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1、柴油发电机组带非线性负载问题及解决措施对于非线性负载对发电机组的带载性能的影响，因不同的负载影响程度不同， 也不能采用一个统一的公式进行计算来解决，因此本文就一些原则作一些说明：一、负载性质根据负载的特性可分为线性负载和非线性负载。线性负载：电压和电流之间是线性关系的负载。常见的线性负载有加热器、白炽照明灯、变压器、直接启动或传统降压启动方式的电动机等。线性负载根据电压和电流的相位关系又可分为电阻性（如电阻、电炉、白炽灯等）、电感性（如感应电动机、变压器等） 、电容性（如电容器等）负载。非线性负载：电压和电流之间是非线性关系的负载。在负载投入运行过程中， 电压和电流之间的关系式经常变化的，其波
2、形也不是我们常说的正弦交流波，而是含有不光滑的畸变成分。如为确保网络数据中心、数据交换中心、金融结算中心、重要系统调度中心等关键部门的设备能得到不间断的电源供电，这些部门通常采用 “ 市电供电 +柴油发电机组 备用+UPS 电源” 所组成的电源供电系统 UPS 作为自市电停电到备用柴油发电机组 供电的中间段的电源设备可以将蓄电池的电能无延时地逆变向重要负载供电，从而保证在柴油发电机组启动供电前负载不断电，而当柴油发电机组投入使用时，UPS 就作为机组的负载，为电池进行充电整流滤波器件是UPS的主要部件之一， 这种非线性负载会向柴油发电机组反射大量的高次谐波，其中以 5 次和 7 次谐波危害最严
3、重， 尤其是非线性负载较大而发电机组容量又较小时这种危害就更明显。二、常见的非线性负载：1. 软启动器（可控硅电动机启动器）2. 开关电源、 UPS 3. 变频控制的电动机、起重机、电梯、泵等制造过程控制（如温控箱、炉、加热器）4. 电子数据图像设备电视、 电影等无线电发射设备、 可控灯光设备5. 电信通信设备6. 整流器、荧光灯等三、现代负载的概念随着电子技术越来越广泛的应用，从我们日常生活所用到的电气设备（如荧光灯、电视机、变频空调）到工业生产常用的设备 （如变频电机、软启动电动机、高温炉），再到有些行业市场（如通信行业设备、机场电线发射设备、机场跑道调光灯、油田钻机等），已不再是传统的感
4、性负载为主的线性，而是以非线性负载特性为主或多多少少都含有非线性成分的负载。因此一些专家提出现代负载概念对整个供电系统、配电系统、电气制造行业有了更新的要求。一方面是要求生产这类负载设备的厂家要从自己生产的设备上进行技术改进，以减少对电网的影响，另一方面也对整个供配电系统有更高的要求。作为我司生产发电机和柴油发电机组制造商更是要充分考虑到这一新的变化趋势，因为发电机组是一个容量相对很小的电源设备，更容易受到非线性负载的干扰而无法正常工作，尤其是用户对这方面不能充分认识时更可能会对我们的设备产生误会。四、非线性负载的影响柴油发电机组在带动非线性负载时如果选型匹配不当主要表现在以下几种故障现象：1
5、.发电机组的输出电压突然增高到440V 以上，而且极不稳定；2.发电机组测量仪表或控制器检测到的输出频率到4060Hz，极不稳定；3.发电机组在出现频率或电压异常的同时出现严重的机械共振现象，柴油机出现有节奏的摇摆和声音起伏，迫使柴油发电机组的保护装置动作或必须人工保护停机；4.非线性负载的高次谐波导致反常的导体发热，严重时还出现损坏发电机的励磁回路和AVR；5 负载设备因检测到电压或频率的异常而自动切断电源开关，如果是 UPS 负载，将由后备电池组向负载放电或从旁路直接向负载供电。五、故障出现的原因1.发电机组的瞬态调压特性由于发电机组的内阻比市电电网大得多，其输出容量非常有限，当负载突变时
6、，发电机组的电压瞬态变化很大而且所需的恢复时间较长，在 GB2820-90 中用瞬态电压调整率 （标准要求 20%）和电压恢复时间（标准要求 2.4S）两个指标来衡量，有些用户主要只注重看发电机的稳态电压调整率（标准要求 1%） ，其实后者在当今大多数发电机的指标相差不大， 而前两个指标却与发电机的瞬态电抗和励磁系统的特性有较大关系2.发电机的励磁特性小容量三相同步发电机主要有以下几种励磁方式：无刷永磁式（ PMG）无刷自励式三次谐波励磁相复励其中以无刷永磁式励磁方式性能最好，永磁励磁系统由五部分组成：发电机主励磁绕组（转子） ，永磁发电机（ PMG） ，自动电压调节器（ AVR） ，励磁机和
7、旋转二极管励磁系统的工作原理是：当发电机旋转时，永磁发电机（ PMG）的永磁转子同轴旋转，切割PMG 的定子绕组而产生电势， 引入发电机自动电压调节器 （AVR）作为 AVR的输入电源， AVR 通过检测发电机的输出电压自动调节励磁机磁场的励磁电流， 从而调节励磁机转子的输出电压，经旋转二极管整流后输送至发电机主转子的励磁回路。由此可见，输出电压的调节，其实是通过 AVR 对励磁机磁场的调节来实现的，在这个系统中有以下几个特点：由于 PMG 系统提供一个与定子输出电压波形畸变及大小无关的恒定的励磁电源， 因而能提供较高的电动机起动承受能力，并对非线性负载产生的主机定子输出电压的波形畸变具有抗干
8、扰性，可提高发电机带非线性负载能力；AVR 检测输出电压，具有精度极高的稳态电压调整率；更强的抗无线电干扰能力；更强的承受短路电流能力 （通常可达 3 倍额定电流，持续 10S） 。3.负载大小和性质非线性负载占发电机额定容量的比例越大，其危害就越明显如非线性负载分量小，其非线性负载分量小于发电机额定容量20%时，其反射到发电机的谐波污染分量小，发电机输出电压的正弦畸变率小，因而影响不明显，通常对发电机输出电压特性影响不明显；如负载是 UPS，采用三相 6 脉冲整流技术的UPS 影响大过采用三相12 脉冲整流技术的 UPS，而采用单相整流技术的UPS 影响更大投入方式的影响（以UPS负载为例）
9、当柴油发电机组重新启动向负载供电时，由于UPS 已经在停电的若干秒时间内由电池组向负载放电，因此机组供电时首先接入的将是 UPS 的整流元器件，而且还有蓄电池的充电电流的大小影响，一般发电机组提供容量的20%-25%相当于 UPS容量。六、故障消除措施（以 UPS负载为例）根据英格公司长期实践经验积累， 认为最完备的解决方案是成立由用户运维人员、 非线性负载供应商、 发电机组供应商工程技术人员组成的专家组，从各个方面综合解决问题，主要从以下几方面考虑：1.根据负载大小选择合适容量的UPS和电池组2.综合各方投资尽量采用对电源设备谐波污染小的UPS，如采用三相 12 脉冲整流技术加输入滤波器3.
10、适当加大发电机容量和选择较好带非线性负载性能的发电机4.综合配电和负载特性，选择最优的负载投入方式七、在选型前需要了解的设备资料1.由于非线性负载选型是一个比较复杂的过程，只应用上面的方法可能很难准确进行选用， 有时甚至根本无法识别负载的类型，所以最好的办法是能够向用户说明非线性负载选型的重要性，并尽可能要求提供以下资料：基本负载的容量；负载投入的顺序；非线性负载时采用单相整理技术还是三相6 脉冲或 12 脉冲整流技术；(4)设备所允许的电压畸变率和电流畸变率是多少；（5） 如是 UPS负载，需要提供 UPS 的后备电池充电电流为多大，并计算充电容量；2.了解发电机采用励磁特性和瞬态特性备用发
11、电机采用永磁机励磁、无刷自励、三次谐波励磁还是相复励，不同励磁方式发电机所能带非线性负载的瞬态容量不同备选发电机的瞬态电抗值同样容量的发电机，瞬态电抗值越大带非线性负载能力越强3.发电机容量与设备容量的选配在不增加柴油机功率的条件下，配置一台较大容量的发电机， 以提高机组带非线性负载的能力。 发电机输出功率一般可以按照下面的比值进行选择：采用 6 脉冲整流技术的Sg=3-3.5Su 采用 12 脉冲整流技术的Sg=2.5-3Su 采用单相整流技术的Sg=4-5Su 采用高频脉宽调制技术的Sg=2-3Su 注： Sg 表示发电机的标称功率 （kVA） ， Su表示负载的标称功率 （kVA）例如：
12、可用一台32kW 的柴油机配一台60kVA 的发电机来带动一台 6 脉冲整流技术的 15kVAUPS，其测试的各项参数均满足技术条件要求。4如果发电机是无刷自励式，而上述调节方法仍不能解决问题，英格的发电机可以极方便地加装PMG，而且投资不大， 加装 PMG 后同样容量的发电机其带非线性负载能力可提高20%左右5.发电机组与非线性负载匹配时现场调试可能碰到的问题既使按照上面的方法进行了选型， 在现场调试的工程师还有可能碰到引言中所述的一些故障现象，我们认为只要真正了解了UPS 和发电机的特性， 我们不能被一些表现所迷惑， 有时简单调整即可解决问题，简单说明如下：（1）发电机在投入 UPS时电压
13、、频率表摇摆不稳，这时可适当调节 AVR 的灵敏度旋钮，使其灵敏度适当降低；（2）注意将柴油机电子调速器的外壳良好接地，对电子调速器的转速传感信号采取屏蔽措施，并将屏蔽层良好接地， 避免交流干扰信号影响到调速器性能；（3）发电机 AVR 的电压检测有些是单相检测，有些是三相检测取平均值，最好采用三相检测的AVR，同时为了避免发电机输出端的畸变电压又通过AVR 反馈到励磁回路， 可在 AVR 检测电压端前增加隔离变压器（有些AVR 已采用这种方式）或并联一个适当容量的电容器；（4）有些发电机组的控制系统会出现超频保护停机，但实测机组转速正常，其实际原因可能是发电机组控制系统检测到的发电机输出电压信号含有较大的高次谐波分量造成误报警停机，可以在发电机电压信号线进入控制器前增加一个滤波电路（如LC 电路） 。广州英格发电机有限公司2010 年 10 月 11日
