定在允许范围内，确保供电的可靠性和质量。因此，良好的电压控制是电力系统稳定运行的基础，可以防止系统崩溃，这对于维持电网的稳定至关重要。
---------------
■ 质量量方针
以最低的成本及时向用户提供产品和服务，始终如一地满足或超出客户提出的标准和要求。
■ 获取资讯
了解更多柴油发电机组的产品动态和资讯，请关注康明斯官网，官方互联网发布渠道：https://www.sgfdj.com
- 上一篇：多台柴油发电机组间的电抗同步并车原理
- 下一篇：发电机电压自动控制装置的作用及其分类
