图中虚线曲线表示不加入负载调节模块时发电机组输出频率、电压和转子轴功率在重负载接入时的波动曲线。
图1下面的P(power)功率曲线在0～0.5s时升至最高值,表明发动机因重负载的接入而立即增加功率给发电机转子轴,尽力维持电压、电流和频率的不变。0～0.2s之间曲线的小波折是由于负载中的电抗成分瞬时反应造成的。图1上面的U(voltage)电压曲线,变化规律与P曲线一致。在0～0.2s时电压突然低至额定值的0.8,说明负载中容抗成分起主要作用。到0.5s时充电到最大值。
中间的F(frequency)频率曲线在0～0.5s时间段已下降到额定值的0.95左右,表明重负载的接入引起频率迅速下降。
0.5s以后,过度过程加剧。定子绕组感抗成分和负载的容抗成分之间充放电电流剧增,无功功率在1.5s左右达到峰值,致使发电机转子再次被定子绕组的电磁场吸滞而转速变慢,发电机组输出频率低至额定值的0.83(F曲线)。
1.5～3s之间是重负载接入引起的电路过渡过程减弱并结束的时间,电压(U曲线)、频率(F曲线)和转子轴功率(P曲线)都迅速达到正常值。从重负载接入时频率在3s内的变化状况(F曲线)可以看出,频率波动与负载的大小和性质有很大关系。
(3)频率波动的影响及应对
频率的波动不仅对用电设备产生影响,也对发电机组自身的工作状态造成干扰。数据中心的发电机组被ATS切入,对UPS供电时刻,或大或小的频率波动随之产生。这对于依靠输入电压频率和相位调控电路输出量值(整流器电路)或改变电路工作状态(旁路系统)的UPS必然造成干扰。有的会使整机处于不良工作状态,严重的会导致整机不能工作。
其实频率波动对UPS和发电机组的影响也是相对的,恰当地选择两者的功率比是有效地应对措施。实际工作中得到的经验是:对于输入功率因数接近于1,输入电流高次谐波分量小于10%的高频UPS,其输入功率在发电机组额定输出功率80%以下时,频率的波动不会影响正常工作。而工频UPS只能选择55%以下。
3 相关的规范
有关频率的参数也是发电机组技术标准的主要条目。定义了稳态频率调整率df和频率稳定时间t。前者表示负载变化后频率的最大或最小值f1与额定负载时的频率f2之差,同额定频率f之比的百分数,即
常用的发电机组df值不大于3%,据此算出频率波动值为1.5Hz。可见对用于发电机组的发动机转速的稳定能力要求很高。对于频率稳定时间t,标准要求在2～5s。即负载变化引起的过渡过程越短越好。