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發電機自動調壓器的原理 |
摘要：要想掌握柴油發電機組的基本知識，首先要掌握同步發電機的簡單原理和電壓自動控制原理。當轉子旋轉時，定子切割磁力線產生交流電，同步的由來，是因為電極電流產生的旋轉磁場的轉速與磁場的轉速相同，而且它們的轉向也相同（前者的轉向由后者決定），所以二者在空間上是相對靜止的，稱為同步發電機。
一、調壓板基本原理
發電機電壓調節器是一種用于控制發電機輸出電壓的裝置，它可以根據負載的變化來調節發電機的電壓，以保持輸出電壓的穩定性。下面將介紹發電機電壓調節器的工作原理。
發電機電壓調節器主要由電動機、電壓感應器、自激勵勵磁電源、電壓調節電路和電動機控制電路等組成。
當發電機開始運行時，電動機通過傳動裝置驅動調節器的電壓調節電路進行調節。電壓感應器通過感應發電機輸出電壓的大小，將電壓信號傳遞給電壓調節電路。電壓調節電路根據感應到的電壓信號來判斷發電機的輸出電壓是否正常，并根據需要進行調節。
在調節過程中，電壓調節電路會控制自激勵勵磁電源的輸出電流，從而調節發電機的勵磁電流。當發電機的負載增加時，輸出電壓會下降，電壓感應器會感應到這一變化，并將信號傳遞給電壓調節電路。電壓調節電路根據感應到的信號來判斷發電機的輸出電壓是否低于額定電壓，并通過控制自激勵勵磁電源的輸出電流來增加勵磁電流，從而提高發電機的輸出電壓。
同樣的道理，當發電機的負載減少時，輸出電壓會上升，電壓感應器也會感應到這一變化，并將信號傳遞給電壓調節電路。電壓調節電路根據感應到的信號來判斷發電機的輸出電壓是否高于額定電壓，并通過控制自激勵勵磁電源的輸出電流來減小勵磁電流，從而降低發電機的輸出電壓。
通過這樣的調節過程，發電機電壓調節器可以保持發電機的輸出電壓在額定電壓范圍內的穩定性。當負載變化時，調節器會根據需要自動調節勵磁電流，以使發電機的輸出電壓保持恒定。這樣可以確保供電系統中的設備正常工作，避免因電壓波動而引起的故障。
二、調壓裝置的分類
1、TD1型碳阻式自動調壓裝置
這種調壓方式，在國產柴油發電機組上有所運用，其原理是：當發電機負柴油發電機組使用與維修荷為額定值時，調壓器保持穩定不動，這時發電機激磁電流、電壓和主激磁電流都穩定不變；如果發電機負載發生變化，電壓降低，此時，調壓器開始調節碳片電阻，使其電阻減小，從而使發電機激磁電流增大，促使發電機輸出電壓上升。反之，載減小，調節調壓器碳片電阻，使其電阻增大，而使激磁電流減小，又促使電壓下降。
2、相復勵自動調壓裝置
因為特殊設備的啟動和運行中負載變化較大，采用相復勵自動調壓可以較好地滿足特殊設備的需要，因此，目前在特殊設備供電中，發電機控制部分一般采用相復勵自動調壓方式。
相復勵自動調壓的基本原理是當發電機空載時，電樞抽頭繞組的剩磁電壓，通過線性電抗器移相90。，施于三相橋式整流器上整流后，直流電流通向磁場繞組進行勵磁，當剩磁電壓太低時，可用直流電進行充電。當發電機帶有負載時，其負載電流通過電流互感器的一次繞組，產生一個和一次繞組電流成比例關系的二次電流，此電流能隨不同功率因數的負載變化時所需勵磁電流而相應增減。在適當參數配合下，供應和發電機所需的勵磁電流相適應，故能自動調整電壓，保持電壓恒定在一定的范圍內。由于它的這種特性，所以在工程建筑和特殊負載變化較大的設備中，較多地采用相復勵調壓方式的發電機組。
3、可控硅自動調壓裝置
利用串入或并入激磁回路的可控硅控制激磁電流，從而使發電機的輸出電壓隨負載的變化而進行自動調節，原理如圖1所示。可控硅的控制方式有多種，主要分為以下兩種：
（1）利用單結晶體管組成弛張振蕩電路產生觸發脈沖，改變電容的充電電壓，從而控制觸發脈沖產生的時間，改變可控硅導通角。
（2）利用三極管導通截止開關特性，改變電容的充電電壓，控制三極管的打開時間而產生觸發脈沖，同樣也可以可控制的導通角。
4、柴油機電力驅動系統
簡單來說，就是一種取消電壓調節裝置的設計方案，原理如圖2所示。
（1）結構：
具有永磁同步發電機和制動電阻，永磁同步發電機在轉子側與柴油機械耦合，在定子側與電壓型變換器導電相連，電壓型變換器在發電機側和負載側分別具有一個自換相脈沖變流器，自換相脈沖變流器在直流電壓側通過直流電壓中間電路彼此相連，制動電阻可與直流電壓中間電路導電相連。
（2）原理
電壓型變換器的發電機側自換相變流器的每個發電機側接點(R，S，T)均可通過開關裝置與一個制動電阻導電相連，制動電阻彼此導電相連，借此獲得一種無需再使用附加電壓調節器的柴油電力驅動系統。
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圖1 發電機自動調壓器原理圖 |
圖2 柴油機電力驅動系統原理圖 |
三、調壓板基本功能
1、自勵建立電壓可靠性檢查
起動柴油發電機至額定轉速，已投入運行的發電機，轉速接近額定轉速時都應該能自動建立電壓，交流電壓表指示的電壓應接近額定電壓，電路如圖3所示。若未有電壓指示，調節“電壓調節”電位器，順時針轉電壓應上升，若電位器已調至最大位置仍無電壓，用萬用表直流擋檢測勵磁輸出F+、F-，用萬用表交流擋檢測電源電壓輸入端和檢測電壓輸入端，若輸入端有電壓，而勵磁輸出端仍無電壓，說明該調壓板已損壞，應換上同型號、規格新的調壓板。
2、電壓整定范圍檢査
根據國家標準規定，發電機電壓整定范圍≧1.05倍額定電壓和≦0.95倍額定電壓。檢測時， 發電機已處于空載轉速（頻率達52.5Hz）。順時針轉“電壓調節”電位器旋鈕，若電位器己調至最大位置，發電機電壓應大于1.05倍額定電壓，若小于此值，用萬用表直流檔檢測勵磁輸出F+、F-端子，測得的勵磁電壓沒有超過銘牌規定值，說明調壓板電壓整定范圍上限不夠高。再逆時針轉“電壓調節”電位器旋鈕，發電機電壓應小于0.95倍額定電壓，若電位器已調至最小位置，發電機電壓未能小于此值，說明調壓板電壓整定范圍下限不夠低，應更換調壓板。
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圖3 發電機自勵建立電壓原理圖 |
圖4 柴油發電機組電壓整定范圍檢査 |
3、低頻保護檢查
設置有低頻保護環節的調壓板，在發電機轉速升至頻率轉折拐點（一般為45HZ）之前， 發電機勵磁電流不允許大于銘碑規定值，否則有刷發電機轉子繞組或無刷發電機交流勵磁機定子繞組、電樞繞組將因持續的超大勵磁電流而過熱直至燒毀。在發電機升速過程，若出現勵磁電流超大，說明調壓板低頻保護失效，應更換調壓板。低頻保護特性一般在調壓板生產廠已調試好，其電位器旋鈕已固封，發電機調試時無需調節，但有的廠家未固封，此時可用小螺絲刀調節“頻率轉折”電位器，順時針轉，低頻保護點頻率升高，若升至45Hz之前，還出現超大勵磁電流，說明該調壓板低頻保護功能不滿足要求，應更換。
4、電壓穩定性檢査
調節“電壓穩定性”電位器，順時針轉，發電機電壓波動率好， 但穩態、瞬態電壓調整率變差；逆時針轉調節器旋鈕，發電機電壓波動率變差，但穩態、瞬態電壓調整率變好。發電機要求既有合格的電壓波動率，也有合格的穩態、瞬態電壓調整率，通過調節“電壓穩定性"電位器，上述3項性能指標中任1項不合格，說明該調壓板不合格，應更換調壓板。
電壓穩定性對發電機輸出電壓質量的影響主要有：
（1） 發電機電壓波動率
穩定性好電壓波動率小。穩定性差電壓波動率大，不適用于幾乎所有用電設備。柴油發電機組標準規定：電壓波動率≦0.5%，穩定性越好，電壓越穩定。
（2） 穩態電壓調整率
穩定性好，穩態電壓調整率小，即從空載到滿載電壓變化小。穩定性差，則穩態電壓調整率大，從空載到滿載電壓上升或下降大，也不適用于幾乎所有用電設備。國家標準規定：發電機穩態電壓調整率有≦±1.0%、±2.5%、±5.0%三類指標， 依不同勵磁方式發電機而定。穩態電壓調整率越小，電壓越穩定。
（3） 瞬態電壓調整率
穩定性好，瞬態電壓調整率小，從空載突加負載至滿載，或從滿載突減負載至空載瞬變的過程中，電壓變化小，電壓恢復速度快。穩定性差，則瞬態過程電壓變化大，反映速度慢。國家標準規定：發電機瞬態電壓調整率為≦ （-15%?＋20%）、 ≦ （-20%?+ 25%）、≦ （-25%?+ 30%） 3類指標，依不同勵磁方式發電機而定。瞬態電壓調整率越小，電壓越穩定。起動電動機能力也越強。
5、并列運行調差精度檢查
適用于兩臺或多臺發電機并列運行或并網運行的調壓板，其內部設置有調差環節（含調節電位器），外接調差互感器，改善各臺發電機的無功功率的自動合理分配，使各發電機穩定運行。當某臺發電機無功電流偏大時（該發電機負載功率因數滯后偏大），順時針方向緩慢調節“無功調差”電位器，無功電流偏小時（該發電機負載功率因數滯后偏小），逆時針方向緩慢調節“無功調差”電位器。若順時針或逆時針方向調節電位器過程無功電流不改變，說明調壓板的無功調差失效，應更換調壓板。
總結：
總的來說，發電機調壓器是發電機穩定輸出電壓的關鍵設備之一。它的主要作用是通過控制發電機的勵磁電流來調節發電機的輸出電壓，以保證電壓穩定，防止電壓過高或過低對電氣設備造成損壞，同時保證穩定的電能供應。在發電機運行時，發電機內部產生的電壓需要通過調壓器進行調節，使電壓滿足負載的要求，并保持一定的穩定性。因此，調壓器在電力系統中具有重要的地位，可以保持供電系統的電壓穩定，確保柴油發電機組正常工作。
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