新聞主題	三相發(fā)電機空載運行的特性

 

摘要：三相同步發(fā)電機的電樞繞組為三相對稱(chēng)繞組，感應的電勢為三相對稱(chēng)電勢，在對稱(chēng)負載下穩定運行是其主要運行方式，此時(shí)發(fā)電機的每相電壓和電流是對稱(chēng)的。發(fā)電機不接負載時(shí)，電樞電流為零，稱(chēng)為空載運行。此時(shí)發(fā)電機定子的三相繞組只有勵磁電流感生出的空載電動(dòng)勢(三相對稱(chēng))，其大小隨勵磁電流的增大而增加。但是，由于發(fā)電機磁路鐵心有飽和現象，所以?xún)烧卟怀烧?。反映空載電動(dòng)勢與勵磁電流關(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為同步發(fā)電機空載特性，康明斯公司在本節中主要敘述對稱(chēng)負載時(shí)三相同步發(fā)電機的空載運行原理和特性。

一、空載磁場(chǎng)

 

      同步發(fā)電機被柴油機拖動(dòng)到同步轉速，轉子的勵磁繞組通以直流電流，而定子繞組開(kāi)路時(shí)的運行稱(chēng)為空載運行。此時(shí)發(fā)電機氣隙中唯一存在的磁場(chǎng)就是由直流勵磁電流產(chǎn)生的勵磁磁場(chǎng)，因為同步發(fā)電機處于空載狀態(tài)，所以又稱(chēng)為空載磁場(chǎng)或主磁場(chǎng)。

      空載磁場(chǎng)分布如圖1所示，圖中既交鏈轉子又交鏈定子的磁通稱(chēng)為主磁通，即空載時(shí)的氣隙磁通，它的磁密波是沿氣隙圓周空間分布的近似正弦波形。忽略高次諧波分量，主磁通基波每極磁通量用Φ₀表示。勵磁電流建立的磁通還有一小部分僅交鏈勵磁繞組本身，而不穿過(guò)氣隙與定子繞組交鏈，稱(chēng)其為主極漏磁通，用Φ_f0表示，它不參與同步發(fā)電機的機電能量轉換。主磁通所經(jīng)路徑稱(chēng)為主磁路。它由主極鐵芯（轉子N極）→氣隙→電樞（定子）齒→電樞磁軛→電樞齒→氣隙→另一主極鐵芯（轉子S極）→轉子磁軛，形成閉合磁路。漏磁通的路徑主要由空氣和非磁性材料等組成，兩者相比，主磁路的磁阻要小得多，所以在磁極磁勢的作用下，主磁通遠大于漏磁通。電樞工作過(guò)程如圖2所示。

 

圖1 凸極式同步發(fā)電機的空載磁場(chǎng)分布

圖2  發(fā)電機電樞線(xiàn)圈工作原理

 

二、空載特性

 

      在柴油機驅動(dòng)下，轉子以同步速度n₁旋轉，主磁通切割定子繞組，感應出頻率為f的三相基波電勢，感應電勢的有效值為

E₀＝4.44fWK_w1Φ₀

式中，E₀——基波電勢，V；

f——感應電勢的頻率，Hz；

W——每相定子繞組串聯(lián)匝數；

K_w1——基波繞組系數；

Φ₀——主磁通基波每極磁通量，Wb。

      感應電勢的頻率f與極對數p以及同步轉速n₁之間的關(guān)系為

f＝pn₁/60

      由于I＝0，同步發(fā)動(dòng)機的電樞電壓等于空載電勢E₀，由三相基波感應電勢的有效值公式E₀＝4.44fWK_w1Φ₀可知，電勢E₀取決于空載氣隙磁通Φ₀。Φ₀取決于勵磁磁勢或勵磁電流I_f。因此，空載時(shí)的端電壓或電勢是勵磁電流的函數，即E₀＝f（I_f），E₀與I_f的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為同步發(fā)電機的空載特性（曲線(xiàn)），如圖3中的曲線(xiàn)1。發(fā)電機空載試驗電路如圖4所示。

 

圖3  同步發(fā)電機的空載特性曲線(xiàn)

圖4  同步發(fā)電機空載試驗電路

 

      由于E₀∝Φ₀，F_f∝I_f，因此在改換適當的比例尺后，空載特性曲線(xiàn)E₀＝f（I_f）即可表示主磁通Φ₀和勵磁磁勢F_f之間的函數關(guān)系［Φ₀＝f（F_f）］，Φ₀＝f（F_f）稱(chēng)為電機的磁化曲線(xiàn)。這就說(shuō)明勵磁磁勢F_f和主磁通。之間具有內在聯(lián)系。因此任何一臺電機的空載特性實(shí)際上也反映了它的磁化特性。從圖2可以看出，當磁通較小時(shí)，磁路不飽和，此時(shí)鐵芯部分所消耗的磁勢很小，可略去不計，磁化曲線(xiàn)近于直線(xiàn)。當磁通值較大時(shí)，磁路中的鐵磁部分已飽和，因而所消耗的磁勢較大，空載特性曲線(xiàn)就逐漸彎曲。在電機設計時(shí)，既要充分利用鐵磁材料，又要考慮到不因過(guò)分飽和而增加勵磁磁勢，從而增加發(fā)電機的用銅量，所以使電機的空載額定電壓運行于空載特性曲線(xiàn)的彎曲部分，如圖3-17中的c點(diǎn)。若將空載特性曲線(xiàn)的直線(xiàn)部分延長(cháng)得到圖3-17中的直線(xiàn)2，這條直線(xiàn)稱(chēng)為氣隙線(xiàn)。它表示氣隙磁勢F。與基波每極磁通Φ₀之間的關(guān)系。圖中oa代表額定電壓，ac表示產(chǎn)生額定電壓所需要的磁勢F_f0。

      F_δ為氣隙磁勢，F_fe為克服鐵芯磁阻所需磁勢，鐵芯越飽和，F_fe增長(cháng)得越快。當E₀＝U_N時(shí)，總磁勢F_f0和氣隙磁勢F_δ之比稱(chēng)為電機磁路的飽和系數K_s，即

 

      由上式可得dc＝dn/Kg。式中，dc為額定電壓；dn為在相同勵磁磁勢下，磁路未飽和時(shí)的勵磁電勢；一般空載額定電壓時(shí)的K，值為1.1～1.25?？梢?jiàn)在磁路飽和后，由勵磁磁勢所建立的磁通和它感應的電勢都降低到未飽和時(shí)的1/K_s。

      發(fā)電機的空載特性曲線(xiàn)可用標幺值表示，以額定電壓U_N、為電勢的基值，I_f0為勵磁電流的基值（I_f0為電機空載時(shí)E₀＝U_N的勵磁電流）。不同的電機用標幺值繪出的空載特性都相差不大，由此可認為電機有一條標準的空載特性曲線(xiàn)存在。標準空載特性曲線(xiàn)的數據如表1所示?？蛰d特性曲線(xiàn)很有實(shí)用價(jià)值，用它來(lái)對比已制造出來(lái)的電機試驗數據，就可以看出該電機的磁路飽和情況、鐵芯的質(zhì)量以及材料的利用情況等。

表1 標準空載曲線(xiàn)數據表

      空載特性曲線(xiàn)是發(fā)電機中一條最基本的特性曲線(xiàn)，它的用途很廣，通過(guò)空載特性還可以檢驗電機勵磁系統的工作情況，電樞繞組連接是否正確?？蛰d特性代表了電機中磁和電兩方面的聯(lián)系，表達了由勵磁磁勢產(chǎn)生感應電勢的能力。在有負載的情況下，如果能獲得磁路中的總磁勢，也可利用這個(gè)特性來(lái)求取氣隙磁通在電樞繞組中所感應的氣隙電勢。

 

三、對空載電勢的要求

 

      現代交流同步發(fā)電機要求其產(chǎn)生的電勢是三相對稱(chēng)；頻率恒定；波形接近于正弦；具有一定的幅值。這幾項要求標志著(zhù)發(fā)電機輸出電能的質(zhì)量。另外，從設計和制造的角度考慮還要求：制造加工容易；節約材料；維修方便，保證發(fā)電機的運行性能等。然而對發(fā)電機輸出電能質(zhì)量上的要求和制造上的經(jīng)濟性有時(shí)會(huì )發(fā)生矛盾，因此必須從整體全面考慮，不能片面地強調某一方面。事實(shí)上要求電能質(zhì)量絕對化，既是不可能的，而且也沒(méi)有必要，反而會(huì )給發(fā)電機的制造帶來(lái)困難，增加不必要的制造費用。根據國家標準GB/T 755-2019，允許電勢波形和電勢的不對稱(chēng)程度有一定范圍的偏差。

1、對電勢波形的要求

      同步發(fā)電機空載線(xiàn)電壓的波形應在額定電壓和額定轉速情況下測定?？蛰d線(xiàn)電壓波形與正弦波形的偏差程度，一般用所謂電壓波形正弦性畸變率來(lái)表示。根據國家標準GB/T755-2019的規定，電壓波形正弦性畸變率K_u可按下式算出：

 

式中，u₁——基波電壓有效值，也可用線(xiàn)電壓的有效值來(lái)代替；

u_n——n次諧波電壓的有效值。

      對于額定容量在300千伏安（kV·A）以上的發(fā)電機，K_u要求不超過(guò)5％；對于額定功率在10～300千伏安（kV·A）的發(fā)電機，K_u要求不超過(guò)10％。電壓波形正弦性畸變率的數值可用專(zhuān)用測量?jì)x測定；也可用示波器拍攝電壓波形，然后用數學(xué)分析法確定各次諧波的數值，再按上式算出電壓波形正弦性畸變率。當前采用計算機輔助設計編程來(lái)求電壓波形正弦性畸變率是較好的方法。

      事實(shí)上，如果所拍攝電壓波形曲線(xiàn)與其基波分量的最大瞬時(shí)偏差ΔE（如圖5所示）不超過(guò)基波E_1m的5％時(shí)，即可認為其是正弦波形，如圖6所示。

      如果電勢波形正弦性畸變率太高，將產(chǎn)生許多不良后果。例如使發(fā)電機本身和由它所供電的電動(dòng)機的損耗增加和效率降低等。因此對正弦波形畸變率應有足夠重視。

圖5  發(fā)電機電勢基波分量的最大瞬時(shí)偏差與基波的比較

圖6  發(fā)電機正弦交流電電壓波形

 

2、在三相系統中對電勢對稱(chēng)的要求

      在三相系統中電勢要對稱(chēng)，即要求各相電勢幅值相等而相位相差120°電氣角度。這就要求三相繞組中每相應具有相同的匝數，并且安置在恰當的位置上。按照GB/T 755-2019規定：多相系統中，如電壓的負序和零序分量均不超過(guò)正序分量的2％時(shí)，即稱(chēng)為實(shí)際對稱(chēng)電壓系統。國家標準要求三相發(fā)電機的輸出電壓能滿(mǎn)足實(shí)際對稱(chēng)系統的要求。

 

總結：

      針對三相同步交流發(fā)電機的空載飽和特性問(wèn)題，可以通過(guò)有限元法建立同步發(fā)電機的二維電磁場(chǎng)物理模型。通過(guò)此模型對發(fā)電機定轉子鐵心的電磁場(chǎng)分布進(jìn)行計算，并進(jìn)一步對氣隙中線(xiàn)磁場(chǎng)分布進(jìn)行了諧波分析，以便更加詳細地得到了發(fā)電機的空載飽和特性曲線(xiàn)。

----------------
以上信息來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)新聞，特此聲明！
若有違反相關(guān)法律或者侵犯版權，請通知我們！
溫馨提示：未經(jīng)我方許可，請勿隨意轉載信息！
如果希望了解更多有關(guān)柴油發(fā)電機組技術(shù)數據與產(chǎn)品資料，請電話(huà)聯(lián)系銷(xiāo)售宣傳部門(mén)或訪(fǎng)問(wèn)我們官網(wǎng)：http://