摘要： 发电机失去直流励磁称为失磁。发电机失磁后，经过同步振荡进入异步运行状态，以低滑差与电网并列运行，从系统吸取无功功率建立磁场，并向系统输入一定的有功功率，是一种特殊的运行方式。本文围绕同步发电机工作原理、励磁系统的作用、发电机失磁原因和解决办法及失磁发电机的影响及现象变化四个方面，系统阐述同步发电机的工作原理与电动势公式，详细介绍励磁系统在电压控制、无功分配、稳定性提升、保护灵敏性、快速灭磁与运行条件改善等方面的作用，分析失磁的多种成因并提出充磁与起励解决方法，同时说明失磁对发电机的影响及物理现象变化，为同步发电机失磁故障的诊断、处理与预防提供技术参考。
一、同步发电机工作原理
同步发电机是用于发电的一种设备，它是一种机械设备，通过发电机的运转产生电能。它的工作原理是，机械能转换成电能的一种装置，它将机械能转换成电能，以满足客户的电力需求。同步发电机的运行原理是，当外加电流作用于发电机绕组时，发电机内部磁路形成，产生发电机内部的偶极磁场，并且发电机内部的磁场与外界的电流磁场相互作用，形成发电机的转子旋转，从而产生发电。
1. 输出功率调节
（1）频率调节：发电机的电力输出是通过调节外加电流的频率来实现的，外加电流的频率可以控制发电机的转速，从而控制发电机的输出功率。
（2）低速运行：当发电机的外加电流频率较低时，发电机的转速减慢，功率减小。
（3）高速运行：当发电机的外加电流频率较高时，发电机的转速增加，功率增加。
（4）调速意义：通过调节励磁电流与转速，可使发电机输出功率满足负载需求。
2. 同步角
（1）基本定义：发电机的转子与定子之间有一定的角位移，称为同步角调和，这个角调和也是发电机的重要参数，它决定了发电机的输出功率。
（2）角变化影响：当发电机转子旋转时，发电机转子与定子之间的同步角会发生变化，发电机的输出功率也会发生变化。
（3）功角特性：同步发电机功角特性反映了电磁功率与功角之间的关系，功角越大，电磁功率越大，但超过静稳极限后发电机将失去同步。
3. 同步发电机的特点
（1）功率可调：同步发电机的特点是它的输出功率可以根据需求进行调节，可以满足客户的不同需求。
（2）效率高：另外，同步发电机的发电效率高，可以有效地节约能源。
（3）运行稳定：同步发电机在额定工况下运行稳定，电压与频率波动小。
（4）应用广泛：同步发电机广泛应用于发电机组、水轮发电、汽轮发电等场合。
4. 工作原理与公式
其具体原理和结构分别如图1、图2所示，用柴油发动机拖动交流发电机转子使其到达同步转速n，后在励磁绕组中通入直流电流建立恒定磁场，定子绕组切割磁感线产生感应电动势E。其公式如下：
（1）频率
（2）大小
（3）波形
由e=blν可知，波形取决于b的空间分布。
（4）相序
相序变换公式可以表示为：
正序分量：
负序分量：
零序分量：
其中，Ua、Ub和Uc分别表示A相、B相和C相电压，w为虚数单位，满足w³=1。
以上就是同步发电机的工作原理。它可以有效地将机械能转换成电能，为客户提供电力。它的特点是输出功率可以根据需求进行调节，可以满足客户的不同需求，发电效率也非常高，可以有效地节约能源。
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图1 同步交流发电机原理图 |
图2 同步交流发电机结构分布图 |
二、励磁系统的作用
1. 电压控制
（1）基本功能：在发电机正常运行情况下，维持发电机机端或升压变压器的高压侧电压在给定水平。
（2）调节方式：通过调节励磁电流的大小，改变发电机主磁场强度，从而调节发电机输出电压。
（3）电压精度：励磁系统应保证发电机端电压在额定值±5%范围内稳定运行。
2. 无功功率的分配
（1）基本功能：调节发电机输出的无功功率，保证并列运行的发电机之间合理的无功分配。
（2）分配原则：并列运行的发电机应按照各自容量比例合理分配无功功率，避免无功环流。
（3）调节方法：通过调节各发电机励磁电流，改变各发电机无功输出，实现无功功率的合理分配。
3. 提高并列运行的稳定性
（1）静态稳定：可有效地提高柴油发电机组的静态稳定性。
（2）暂态稳定：并在一定程度上改善暂态稳定性，但可能引入负阻尼，引发低频振荡。
（3）稳定措施：通过电力系统稳定器（PSS）等附加励磁控制，可抑制低频振荡，提高系统阻尼。
4. 提高继电保护动作的灵敏性
（1）强励作用：交流发电机处于低负荷运行并发生短路故障，强励可增大短路电流。
（2）保护灵敏度：继而提高了继电保护的灵敏度，使保护装置能够快速动作。
（3）应用意义：强励可缩短故障切除时间，减小故障对设备的损害。
5. 快速灭磁
（1）基本功能：可降低故障对发电机或升压变压器造成的损害。
（2）灭磁方式：通过灭磁开关与灭磁电阻，快速消耗转子磁场能量，使发电机迅速灭磁。
（3）应用场合：发电机内部故障或出口短路时，快速灭磁可防止故障扩大。
6. 改善运行条件
（1）电压维持：维持机端电压在给定水平，继而保证了发电机的电压水平。
（2）运行优化：通过励磁调节，可改善发电机的运行条件，提高运行效率。
（3）延长寿命：稳定的电压与无功输出可减少设备损耗，延长发电机使用寿命。
三、发电机失磁原因和解决办法
1. 失磁原因
在柴油发电机组使用过程中，我们经常发现有刷电机出现失磁现象。引起发电机失磁的原因有转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障以及误操作等。
（1）长期闲置不使用造成的。
（2）变频器载波频率若很低也会引起正弦波波形不良，导致ID电流负值变大，导致失磁。
（3）极端温度波动：
众所周知，磁体具有磁性的原因在于铁、钴、镍或铁氧体等铁磁类物质内部的电子自旋可以在小范围内自发地排列起来，形成一个自发磁化区，可是高温足以改变这种特殊的内部结构，从而导致磁性消失。那究竟多高的温度会导致失磁现象的发生呢？
① 居里温度：超过此温度，磁性将完全消失。
② 最高工作温度：超过此温度，磁性可能会发生不可靠恶化。常用来衡量可靠性。
（4）储存不当或者腐蚀
大多数磁铁都含有适量的铁，铁在氧气和水的共同作用下会发生氧化腐蚀。有一些永磁体由于其含铁量超过60%，这种情况下非常容易被腐蚀。腐蚀的发生改变了材料本身具有磁性的潜在化学结构（铁→氧化铁）从而导致磁性的损失。
（5）剧烈撞击等外力导致的结构损坏
尖锐物体间的剧烈撞击，比如反复敲打磁铁或磁铁不慎掉落在坚硬的物体表面上，以上情况会迫使磁畴排列方式发生改变从而降低磁性。但是对于发电机而言，两者都具有坚强的外壳保护，一般情况下很难受到外界撞击，这个影响因素的概率可忽略不计。
（6）励磁回路故障
励磁回路开路或短路，包括励磁机、励磁变或励磁回路的故障、误碰励磁开关、切换备用励磁不当等，均可引起发电机失磁。
（7）灭磁开关误跳闸
灭磁开关误跳闸可能由DCS误发指令、出口继电器故障、控制回路电缆绝缘下降或直流系统瞬时接地等原因引起。
2. 解决方法
（1）用专用充磁器对发电机转子充磁（此类方法一般适用于专业发电机厂或康明斯服务站），外形结构如图3所示。
（2）简易充磁装置，接线如图4所示。
用12V/24V蓄电池对发电机转子充磁，发电机应开启至略低于额定转速，首选从蓄电池引出两条电线，然后去碰发电机转子的励磁接线端，正极连接正极，负极连接负极，在转子两个碳刷处触碰20-30秒左右（触碰时火花小表示接线方向正确），然后迅速断掉蓄电池与碳刷之间的连接，启动柴油发电机组即可。
（3）发电机在不并网的情况下开启至额定转速，载上一定量的负载（发电机功率越大，负荷也要越大），这样发电机就起励建压，无需人工充磁。
（4）充磁注意事项：充磁时间不宜过长，一般数秒至数十秒即可；充磁时应确认极性正确，避免反向充磁导致剩磁进一步减弱。
（5）预防措施：机组应定期启动运行，避免长期闲置；储存环境应保持干燥、通风，避免腐蚀性气体；运行中应避免超温、超速与剧烈振动。
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图3 电容式充磁机 |
图4 交流发电机充磁电路图 |
四、失磁发电机的影响及现象变化
1. 失磁对发电机的影响
（1）发电机失磁后大部分会出现无电压电流输出。
（2）会引起发电机失步，将在转子的阻尼绕组、转子表面、转子绕组中产生差频电流，若超出允许值，则将使转子过热。
（3）引起附加温升并可能引起转子局部高温。
（4）产生严重过热现象，危及转子安全。
（5）同步交流发电机异步运动，在定子绕组中将出现脉动电流。
（6）产生交变的机械力矩，使机组发生振动，影响发电机的安全。
（7）从发电机组中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。
（8）发电机组容量较小或无功储备不足时，引起发电机组电压下降。
（9）低励磁或失磁运行时定子端部漏磁增加，将使端部铁心过热。
2. 失磁后的物理现象
（1）失磁初始阶段：
励磁Uf减小，引起定子电动势E0、机端电压U、定子电流I减小；滑差s和功角δ变化很小，机端输出有功P和无功Q下降。
（2）失去静稳以前（δ<90°）：
从图5可以看出，U持续下降；δ持续增大；Q迅速减小并导致无功功率反向；s缓慢增加；由于滑差电动势补偿了部分励磁电压的消失，且δ的持续增大，使有功P、I出现回升。又因发动机功率不能很快改变，致使转子加速减慢，s、P、I又随之减小，这样P、I出现波动。实际上P在有功功率水平上做上下波动，平均功率基本不变。
（3）静稳极限时（δ=90°）：
机端输出无功反向，且为某一常数，这是发电机失磁后抵达静稳极限的一个特征。
（4）静稳破坏后（90°<δ<180°）：
机端输出功率有功P基本保持不变，Q反向且不断增大，定子电流明显上升，定子电压U明显下降，滑差s和功角δ急剧增大。
3. 发电机失磁后的电量变化
（1）励磁电压、电流减小，如图6所示。
（2）发电机机端电压降低。
（3）定子电流增大并出现波动。
（4）发电机输出一定的有功功率，且做周期性波动。
（5）从输出无功功率变为吸收无功功率。
（6）转子回路感应出滑差频率的交流电流和交流电动势。
（7）转子电流周期性波动，电流数值较失磁前小。
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图5 失磁后的物理变化曲线图 |
图6 发电机失磁故障走向图 |
总结
同步发电机失磁是一种需及时处理的特殊运行状态。失磁后发电机从系统吸收无功功率建立磁场，转入异步运行，会对转子、定子及电力系统造成多重危害，包括转子过热、定子过流、机械振动、系统电压下降等。解决失磁问题，应首先查明原因，针对长期闲置、温度波动、腐蚀、励磁回路故障等不同成因采取相应措施，并通过专用充磁器、简易充磁装置或带载起励等方式恢复剩磁。运行管理中应定期启动机组、保持干燥通风的储存环境、避免超温超速与剧烈振动，以预防失磁发生。对于有刷发电机，因其维护不便、碳刷更换成本与人工费用较高，康明斯技术建议用户尽量采用自励磁无刷发电机，以提高运行可靠性与维护便利性。唯有准确诊断、规范处理与预防前置，方能保障同步发电机长期稳定运行。
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