浅谈发电机的励磁及并联时的无功功率调整众所周知，各种电气设备，必须在额定电压下运行，因此保持一定的电压水平，是提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。由于船舶电源容量较小，而负载单台设备容量却较大，因此船舶电力系统的电源同步发电机的端电压变动尤为严重，所以船舶同步发电机电压自动调整，是船舶电站的重要课题之一。船舶电站绝大多数采用交流电制。因为船舶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，所以船舶同步发电机必须有自动电压调整装置或者自励恒压装置（能自激起压，并在负载变化时自动维持电压恒定的装置）来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。1、 同步发电机电压变化的原因因为同步发电机电枢反应的去磁作用，使其内阻抗较大，所以船舶同步发电机的端电压在没无调压器时，其电压变化是较大的。根据同步发电机的电势简化矢量图如图1-1所示，得出电压平衡方程式: Ug=EocosIgXdsin （1-1）式中 Ug 发电机端电压 Eo 发电机空载电势 Ig 发电机定子电流 Xd 发电机同步电抗 Eo与Ug的夹角 当较小时，cos1，而Igsin则为发电机的无功电流。当Eo不变时，同步发电机负载电流Ig的大小或性质变化时，则必将引起同步发电机端电压Ug的变化，其变化的主要原因是无功电流的变化。图1-12、 电压偏差的危害1 对电动机的影响当船舶电站实际电压偏离额定值时，用电设备的效率就要降低，偏离额定值太大时，运行就会恶化，甚至会导致设备损坏。例如，电网电压下降到额定值的85%时，异步电动机的启动转矩就要降低到72.5% 。如果电动机是满载启动，加速转矩的余量由1.5倍额定转矩将达到0.8倍额定转矩，势必使启动时间延长。启动力矩不足不仅会使启动时间延长，而且会使电动机严重发热，特别是当不能启动时，则电流会达到很大，发热量与电流平方成正比，如果保护装置不能迅速动作，电动机很可能会被烧毁。当电动机的端电压较其额定电压降低10%时，由于其转矩与其端电压平方成正比，因此其转矩将只有额定转矩的81% ，而负荷电流将增大5% 10%以上，温升将增高10% 15%以上，绝缘老化程度将比额定增加一倍以上，这将明显缩短电动机的使用寿命。同时，由于转矩减小，转速下降，不仅会降低生产效率，而且还会影响电动机的运行质量，甚至造成危害。当其端电压较其额定电压偏高时，负荷电流和温升也将增加，电动机的绝缘也相应受损，对电动机也是不利的，也会缩短其使用寿命。2 对电光源的影响电压偏差对白炽灯的影响最为明显。当白炽灯的端电压降低10%时，灯泡的使用寿命将延长2 3倍，但是发光效率将下降30%以上，灯光明显变暗，照度降低，当其端电压上升10%时，发光效率将提高1/3，但其使用寿命大大缩短，只有原来到1/3。电压偏差对荧光灯以及其它气体放电灯的影响不像白炽灯那么明显，但当其端电压偏低时，灯管不易点燃；当其电压偏高时，灯管寿命将会缩短。3 对电网的影响电压变化对电网的影响主要表现在给全船用电所带来到危害，而这种危害却是致命的。船舶电网电压深度下降时，将导致保护电器动作，造成发电机解列、电网崩溃导致全船停电的严重后果。所以，船舶电网电压必须保持恒定，其电压偏差不应超出规定范围。 三 、 发电机电压调整的基本措施当负载电流变化时，要保持发电机端电压恒定，唯随之相应改变发电机的空载电势。当发电机的绕组匝数、发电机频率为常数时，发电机空载电势与发电机磁通成正比，要改变发电机空载电势只有改变发电机磁通。而磁通则是由励磁电流产生的，在磁路不饱和时磁通与励磁电流成正比。由上述关系可见，发电机空载电势与励磁电流存在对应关系，改变励磁电流大小可以改变发电机的空载电势。当负载电流变动时，要保持发电机端电压恒定，必须相应调整发电机的励磁电流。也就是说励磁电流随负载电流幅值的大小和功率因数的变化而改变，以补偿电枢反应去磁作用的影响。见图3-1，若空载电势不变，即励磁电流不变，当无功电流变化时，由于电枢反应的作用，发电机端电压随之变化。励磁电流一定时，发电机端电压随无功电流增大而下降。由此可见，引起发电机端电压变化的主要原因是无功电流的变化，要保持端电压不变，应随之相应的调整励磁电流，通过调整励磁电流来对发电机端电压进行调整，也就是对发电机无功功率进行调整，以使无功功率保持平衡。 图3-1在实际中，负载电流或者功率因数是经常变动的，导致发电机端电压也经常变动。要维持发电机端电压恒定，必须经常调整励磁电流，所以，必须采用自动电压调整方式。所谓自动调压，实质上就是自动调整励磁电流，因此任何类型的自动电压调整器的基本作用，归根到底就是自动调整励磁电流，所以，同步发电机的自动电压调整器又被称为自动调节励磁装置。 四、励磁自动调整装置的技术指标在负载变动时，自励恒压装置维持电压恒定有一个调整过程，如图4-1所示。图中在to时突加负载会使电压瞬间下降到Umin，由于恒压装置的作用，使端电压在tF时恢复到接近额定电压UN的数值Umin稳定工作。此后在to时突卸负载，使电压瞬间上升到Umax，由于恒压装置的作用，在tF时电压恢复到Umax稳定工作。为了保证供电质量，电压调节必须满足两个基本技术指标 静态（稳态）指标和动态（瞬态）指标的要求。图4-11 电压静态指标即发电机的稳态电压变化率。规范对电压静态指标规定为：交流发电机连同其励磁系统，应能在负载自空载至额定负载范围内，且其功率因数为额定值情况下，保持其稳态电压的变化值在额定电压的2.5%以内。应急发电机可允许在额定电压的3.5%以内。2 发电机电压动态指标1) 瞬态电压调整率指当电网负载突变后电压的最大波动值，称为瞬态电压调整率。2) 电压波动恢复时间 指自负载突变时，从电压发生波动开始到电压恢复到稳定值的一定容许差值范围内所需要的时间，叫做电压波动恢复时间。3) 规范对动态指标的规定交流发电机在空载时转速为额定转速、电压接近额定值的状态下，突加和突卸60%额定电流及功率因数不超过0.4（滞后）的对称负载时，当电压跌落时，其瞬态电压值应变低于额定电压的85%；当电压上升时，其瞬态电压值不应超过额定电压的120%，而电压恢复到最后稳定值相差3%以内所需的时间，则不应超过0.5秒。3. 无功功率分配 并联运行的交流发电机之间的无功功率应合理分配。 规范对并联运行的各交流发电机组的无功功率分配要求为：并联运行的各交流发电机组均应能稳定运行，且当负载在走额定负载的20% 100%范围内变化时，各机组所承担的无功负载与总无功负载按机组定额比例分配值之差，应不超过下列数值中的较小者：1 最大机组额定无功功率的10%2 最小机组额定无功功率的25% 依上述规范规定，对并联运行交流发电机组间的无功功率分配应符合：1) 对于同容量发电机组并联运行时，各自实际分担的无功功率与应分担的无功功率误差应小于10% 2) 对于不同容量发电机组并联运行时，最大机组实际分担的无功功率与应分担的无功功率误差应小于10% 3) 对于不同容量发电机组并联运行时，最小机组实际分担的无功功率与应分担的无功功率误差应小于25% 4. 强行励磁船舶电力系统的特点之一是过渡过程非常快，当负载突变或发生短路时，电压会突然下降很大。这将给电力系统的运行带来许多问题，甚至可能使电力系统丧失稳定。从而提高发电机并联运行稳定性等角度来看，要求调压装置的动作要迅速；从短路保护的选择性要求看，也要求一旦发生外部短路，发电机在短路瞬间应能提供足够的短路电流，以供保护动作跳闸。对此，有关船级社（如GL）规定：当接线端在三相短路时，稳态短路电流应不小于3倍也不大于8倍的额定电流，发电机及其励磁机必须能承受此稳态短路电流2秒钟而无损坏。上述均要求调压装置要有强行励磁能力。强励能力通常用强行励磁倍数和发电机电势最大上升变化率来描述。 五、 并联运行发电机之间的无功功率分配1 发电机并联有运行与单机运行时的情况不同。首先，电网电压与各发电机端电压相等，因此每一台发电机的励磁电流的变化将影响整个电网的电压变化。另外，当负载需求的总无功功率一定时，还存在各台发电机承担多少无功功率的问题。这个问题又可细分为：1 怎么样使之趋于合理。2 分配不符合要求时，怎么样转移各台发电机分担的无功功 率，使之趋于合理。3 达到合理分配状态时，能否保持下去，即分配是否稳定。 这些问题均与发电机的励磁调节有着直接关系。如图5-1所示，当同步发电机并联运行时，因为各台发电机的电势对应各自的励磁电流，当电网电压一定而各电势不同时，在发电机之间形成环流，由于同步发电机的定子绕组电抗较电阻大的多，从而使环流基本上是无功的，这种环流使各发电机承担的无功功率不一致。图5-1为了说明并联运行发电机之间存在无功功率的分配问题，可对两台发电机并联运行的情况进行分析（根据图5-2）。假设两台同型号、同容量的发电机并联运行，则同步电抗Xd相同，电枢电阻忽略不计。设两台发电机承担的有功功率相同，而电势不同，当DG-1的励磁电流大于DG-2的励磁电流时,DG-1的电势E1将大于DG-2的电势E2，说明两台发电机电势不等，则承担的无功功率不等，将造成I1 I2，其结果有可能造成DG-1电流过载。另一方面，尽管两台发电机承担的有功功率相同，但当I1 I2，会造成有功损耗（铜损）增大。只有I1= I2时，损耗才最小。图5-2以上分析说明，并联运行的发电机之间，尽管两台发电机承担的有功功率相同，若无功功率分配不等，其结果有可能造成一台发电机提前过载，这就是对两台相同功率的发电机的无功功率要求平均分配的原因。对于类似情形，对不同功率的发电机并联运行，则要求按比例分配无功功率。电势不相等，无功功率就分配不均；电势相等，无功功率就能均匀分配。因此，要使无功功率均匀分配必须调整电势，调整电势的方法就是调节励磁电流。但是，此时所说的调节励磁电流不希望改变电网电压，也就是说，要保证电网电压始终为额定电压。因此，在减小一台发电机的励磁电流的同时，必须相应的增大另一台发电机的励磁电流。这种调整需要从两个方向上同时进行，单纯把电势较大的发电机励磁电流调小，或者单纯把电势较小的发电机的励磁电流调大都是不行的。另外，因电网电压不变，自动励磁调节装置是不会进行自动调整的，所以，转移无功功率的励磁调节是人为的调节或者附加装置的自动调节。当并联的发电机之间的无功功率分配调整合理后，能否把合理的状态保持下去，也就通常所说的无功功率分配的稳定性，这与自动励磁装置的性能有很大关系。调压特性1) 发电机的调压特性 发电机的调压特性表示发电机端电压U与输出无功电流IQ之间的关系，如图5-3所示。它与发电机外特性类似，都是电压与电流的关系，是在频率不变的情况下测得的。但是两种特性不同，外特性是在励磁电流不变的情况下获得的，而调压特性是在自动励磁电流调节装置作用的情况下获得的；外特性是横坐标是负载电流，调压特性的横坐标是无功电流IQ，即负载电流的无功分量。图5-32) 无差特性 无差特性是呈水平直线的调压特性，即当无功电流IQ变化时，端电压U=0不发生变化的特性。当无功电流IQ变化时，去磁的电枢反应变化，必定引起端电压U的变化（单机运行时），但U=0说明AVR在起作用，其调节属于可控误差的类型。3) 有差特性 有差特性是指当无功电流IQ增大时，U也随之增大的调压特性。由于AVR的调节作用，U的变化虽然存在，