性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

同步發(fā)電機原理、結構及種類(lèi)劃分

 

摘要：同步電機除了用于電動(dòng)機，主要用作發(fā)電機，它作為各種各種發(fā)電設備的交流電源，全世界的主要電源皆由同步發(fā)電機發(fā)出。其中，應用于企業(yè)后備電源設備，同步發(fā)電機是柴油發(fā)電機組的三大組成部分（發(fā)動(dòng)機、交流發(fā)電機和控制系統）之一。因此，為了更好地了解發(fā)電機工作原理，學(xué)習并掌握同步發(fā)電機的特性曲線(xiàn)、電動(dòng)勢產(chǎn)生原理等方面知識，以及發(fā)電機結構形式和類(lèi)別區分方法至關(guān)重要。 

 

一、發(fā)電機工作原理

 

      圖1所示為同步發(fā)電機基本外形圖，圖2所示為同步發(fā)電機的構造原理圖。

1、基本原理

（1）電磁感應：

      同步發(fā)電機利用電磁感應的原理來(lái)產(chǎn)生電能。當發(fā)電機的轉子與定子相對旋轉時(shí)，會(huì )在定子的線(xiàn)圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)會(huì )穿過(guò)線(xiàn)圈，導致線(xiàn)圈內的導體產(chǎn)生感應電流。

（2）動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)：

      發(fā)電機的轉子上通常有一組勵磁線(xiàn)圈，當這些線(xiàn)圈通過(guò)電流時(shí)，會(huì )在轉子上產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)與定子上的磁場(chǎng)相互作用，導致轉子相對定子旋轉。

（3）同步：

      當轉子旋轉并且頻率與電源頻率相匹配時(shí)，轉子上的勵磁磁場(chǎng)與定子的磁場(chǎng)同步。這個(gè)同步狀態(tài)允許電能從轉子傳輸到定子，產(chǎn)生輸出電能。

      總的來(lái)說(shuō)，同步發(fā)電機的工作原理是利用電磁感應和磁場(chǎng)相互作用，將機械能轉化為電能。通過(guò)控制勵磁電流和轉子的旋轉速度，可以調節發(fā)電機的輸出電壓和頻率。

2、電動(dòng)勢的產(chǎn)生原理

      通常三相同步發(fā)電機的定子是電樞，轉子是磁極，當轉子勵磁繞組通以直流電后，即建立恒定的磁場(chǎng)。轉子轉動(dòng)時(shí)，定子導體由于與此磁場(chǎng)有相對運動(dòng)而感應交流電動(dòng)勢。電機具有p對磁極時(shí)，轉子旋轉一周，感應電動(dòng)勢變化p次。設轉子每秒轉速為n，則轉子每秒旋轉n/60轉，因此感應電動(dòng)勢每秒變化pn/60次，即電動(dòng)勢的頻率為

f＝pn/60（Hz)

式中 f——電動(dòng)勢頻率；

p——磁極對數；

n——發(fā)電機轉速。

      由此可見(jiàn)，當同步發(fā)電機的磁極對數p、轉速n一定時(shí)，發(fā)電機的交流電動(dòng)勢的頻率是一定的。也就是說(shuō)，同步發(fā)電機的特點(diǎn)是具有轉子轉速和交流電頻率之間保持嚴格不變的關(guān)系。在恒定頻率下，轉子轉速恒定而與負載大小無(wú)關(guān)，發(fā)電機轉子的轉速恒等于發(fā)電機空氣隙中（定子）旋轉磁場(chǎng)的轉速。同步發(fā)電機即由此得名。

      在我國的電力系統中，規定工頻交流電的額定頻率為50Hz。因此，對某一臺指定的同步發(fā)電機而言，其轉速總為一固定值。例如：磁極對數為1對（二極）的同步發(fā)電機的轉速為3000r/min；磁極對數為2對（四極）的同步發(fā)電機的轉速為1500r/min；依此類(lèi)推，同步發(fā)電機的轉速還有1000r/min、750r/min、600r/min、500r/min和375r/min等。為了保持交流電動(dòng)勢的頻率不變，拖動(dòng)發(fā)電機轉子旋轉的原動(dòng)機必須具有調速機構，使發(fā)電機在輸出不同的有功功率時(shí)都能維持轉速不變。

 

圖1  同步發(fā)電機外形圖

圖2  同步發(fā)電機構造原理圖

 

二、同步發(fā)電機的基本類(lèi)型

 

      同步發(fā)電機可按發(fā)電機的結構形式、勵磁方式和相數等進(jìn)行分類(lèi)。

1、按發(fā)電機的結構形式來(lái)分類(lèi)

      按發(fā)電機的結構特點(diǎn)進(jìn)行區分，同步發(fā)電機可分為旋轉電樞式（簡(jiǎn)稱(chēng)轉樞式）和旋轉磁極式（簡(jiǎn)稱(chēng)轉磁式）兩種形式。

（1）旋轉磁極式發(fā)電機

      旋轉磁極式同步發(fā)電機的結構如圖3所示。其磁極是旋轉的，電樞是固定的，電樞繞組的感應電勢不通過(guò)集電環(huán)和電刷而直接送往外電路，所以其絕緣能力和機械強度好，且安全可靠?，F代交流發(fā)電機常采用無(wú)刷結構的同步發(fā)電機，發(fā)電機省略了集電環(huán)和電刷，無(wú)滑動(dòng)接觸部分，維護簡(jiǎn)單，工作可靠性高。在旋轉磁極式同步發(fā)電機中，按磁極的形狀又可分為凸極式同步發(fā)電機和隱極式同步發(fā)電機兩種形式，不同特點(diǎn)如表1所列。

① 從圖3（a）可以看出，凸極式轉子的磁極是突出的，氣隙不均勻，極弧頂部氣隙較小，兩極尖部分氣隙較大。勵磁繞組采用集中繞組套在磁極上。這種轉子構造簡(jiǎn)單、制造方便，故柴油發(fā)電機組一般都采用凸極式。

② 從圖3（b）可以看出，隱極式轉子的氣隙是均勻的，轉子成圓柱形。勵磁繞組分布在轉子表面的鐵芯槽中。

 表1    旋轉磁極式同步發(fā)電機的分類(lèi)和特點(diǎn)

（2）旋轉電樞式發(fā)電機

      旋轉電樞式同步發(fā)電機的結構如圖4所示。其電樞是轉動(dòng)的，磁極是固定的，電樞電勢通過(guò)集電環(huán)和電刷引出與外電路連接。旋轉電樞式只適用于小容量的同步發(fā)電機，因為采用電刷和集電環(huán)引出大電流比較困難，容易產(chǎn)生火花和磨損；電機定子內腔的空間限制了電機的容量；發(fā)電機的結構復雜，成本較高；電機運行速度受到離心力及機械振動(dòng)的限制。所以目前只有交流同步無(wú)刷發(fā)電機的勵磁機使用旋轉電樞結構的同步發(fā)電機。

圖3  旋轉磁極式同步發(fā)電機模型

圖4  旋轉電樞式同步發(fā)電機模型

 

2、按發(fā)電機的相數來(lái)分類(lèi)

      按相數來(lái)區分，同步發(fā)電機又可分為單相同步發(fā)電機和三相同步發(fā)電機。單相同步發(fā)電機的功率不大，通常不大于6kW；而三相同步發(fā)電機的功率可達幾千千瓦。

3、按勵磁方式來(lái)分類(lèi)

      同步發(fā)電機可分為永磁發(fā)電機和勵磁發(fā)電機，永磁發(fā)電機與勵磁發(fā)電機的最大區別在于永磁機的勵磁磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的。永磁體在電機中既是磁源，又是磁路的組成部分。本文以斯坦福發(fā)電機為例，外觀(guān)如圖5、圖6所示，主要講述永磁發(fā)電機的原理和特點(diǎn)。

      永磁式發(fā)電機是一種只有永磁體的發(fā)電機，也叫永磁同步發(fā)電機，它不需要外部電源來(lái)啟動(dòng)，而是利用磁鐵和轉子上的永磁體之間的磁力作用，使轉子從停止狀態(tài)迅速旋轉起來(lái)，并產(chǎn)生電流。永磁式發(fā)電機由定子、轉子和定轉子之間的磁性材料（永磁體）組成。它的工作原理是，當定子產(chǎn)生交流電流時(shí)，定子線(xiàn)圈內的磁場(chǎng)隨之改變，隨即在轉子上產(chǎn)生磁場(chǎng)，使轉子產(chǎn)生轉動(dòng)，從而實(shí)現發(fā)電功能。

（1）優(yōu)點(diǎn)：

① 發(fā)電效率高，只要定子中的線(xiàn)圈被供電，就可以立即產(chǎn)生轉動(dòng)力；

② 安裝維護簡(jiǎn)單，因為發(fā)電機內部沒(méi)有滑動(dòng)觸頭，所以維護保養成本比較低；

③ 轉子旋轉惰性小，可以很快響應負荷變化；

（2）缺點(diǎn)：

① 由于其內部結構比較復雜，成本比較高；

② 轉子的最大轉速受限于永磁體的抗震力，所以轉速較低；

③ 轉子的轉動(dòng)方向受限于定子線(xiàn)圈方向，不能自由改變。

 

圖5  斯坦福同步發(fā)電機后側視角模型圖

圖6  斯坦福同步發(fā)電機前側視角模型圖

 

三、發(fā)電機特性試驗與曲線(xiàn)

 

1、空載特性

      空載特性指發(fā)電機空載并保持額定轉速不變，空載電壓U?與勵磁電流I的關(guān)系，即n=nv，I=0時(shí)，Uo=f（I）。

（1）空載試驗：在空載的情況下，原動(dòng)機把發(fā)電機拖動(dòng)到同步轉速，并維持不變。然后增加勵磁電流I_f直到空載電壓等于1.3倍額定電壓為止。

① 上升分支：在電壓上升時(shí)記取對應的電壓U?和勵磁電流I_f值。

② 下降分支：逐步減小勵磁電流，記取對應的電壓U?和勵磁電流I_f值。因為電機有剩磁，當I_f減到零時(shí)，空載電壓不為零，其值即為剩磁電壓。

      在做試驗時(shí)，我們從表計反應的電壓、電流值，可以得到機組的空載勵磁電壓和電流值，若此值超過(guò)常規數值，即可能是定子鐵芯有片間短路或轉子繞組有匝間短路。

（2）空載特性曲線(xiàn)

      空載特性曲線(xiàn)為上升和下降的兩條分支的平均值，如圖7中虛線(xiàn)所示。往往將虛線(xiàn)右移使之過(guò)原點(diǎn)，作為實(shí)用的空載特性曲線(xiàn)，如圖8中曲線(xiàn)1所示。將空載特性的直線(xiàn)段延長(cháng)后所得直線(xiàn)（如圖8中曲線(xiàn)2）稱(chēng)為氣隙線(xiàn)。

      空載特性曲線(xiàn)表明了電機磁路的飽和情況，具有磁化曲線(xiàn)的特征。起始部分是直線(xiàn)，鐵心未飽和；彎曲部分，表明鐵心已有不同程度的飽和；其后段，鐵心已達到深度飽和。

 

圖7  同步發(fā)電機的空載特性曲線(xiàn)

圖8  同步發(fā)電機實(shí)用空載特性曲線(xiàn)

 

2、短路特性

      短路特性指同步發(fā)電機保持額定轉速下，定子三相繞組的出線(xiàn)端持續穩態(tài)短路時(shí)，定子相電流I（即穩態(tài)短路電流）與勵磁電流I_f的關(guān)系，即n=ny，U=0時(shí)，I=f（I_f）。

（1）三相短路試驗：

      先將定子三相繞組的出線(xiàn)端短接，維持額定轉速不變，調節勵磁電流I_f使定子短路電流I從零逐漸增加，直到短路電流等于1.25倍的額定電流為止。記取對應的I和I_f做出短路特性曲線(xiàn)I=f（I_f）。

（2）短路特性曲線(xiàn)

      如圖9中直線(xiàn)2所示，短路特性曲線(xiàn)為一條直線(xiàn)是因為定子繞組短路時(shí)，端電壓U=0，限制短路電流的僅是發(fā)電機的內部阻抗。由于定子繞組電阻遠小于同步電抗，所以短路電流可以認為是純感性的，故電樞磁動(dòng)勢是起去磁作用的，氣隙合成磁動(dòng)勢就很小，它所產(chǎn)生的氣隙磁通也就很小，故磁路處于不飽和狀態(tài)，所以短路特性曲線(xiàn)是一條直線(xiàn)。

（3）短路比

      利用空載特性和短路特性，從而可以確定同步電抗的不飽和值和短路比。同步電抗：X_d=E?’/Ⅰ_R’； 短路比：Kc= E?’/（Ⅰ_N*X_d）=Ku/X_d 。短路比大，則同步電抗小，負載電流引起的端電壓的波動(dòng)幅度較??；但短路電流則較大，且發(fā)電機的靜態(tài)穩定極限就越高。4

3、調整特性

      調整特性是指發(fā)電機保持額定轉速不變，端電壓和負載的功率因數恒定時(shí)，勵磁電流I_f與負載電流I的關(guān)系，即n=n_N，U=常數，cos =常數時(shí)，I_f=f（I）。對應于不同的負載功率因數有不同的調整特性，如圖10所示。

（1）感性和阻性負載

      對于感性和純阻性負載，為了補償負載電流所產(chǎn)生的電樞反應去磁作用，保持發(fā)電機端電壓U不變，必須隨負載電流I的增大相應地增大勵增電流I_f。因此圖中調整特性曲線(xiàn)是上升的，如圖10中cos=0.8和cos=1的曲線(xiàn)所示。

（2）容性負載

      對于容性負載，為了抵消電樞反應的助磁作用，保持發(fā)電機端電壓不變，必須隨負載電流的增加相應地減少勵磁電流。因此圖中調整特性曲線(xiàn)是下降的，如10圖中cos（-）=0.8的曲線(xiàn)所示。

 

圖9  同步發(fā)電機短路特性曲線(xiàn)

圖10  同步發(fā)電機的調整特性曲線(xiàn)

 

4、外特性

      外特性指發(fā)電機在保持額定轉速不變，額定勵磁電流If和負載的功率因數不變時(shí)，發(fā)電機端電壓U與負載電流I的關(guān)系曲線(xiàn)，即n=n_N，I_f=常數，功率因數=常數時(shí)，U=f（I）。對應于不同的負載功率因數有不同的外特性，如圖11所示。

（1）感性和阻性負載

      在感性負載cos =0.8和純電阻性負載cos =1時(shí)，外特性是下降的，這兩種情況下電樞反應均為去磁作用，引起端電壓下降，如圖12中cos=0.8和cos=1的曲線(xiàn)所示。

（2）容性負載

      在容性負載cos（-）=0.8時(shí)，電樞反應為助磁作用，氣隙磁通增加，端電壓U上升，外特性是上升的，如12圖中cos（-）=0.8的曲線(xiàn)所示。

 

圖11  同步發(fā)電機基本外特性曲線(xiàn)

圖12  同步發(fā)電機負載特性曲線(xiàn)

 

總結：

      綜上所述，除了要了解發(fā)電機的工作原理，其特性也是非常重要的。在生產(chǎn)實(shí)踐中，空載特性，僅用來(lái)判定空載勵磁電壓和電流與設計說(shuō)明書(shū)是否相符；短路特性和空載特性并用，從而求得發(fā)電機的一些重要參數；外特性和調整特性，則反應出定子電壓、負載電流及勵磁電流三者之間的一些變化曲勢，從而幫助我們來(lái)分析在運行中一些量的變化，會(huì )影響到哪些量的變化，最終采取何種補救措施來(lái)維持柴油發(fā)電機組的穩定。

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