发电机空载、短路和负荷运转特性曲线

摘要：柴油发电机组配备的发电机可以说是一种较主用的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油发电机发电机组。因为同步发电机通常采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调整励磁电流，能方便地调整发电机的电压。若并入市电运转，因电压由市电决定，无法改变，此时调节励磁电流的结果是调整了电机的功率因数和无功容量。康明斯公司在本文中就发电机的类型和各种工作特性，以及特点曲线图做了分别细述，以便促进用户更好地领会发电机机理与优势。

的。如果输出电流过大，会引起滑环与电刷之间发生过大的火花;若输出电压过度，则滑环和电刷的绝缘不易清除，因此电压通常不超过500V。

有明显的磁极，在磁极铁心上套有集中磁极绕组。它的气隙是不均匀的，极弧下气隙较小，而极间部分气隙较大。

没有明显的磁极，磁极绕组分散嵌在转子铁心槽内。因为它的转子制成圆柱形，因此，其气隙是均匀的。

绝缘材料。电枢绕组输出的交流电流可直接送往负载，其机械强度和绝缘因素均比较好，可靠性也比过高。 

路铁心有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势E0 与励磁电流If 关系的曲线称为同步发电机的空载特征。

      空载特点本质上就是电机的磁化曲线，它既可用实验测出也可用磁路计算得到。用实验测取空载特征时，因为磁滞状况，上升和下降的磁化曲线不相重合。一般规定采用空载电压U≈1.3UN开始到If＝0为止的下降曲线时，有剩磁电动势。这时应增长空载特征与横轴相交，将交点的横坐标绝对值ΔIf0作为校正量，加在测得的空载特征每一点的横坐标上，即可得出另一条通过原点的校正曲线，得到电机适用的空载特性。

      在进行柴油发电机组空载实验时（步骤流程如图4所示），测出的柴油发动机拖动同步发电机所耗的功率，即为发电机的空载损耗p。同步发电机的空载损耗中详细包含机械损耗pmec和由主极磁场切割定子铁芯产生的定子铁耗pFe。因为电机转速保持为同步转速，机械损耗恒定不变，只有定子铁耗随着空载电压（正比于主磁通）的变化而变化。在实验中，先记录发电机未加励磁时拖动发电机所需的容量，即为被试发电机的机械损耗。再从不一样励磁时拖动发电机所需的功率中扣除此项机械损耗，即可算出定子铁耗，其中对应E＝UN时的铁耗值即可作为电机额定运行时的定子铁耗值。 

      因为U＝0，此时限制短路电流的仅仅是发电机的同步阻抗，其中电枢电阻值远小于同步电抗可以忽略，故短路电流滞后于励磁电动势为90°，即ψ≈90°；故而电枢电流全部为直轴电流，电枢磁动势为一纯去磁的直轴磁动势，即Fa＝Fad。此时各磁动势矢量都在同一条直线上，合成磁动势为F′δ=Ff－F′ad=Ff－kadFad，由空载特征求出气隙电动势Eδ。此Eδ值与定子漏阻抗（忽略电阻时是漏电抗）相平衡，即

此时的励磁磁动势E′与直轴电枢反应电动势E′ad相加后得出气隙电动势E′δ=-E′σ。此E′是根据气隙电动势Eδ=AC的饱和程度，由OC延长线上查出为E′=BD而并非If=OB在发电机空载时所生的励磁电动势E=BF。

      在进行短路试验时，应测出拖动同步发电机所需的功率，即为发电机的短路损耗pk，它包括机械损耗、电枢绕组基础铜耗和短路杂散损耗，后两者之和称为短路负载损耗。测出不同短路电流Ik时的短路损耗pk值，然后减去机械损耗，即可得到短路负载损耗随电枢电流变化的曲线，再从额定电流下的短路负荷损耗减去电枢基本铜耗pcu1=mI2NRa后即为发电机的负荷杂散损耗pad，Ra为电枢绕组的直流电阻。

      由空载试验算出机械损耗pmec和铁耗pFe，再由短路试验算出Ik=IN时的定子铜耗pcu1和负荷杂散损耗pad。此外在额定负荷下检测出额定励磁电流IfN数值并算出励磁绕组铜耗pcuf=I2fNRf，再由励磁机效率算出同轴励磁机的输入功率，即可算出整个发电机的总损耗。

      零功率因数负载特征由电枢绕组接到可变的三相纯电感对称负荷，使cosφ≈0，同时调节励磁电流和负荷电抗，使负荷电流保持为一常值得到。当电机容量较大时，可将电机并入大电作空载过励运行，使电枢输出的无功电流为I＝IN，得到零功率因数负载特征上U＝UN点。接着再作此发电机的三相对称稳态短路试验，测出对应Ik＝IN的励磁电流Ifk，得到零功率因数负荷特征上U＝0点。

I 之间的关系，特性曲线所示。调整特性是转速和端电压为额定值、负荷容量因数为常数时，励磁电流 If 与负载电流之间的关系。还有电阻性、电容性和电感性 3 种负荷的状况。由于电枢反应磁场影响的不同，三者的曲线也不同。在外特征中，从空载到额定负荷时电压的变化程度称为电压变化率△U。所谓发电机的外特点，就是指励磁电流、速度、功率因数为常数的条件下，变更定子负载电流时，端电压U的变化曲线，即U=f(I)曲线。

      在滞后的功率因数状况下cos(θ)，当定子电流增加时，电压降落较大，就是由于此时电枢反应是去磁的。在超前的功率因数的状况下[cos(-θ)]，定子电流增加时，电压反而升高，这是由于电枢反应是助磁的。在cos(θ)=1，电压降落较小。外特性可以用来陈述发电机运转中的电压波动情形，借以提出对自动调节励磁装置调整范围的要求。

      所谓发电机的调整特点，系指电压、速度、功率因数为常数的条件下，变更定子负荷电流时，励磁电流的变化曲线所示。不同容量因数下的调整特性可以看出，在滞后的容量因数情形下，负荷增加，励增电流也必须增加。这是由于此时去磁功用加强，要维持气隙磁通；必须增加转子磁势。在超前的功率回数下，负载增加，励磁电流通常还要降低。这是由于电枢反应有助磁用途的缘故。调整特征可以使运行人员通晓：在某一功率因数时，定子电流到多少而不使励磁电流超过制造厂的规定值，并能维持额定电压。利用这此曲线，可使电力机构无功功率更合理一些。

      发电机电压变化率约为 20～40％。一般工业和家用负荷都要求电压保持基本不变。为此， 随着负载电流的增大，必须相应地调整励磁电流。有 3 种不同性质负荷下的调整特性。虽然调整特征的变化趋势与外特点正好相反，对于感性和纯电阻性负荷，它是上升的，而在容性负载下， 一般是下降的。

     值得注意的是，柴油发电机组配备的同步发电机一般具备自我保护能力，即在一定的速度范围内，它可以自动限制输出电流，以预防过载。这种自我保护制度使得发电机能够在有限的条件下安全地工作。综上所述，交流发电机的三大作业特点分别是空载特点、输出特征和外特性，它们各自反映了发电机在不一样工作因素下的性能表现，对于准确操作和保养发电机至关重要。