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同步交流發電機的分類和工作特性 |
摘要：柴油發電機組配備的發電機可以說是一種最常用的交流發電機。在現代電力工業中，它廣泛用于水力發電、火力發電、核能發電以及柴油機發電機組。由于同步發電機一般采用直流勵磁，當其單機獨立運行時，通過調節勵磁電流，能方便地調節發電機的電壓。若并入電網運行，因電壓由電網決定，不能改變，此時調節勵磁電流的結果是調節了電機的功率因數和無功功率。康明斯公司在本文中就發電機的分類和各種工作特性，以及特性曲線圖做了分別闡述，以便促進用戶更好地了解發電機原理與特點。
一、發電機分類
同步發電機的基本形式分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩種類型，外形如圖1所示。這兩類同步發電機雖然結構上與所不同，但基本原理是相同的，即磁場與導線的相對運動，切割磁力線，導線產生感應電勢，基本原理圖如圖2所示。
1、旋轉電樞式發電機
旋轉電樞式發電機的磁場固定的，而電樞則由原動機拖動旋轉，三相交流電流通過滑環和電刷的引接送到負載。這類發電機的優點是鐵心硅鋼片的利用率較高，而且定子是機座可作磁軛，以節約鋼材，其缺點是輸出的容量受到限制，電壓也不能太高，這是由于以下原因。
（1）電樞繞組的電流是通過滑環和電刷的連接引到外電路的。如果輸出電流過大，會引起滑環與電刷之間產生過大的火花;若輸出電壓過大，則滑環和電刷的絕緣不易解決，因此電壓一般不超過500V。
（2）由于電樞所占的空間有限，若繞組匝數過多和絕緣層過厚，制作困難，這就限制電壓增高和容量增大。
（3）當電樞轉速較高時， 由于離心力的作用和振動增大，容易造成電樞損壞，因此，限制發電機的運行。
（4）這類發電機結構較復雜，造價也比較貴。
基于上述原因，用這類發電機供電已很少采用，通常此無刷發電機作交流勵磁機用。
2、旋轉磁極式發電機
旋轉磁極式發電機的電樞是固定的，而磁極則是旋轉的，電樞繞組均勻分布在整個鐵心槽內。這類同步發電機，按其磁極的形狀，又可分為凸極式和隱極式兩種。
（1）凸極式發電機
凸極式發電機有明顯的磁極，在磁極鐵心上套有集中磁極繞組。它的氣隙是不均勻的，極弧下氣隙較小，而極間部分氣隙較大。
（2）隱極式發電機
隱極式發電機沒有明顯的磁極，磁極繞組分散嵌在轉子鐵心槽內。由于它的轉子制成圓柱形，因此，其氣隙是均勻的。
旋轉磁極式發電機有效多的空間位置來嵌放電樞繞組和絕緣材料。電樞繞組輸出的交流電流可直接送往負載，其機械強度和絕緣條件均比較好，可靠性也比較高。
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圖1 交流發電機分類示意圖 |
圖2 三相交流同步發電機原理圖 |
二、發電機工作特性
同步發電機的定子、轉子結構與同步電機相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步發電機中電樞繞組采用單相。表征同步發電機性能的主要是空載特性和負載運行特性。這些特性是用戶選用發電機的重要依據。
1、空載特性
發電機不接負載時，電樞電流為零，稱為空載運行。此時電機定子的三相繞組只有勵磁電流If 感生出的空載電動勢E0（三相對稱），其大小隨 If 的增大而增加。但是，由于電機磁路鐵心有飽和現象，所以兩者不成正比。反映空載電動勢E0 與勵磁電流If 關系的曲線稱為同步發電機的空載特性。
空載特性本質上就是電機的磁化曲線，它既可用實驗測出也可用磁路計算得到。用實驗測取空載特性時，由于磁滯現象，上升和下降的磁化曲線不相重合。一般規定采用空載電壓U≈1.3UN開始到If＝0為止的下降曲線并做成適當修正。由圖3可見，當If＝0時，有剩磁電動勢。這時應延長空載特性與橫軸相交，將交點的橫坐標絕對值ΔIf0作為校正量，加在測得的空載特性每一點的橫坐標上，即可得出另一條通過原點的校正曲線，得到電機實用的空載特性。
在進行柴油發電機組空載實驗時（步驟流程如圖4所示），測出的原動機拖動同步發電機所耗的功率，即為發電機的空載損耗p。同步發電機的空載損耗中主要包含機械損耗pmec和由主極磁場切割定子鐵芯產生的定子鐵耗pFe。由于電機轉速保持為同步轉速，機械損耗恒定不變，只有定子鐵耗隨著空載電壓（正比于主磁通）的變化而變化。在實驗中，先記錄發電機未加勵磁時拖動發電機所需的功率，即為被試發電機的機械損耗。再從不同勵磁時拖動發電機所需的功率中扣除此項機械損耗，即可算出定子鐵耗，其中對應E＝UN時的鐵耗值即可作為電機額定運行時的定子鐵耗值。
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圖3 發電機空載特性及校正圖 |
圖4 柴油發電機組空載試機流程框圖 |
2、短路特性
短路特性是發電機在同步轉速下，電樞出線端三相穩態短路時，電樞電流（短路電流）Ik與勵磁電流If的關系曲線。如圖6-25（a）所示，圖6-25（b）為三相穩態短路時的同步發電機的矢量圖。
因為U＝0，此時限制短路電流的僅僅是發電機的同步阻抗，其中電樞電阻值遠小于同步電抗可以忽略，故短路電流滯后于勵磁電動勢為90°，即ψ≈90°；于是電樞電流全部為直軸電流，電樞磁動勢為一純去磁的直軸磁動勢，即Fa＝Fad。此時各磁動勢矢量都在同一條直線上，合成磁動勢為F′δ=Ff－F′ad=Ff－kadFad，由空載特性求出氣隙電動勢Eδ。此Eδ值與定子漏阻抗（忽略電阻時是漏電抗）相平衡，即
Eδ=I(Ra+jXσ)≈jIXσ
由于Eδ與漏抗壓降平衡，對于一般同步發電機，定子漏抗標么值為X*σ=0.1～0.2，則當短路電流達到額定值時，氣隙電動勢Eδ值僅為額定電壓的10%～20%，故發電機磁路處于不飽和狀態。此時的勵磁磁動勢E′與直軸電樞反應電動勢E′ad相加后得出氣隙電動勢E′δ=-E′σ。此E′是根據氣隙電動勢Eδ=AC的飽和程度，由OC延長線上查出為E′=BD而并非If=OB在發電機空載時所生的勵磁電動勢E=BF。
在進行短路試驗時，應測出拖動同步發電機所需的功率，即為發電機的短路損耗pk，它包括機械損耗、電樞繞組基本銅耗和短路雜散損耗，后兩者之和稱為短路負載損耗。測出不同短路電流Ik時的短路損耗pk值，然后減去機械損耗，即可得到短路負載損耗隨電樞電流變化的曲線，再從額定電流下的短路負載損耗減去電樞基本銅耗pcu1=mI2NRa后即為發電機的負載雜散損耗pad，Ra為電樞繞組的直流電阻。
由空載試驗算出機械損耗pmec和鐵耗pFe，再由短路試驗算出Ik=IN時的定子銅耗pcu1和負載雜散損耗pad。此外在額定負載下測定出額定勵磁電流IfN數值并算出勵磁繞組銅耗pcuf=I2fNRf，再由勵磁機效率算出同軸勵磁機的輸入功率，即可算出整個發電機的總損耗。
當轉速為同步轉速、端電壓為額定電壓、功率因數為額定功率因數時，發電機的效率與輸出功率的關系曲線，稱為發電機的效率特性。
3、負載運行特性
（1）零功率因數負載特性
同步發電機的負載特性是指轉速為同步速度，負載電流和功率因數為常值時，發電機的端電壓與勵磁電流之間的關系曲線U＝f（If）。負載特性是恒電流特性，其中最有意義的是IN＝常數、cosφ=0時的零功率因數負載特性。
零功率因數負載特性由電樞繞組接到可變的三相純電感對稱負載，使cosφ≈0，同時調節勵磁電流和負載電抗，使負載電流保持為一常值得到。當電機容量較大時，可將電機并入電網作空載過勵運行，使電樞輸出的無功電流為I＝IN，得到零功率因數負載特性上U＝UN點。接著再作此發電機的三相對稱穩態短路試驗，測出對應Ik＝IN的勵磁電流Ifk，得到零功率因數負載特性上U＝0點。
（2）外特性
外特性是當轉速為額定值、勵磁電流和負載功率因數為常數時，發電機端電壓 U 與負載電流 I 之間的關系，特性曲線如圖5所示。調整特性是轉速和端電壓為額定值、負載功率因數為常數時，勵磁電流 If 與負載電流之間的關系。還有電阻性、電容性和電感性 3 種負載的情況。由于電樞反應磁場影響的不同，三者的曲線也不一樣。在外特性中，從空載到額定負載時電壓的變化程度稱為電壓變化率△U。所謂發電機的外特性，就是指勵磁電流、轉速、功率因數為常數的條件下，變更定子負荷電流時，端電壓U的變化曲線，即U=f(I)曲線。
在滯后的功率因數情況下cos(θ)，當定子電流增加時，電壓降落較大，就是由于此時電樞反應是去磁的。在超前的功率因數的情況下[cos(-θ)]，定子電流增加時，電壓反而升高，這是由于電樞反應是助磁的。在cos(θ)=1，電壓降落較小。外特性可以用來分析發電機運行中的電壓波動情況，借以提出對自動調節勵磁裝置調節范圍的要求。
（3）調整特性
所謂發電機的調整特性，系指電壓、轉速、功率因數為常數的條件下，變更定子負荷電流時，勵磁電流的變化曲線。特性曲線如圖6所示。不同功率因數下的調整特性可以看出，在滯后的功率因數情況下，負荷增加，勵增電流也必須增加。這是因為此時去磁作用加強，要維持氣隙磁通；必須增加轉子磁勢。在超前的功率回數下，負荷增加，勵磁電流一般還要降低。這是因為電樞反應有助磁作用的緣故。調整特性可以使運行人員了解：在某一功率因數時，定子電流到多少而不使勵磁電流超過制造廠的規定值，并能維持額定電壓。利用這此曲線，可使電力系統無功功率更合理一些。
發電機電壓變化率約為 20～40％。一般工業和家用負載都要求電壓保持基本不變。為此， 隨著負載電流的增大，必須相應地調整勵磁電流。有 3 種不同性質負載下的調整特性。雖然調整特性的變化趨勢與外特性正好相反，對于感性和純電阻性負載，它是上升的，而在容性負載下， 一般是下降的。
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圖5 同步發電機的外特性曲線圖 |
圖6 發電機的調整特性 |
總結：
值得注意的是，柴油發電機組配備的同步發電機通常具備自我保護能力，即在一定的轉速范圍內，它可以自動限制輸出電流，以避免過載。這種自我保護機制使得發電機能夠在有限的條件下安全地工作。綜上所述，交流發電機的三大工作特性分別是空載特性、輸出特性和外特性，它們各自反映了發電機在不同工作條件下的性能表現，對于正確使用和維護發電機至關重要。
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