发电机组非线性负载理论分析及应对措施

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1、发电机组非线性负载理论分析及应对措施摘要：随着互联网的日益普及和移动网络无缝覆盖，UPS和开关电源己经成为发电机组的常态负载;工业生产设备中大量使用SCR可控硅（或IGBT）及变频电动机。这样类型的非线性负载无疑对发电机组的设计者、标准制定者和工程师提出了新的挑战，全世界的发电机组制造商按照纯电阻电抗平衡的正弦波负载测试发电机组，而多数用户的实际负载却是谐波畸变的非线性负载。所以对于制造商和用户来说，了解非线性负载对发电机组工况的影响非常必要。本文将分析这类典型的非线性负载及其产生的原因、影响和问题，最后提出可行的解决方案。关键词：同步发

2、电机；非线性负载；波形畸变率；超瞬态电抗1负载分析最常见的非线性负载类型是UPS、开关电源以及SCR（可控硅）电动机驱动机构。而纯电阻负载被定义为线性负载，其电压和电流都是完全的正弦波形。UPS和开关电源系统包括整流器、充电器、电池和转换开关组成，当电网供电时，整流器、充电器将电网电源转换成直流电源，供电给负载和电池。电池在全时间内并联在电网。如果电网失效，电池将维持负载的电源不间断，同时备用发电机组启动用于维持这个系统，这时发电机组的负载是一个整流电池充电器。SCR可控硅电动机驱动装置有多种运用场合，一些最经常的应用范围如下：交流变频负

3、载、各种泵、风扇直流马达、电梯、吊机、印刷机等。以上这些负载中重要的功率器件：可控硅和功率管，均工作在非线性的开关状态下（通、断），这就是负载回路产生大量谐波的主要原因。可控硅电动机负载既有偶尔启动的备用负载，也有一直运行的常用负载，发电机组必须适应这些应用。因为SCR可控硅负载本身固有特性会产生谐波电流，这将导致电压的谐波和畸变，直接导致发电机、调压器（AVR）系统的问题。包括SCR可控硅的控制及启动回路、仪器，电调和其他连接的负载，都可能产生问题。这些问题会导致发电机组到负载的供电回路因为严重谐波产生振荡，这时发电机组的供电将会失效。

4、同电网比较，发电机组是一个高电抗源。发电机组的电抗和供电线路的寄生电抗，抑制了大功率开关器件导通时需要的大电流。这些结果能导致电压波形的急剧下降，随着电压的下降，会产生回路共振频率引起的振荡。这些将产生电压波形的严重畸变并导致发电机组无法正常供电。功率开关器件组成的变换器（AC/DC、DC/DC、DC/AC）被设计成许多应用，有许多的类型的功率变换器参考指导文献。根据大多数功率转换器的原理，其谐波电流的量级与谐波次数成反比。整流器可能是3相、6相和12相回路。6相和12相回路更普及，但电池充电器通常采用3相整流。3相回路理论上的总谐波畸变

5、率是66%,6相回路是30%,12相是15%。实际的谐波畸变率因为线路阻抗而减少。功率变换器的电压谐波会导致发电机组的多种问题。功率器件关断瞬变电压会非常高，并形成前半波陡降。如果没有有效的吸收电路，在SCR可控硅负载端的瞬态峰值电压能超过两倍发电机组额定电压的峰值。这些峰值电压加大了发电机定子绝缘要求，并可能导致绝缘失效。如果表面电气间距正好在临界值，电压的峰值还可能在铜排和其他部件间造成电弧。任何接在发电机端的非线性负载可能与供电回路内的瞬变电压产生相互干扰，这些瞬变电压能导致非线性负载中功率器件启动回路变得不稳定。如果还有有并联的非

6、线性设备，没有隔离，这些瞬态变量可能传输到并联着的另一台非线性设备。精密仪表设备及其保护装置也会被瞬态电压干扰。有可能造成：过电压，过频率，失步，设备关断等等，在这样的情况下，设备电源输入端必须有电源滤波器。电压谐波还可能影响功率器件的控制端。无论是PWM控制还是SCR可控硅控制端，它们对谐波都很敏感。而对整个系统影响最大的，莫过于谐波对发电机调压器（AVR）的影响。如果有调压器（AVR）问题，对发电机的影响通常是欠励或过励，表现的结果是欠电压或过电压。过励磁导致发电机转子过热，欠励导致发电机保护机构动作。在这样的情况下，发电机组根本无法

7、正常供电，所以发电机里必须有另外一个永磁机给调压器（AVR）提供与主供电回路隔离的电源（如图1所示）。发电机定子绕组内的谐波电流将导致发电机定子或转子过热。真有效值电流会因谐波电流而增加，定子绕组铜损耗将增加，由谐波电流在定转子和气隙产生的磁通将增加磁拉力，定子里的谐波磁通产生附加的铁损。在稳定状态下，发电机转子同步于定子磁场，转子内不会产生感应电压和涡流。谐波磁通以N倍的基波速度旋转，但他们中的部分向后转。谐波磁通在转子中产生脉振磁通，因为2次谐波是以反方向旋转的。由于存在脉振磁通，涡轮驱动旋转的发电机可能在部分区域出现涡流。涡流能产生

8、严重的局部过热，并导致整个转子温升过高。凸极发电机使用冲片转子，带有阻尼绕组。脉振磁通能在阻尼绕组中感应出电流，阻尼绕组有助于在转子极表面形成防护，片状的转子能减少涡流损耗，有助于防止转子过热