非線性負(fù)載問題

1、 柴油發(fā)電機組帶非線性負(fù)載問題及解決措施對于非線性負(fù)載對發(fā)電機組的帶載性能的影響，因不同的負(fù)載影響程度不同，也不能采用一個統(tǒng)一的公式進(jìn)行計算來解決，因此本文就一些原則作一些說明：一、負(fù)載性質(zhì)根據(jù)負(fù)載的特性可分為線性負(fù)載和非線性負(fù)載。線性負(fù)載：電壓和電流之間是線性關(guān)系的負(fù)載。常見的線性負(fù)載有加熱器、白熾照明燈、變壓器、直接啟動或傳統(tǒng)降壓啟動方式的電動機等。線性負(fù)載根據(jù)電壓和電流的相位關(guān)系又可分為電阻性（如電阻、電爐、白熾燈等）、電感性（如感應(yīng)電動機、變壓器等）、電容性（如電容器等）負(fù)載。非線性負(fù)載：電壓和電流之間是非線性關(guān)系的負(fù)載。在負(fù)載投入運行過程中，電壓和電流之間的關(guān)系式經(jīng)常變化的，其波形也

2、不是我們常說的正弦交流波，而是含有不光滑的畸變成分。如為確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)交換中心、金融結(jié)算中心、重要系統(tǒng)調(diào)度中心等關(guān)鍵部門的設(shè)備能得到不間斷的電源供電，這些部門通常采用“市電供電+柴油發(fā)電機組備用+UPS電源”所組成的電源供電系統(tǒng)UPS作為自市電停電到備用柴油發(fā)電機組供電的中間段的電源設(shè)備可以將蓄電池的電能無延時地逆變向重要負(fù)載供電，從而保證在柴油發(fā)電機組啟動供電前負(fù)載不斷電，而當(dāng)柴油發(fā)電機組投入使用時，UPS就作為機組的負(fù)載，為電池進(jìn)行充電整流濾波器件是UPS的主要部件之一，這種非線性負(fù)載會向柴油發(fā)電機組反射大量的高次諧波，其中以5次和7次諧波危害最嚴(yán)重，尤其是非線性負(fù)載較大而發(fā)電機組

3、容量又較小時這種危害就更明顯。二、常見的非線性負(fù)載：1. 軟啟動器（可控硅電動機啟動器）2. 開關(guān)電源、UPS3. 變頻控制的電動機、起重機、電梯、泵等制造過程控制（如溫控箱、爐、加熱器）4. 電子數(shù)據(jù)圖像設(shè)備電視、電影等無線電發(fā)射設(shè)備、可控?zé)艄庠O(shè)備5. 電信通信設(shè)備6. 整流器、熒光燈等三、現(xiàn)代負(fù)載的概念 隨著電子技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用，從我們?nèi)粘Ｉ钏玫降碾姎庠O(shè)備（如熒光燈、電視機、變頻空調(diào)）到工業(yè)生產(chǎn)常用的設(shè)備（如變頻電機、軟啟動電動機、高溫爐），再到有些行業(yè)市場（如通信行業(yè)設(shè)備、機場電線發(fā)射設(shè)備、機場跑道調(diào)光燈、油田鉆機等），已不再是傳統(tǒng)的感性負(fù)載為主的線性，而是以非線性負(fù)載特性為主或

4、多多少少都含有非線性成分的負(fù)載。因此一些專家提出現(xiàn)代負(fù)載概念對整個供電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電氣制造行業(yè)有了更新的要求。一方面是要求生產(chǎn)這類負(fù)載設(shè)備的廠家要從自己生產(chǎn)的設(shè)備上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，以減少對電網(wǎng)的影響，另一方面也對整個供配電系統(tǒng)有更高的要求。作為我司生產(chǎn)發(fā)電機和柴油發(fā)電機組制造商更是要充分考慮到這一新的變化趨勢，因為發(fā)電機組是一個容量相對很小的電源設(shè)備，更容易受到非線性負(fù)載的干擾而無法正常工作，尤其是用戶對這方面不能充分認(rèn)識時更可能會對我們的設(shè)備產(chǎn)生誤會。四、非線性負(fù)載的影響柴油發(fā)電機組在帶動非線性負(fù)載時如果選型匹配不當(dāng)主要表現(xiàn)在以下幾種故障現(xiàn)象：1.發(fā)電機組的輸出電壓突然增高到440V以上，

5、而且極不穩(wěn)定；2.發(fā)電機組測量儀表或控制器檢測到的輸出頻率到4060Hz，極不穩(wěn)定；3.發(fā)電機組在出現(xiàn)頻率或電壓異常的同時出現(xiàn)嚴(yán)重的機械共振現(xiàn)象，柴油機出現(xiàn)有節(jié)奏的搖擺和聲音起伏，迫使柴油發(fā)電機組的保護(hù)裝置動作或必須人工保護(hù)停機； 4.非線性負(fù)載的高次諧波導(dǎo)致反常的導(dǎo)體發(fā)熱，嚴(yán)重時還出現(xiàn)損壞發(fā)電機的勵磁回路和AVR；5負(fù)載設(shè)備因檢測到電壓或頻率的異常而自動切斷電源開關(guān)，如果是UPS負(fù)載，將由后備電池組向負(fù)載放電或從旁路直接向負(fù)載供電。五、故障出現(xiàn)的原因1.發(fā)電機組的瞬態(tài)調(diào)壓特性由于發(fā)電機組的內(nèi)阻比市電電網(wǎng)大得多，其輸出容量非常有限，當(dāng)負(fù)載突變時，發(fā)電機組的電壓瞬態(tài)變化很大而且所需的恢復(fù)時間較長

6、，在GB2820-90中用瞬態(tài)電壓調(diào)整率（標(biāo)準(zhǔn)要求±20%）和電壓恢復(fù)時間（標(biāo)準(zhǔn)要求±2.4S）兩個指標(biāo)來衡量，有些用戶主要只注重看發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率（標(biāo)準(zhǔn)要求±1%），其實后者在當(dāng)今大多數(shù)發(fā)電機的指標(biāo)相差不大，而前兩個指標(biāo)卻與發(fā)電機的瞬態(tài)電抗和勵磁系統(tǒng)的特性有較大關(guān)系2.發(fā)電機的勵磁特性小容量三相同步發(fā)電機主要有以下幾種勵磁方式：無刷永磁式（PMG）無刷自勵式三次諧波勵磁相復(fù)勵其中以無刷永磁式勵磁方式性能最好，永磁勵磁系統(tǒng)由五部分組成：發(fā)電機主勵磁繞組（轉(zhuǎn)子），永磁發(fā)電機（PMG），自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR），勵磁機和旋轉(zhuǎn)二極管勵磁系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)發(fā)電機旋

7、轉(zhuǎn)時，永磁發(fā)電機（PMG）的永磁轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)，切割PMG的定子繞組而產(chǎn)生電勢，引入發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）作為AVR的輸入電源，AVR通過檢測發(fā)電機的輸出電壓自動調(diào)節(jié)勵磁機磁場的勵磁電流，從而調(diào)節(jié)勵磁機轉(zhuǎn)子的輸出電壓，經(jīng)旋轉(zhuǎn)二極管整流后輸送至發(fā)電機主轉(zhuǎn)子的勵磁回路。由此可見，輸出電壓的調(diào)節(jié)，其實是通過AVR對勵磁機磁場的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的，在這個系統(tǒng)中有以下幾個特點：由于PMG系統(tǒng)提供一個與定子輸出電壓波形畸變及大小無關(guān)的恒定的勵磁電源，因而能提供較高的電動機起動承受能力，并對非線性負(fù)載產(chǎn)生的主機定子輸出電壓的波形畸變具有抗干擾性，可提高發(fā)電機帶非線性負(fù)載能力；AVR檢測輸出電壓，具有精度極高

8、的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率；更強的抗無線電干擾能力；更強的承受短路電流能力（通?？蛇_(dá)3倍額定電流，持續(xù)10S）。 3.負(fù)載大小和性質(zhì)非線性負(fù)載占發(fā)電機額定容量的比例越大，其危害就越明顯如非線性負(fù)載分量小，其非線性負(fù)載分量小于發(fā)電機額定容量20%時，其反射到發(fā)電機的諧波污染分量小，發(fā)電機輸出電壓的正弦畸變率小，因而影響不明顯，通常對發(fā)電機輸出電壓特性影響不明顯；如負(fù)載是UPS，采用三相6脈沖整流技術(shù)的UPS影響大過采用三相12脈沖整流技術(shù)的UPS，而采用單相整流技術(shù)的UPS影響更大 投入方式的影響（以UPS負(fù)載為例）當(dāng)柴油發(fā)電機組重新啟動向負(fù)載供電時，由于UPS已經(jīng)在停電的若干秒時間內(nèi)由電池組向負(fù)載放電，

9、因此機組供電時首先接入的將是UPS的整流元器件，而且還有蓄電池的充電電流的大小影響，一般發(fā)電機組提供容量的20%-25%相當(dāng)于UPS容量。六、故障消除措施 （以UPS負(fù)載為例）根據(jù)英格公司長期實踐經(jīng)驗積累，認(rèn)為最完備的解決方案是成立由用戶運維人員、非線性負(fù)載供應(yīng)商、發(fā)電機組供應(yīng)商工程技術(shù)人員組成的專家組，從各個方面綜合解決問題，主要從以下幾方面考慮：1.根據(jù)負(fù)載大小選擇合適容量的UPS和電池組2.綜合各方投資盡量采用對電源設(shè)備諧波污染小的UPS，如采用三相12脈沖整流技術(shù)加輸入濾波器3.適當(dāng)加大發(fā)電機容量和選擇較好帶非線性負(fù)載性能的發(fā)電機4.綜合配電和負(fù)載特性，選擇最優(yōu)的負(fù)載投入方式七、在選型

10、前需要了解的設(shè)備資料1.由于非線性負(fù)載選型是一個比較復(fù)雜的過程，只應(yīng)用上面的方法可能很難準(zhǔn)確進(jìn)行選用，有時甚至根本無法識別負(fù)載的類型，所以最好的辦法是能夠向用戶說明非線性負(fù)載選型的重要性，并盡可能要求提供以下資料：基本負(fù)載的容量；負(fù)載投入的順序；非線性負(fù)載時采用單相整理技術(shù)還是三相6脈沖或12脈沖整流技術(shù)；(4)設(shè)備所允許的電壓畸變率和電流畸變率是多少；（5）如是UPS負(fù)載，需要提供UPS的后備電池充電電流為多大，并計算充電容量；2.了解發(fā)電機采用勵磁特性和瞬態(tài)特性備用發(fā)電機采用永磁機勵磁、無刷自勵、三次諧波勵磁還是相復(fù)勵，不同勵磁方式發(fā)電機所能帶非線性負(fù)載的瞬態(tài)容量不同備選發(fā)電機的瞬態(tài)電抗值

11、同樣容量的發(fā)電機，瞬態(tài)電抗值越大帶非線性負(fù)載能力越強3.發(fā)電機容量與設(shè)備容量的選配在不增加柴油機功率的條件下，配置一臺較大容量的發(fā)電機，以提高機組帶非線性負(fù)載的能力。發(fā)電機輸出功率一般可以按照下面的比值進(jìn)行選擇：采用6脈沖整流技術(shù)的 Sg=3-3.5Su采用12脈沖整流技術(shù)的 Sg=2.5-3Su采用單相整流技術(shù)的 Sg=4-5Su采用高頻脈寬調(diào)制技術(shù)的Sg=2-3Su 注：Sg表示發(fā)電機的標(biāo)稱功率（kVA），Su表示負(fù)載的標(biāo)稱功率（kVA）例如：可用一臺32kW的柴油機配一臺60kVA的發(fā)電機來帶動一臺6脈沖整流技術(shù)的15kVAUPS，其測試的各項參數(shù)均滿足技術(shù)條件要求。4如果發(fā)電機是無刷自

12、勵式，而上述調(diào)節(jié)方法仍不能解決問題，英格的發(fā)電機可以極方便地加裝PMG，而且投資不大，加裝PMG后同樣容量的發(fā)電機其帶非線性負(fù)載能力可提高20%左右 5.發(fā)電機組與非線性負(fù)載匹配時現(xiàn)場調(diào)試可能碰到的問題既使按照上面的方法進(jìn)行了選型，在現(xiàn)場調(diào)試的工程師還有可能碰到引言中所述的一些故障現(xiàn)象，我們認(rèn)為只要真正了解了UPS和發(fā)電機的特性，我們不能被一些表現(xiàn)所迷惑，有時簡單調(diào)整即可解決問題，簡單說明如下：（1）發(fā)電機在投入UPS時電壓、頻率表搖擺不穩(wěn)，這時可適當(dāng)調(diào)節(jié)AVR的靈敏度旋鈕，使其靈敏度適當(dāng)降低；（2）注意將柴油機電子調(diào)速器的外殼良好接地，對電子調(diào)速器的轉(zhuǎn)速傳感信號采取屏蔽措施，并將屏蔽層良好接地，避免交流干擾信號影響到調(diào)速器性能；（3）發(fā)電機AVR的電壓檢測有些是單相檢測，有些是三相檢測取平均值，最好采用三相檢測的AVR，同時為了避免發(fā)電機輸出端的畸變電壓又通過AVR