新聞主題	同步發電機的基本工作原理

 

摘要：同步發電機和直流電機、異步電機一樣，是根據電磁感應原理工作的一種旋轉電機。它是一種交流電機，從原理上講其工作是可逆的，它不僅可以作為發電機運行，也可以作為電動機運行。同步發電機的另一種特殊運行方式為同步調相機，或稱同步補償機，專門用來向電網發送滯后無功功率，以改善電網的功率因數。

 

一、電磁感應與右手定則

 

      由《電工學》所學知識可知，當導體與磁場間有相對運動，而使兩者相互切割時，就會在該導體內產生感應電動勢，這種現象稱為電磁感應。如果該導體是閉合的，在感應電動勢的作用下，導體內就會產生電流，這個電流稱為感應電流。如圖1所示。將一根導線放在兩個磁極的均勻磁場內，并在導線的兩端接上一只電壓表，當導線在垂直于磁力線方向以一定速度移動時，電壓表的指針就會發生偏轉。以上現象說明導線與磁場發生相對運動和相互切割后，在其內部已產生出感應電動勢和感應電流。

      導線在磁場中產生感應電動勢的方向可以用右手定則來確定。如圖2所示。將右手平伸，掌心迎著磁極N，并使磁力線垂直穿過手掌，拇指和其余四指伸直。這時拇指所指的方向為導線的運動方向，其余四指的指向就是感應電動勢方向。從上述試驗可知，導線在均勻磁場內沿著與磁力線垂直的方向運動時，它所產生感應電動勢的大小與導線在磁場中的有效長度l、磁場的磁通密度B以及導線在磁場中的運動速度v成正比，即

e＝Blv

式中， e——感應電動勢，V；

B——磁通密度，T；

l——導線在磁場中的有效長度，m；

v——導線垂直于磁力線方向上運動的速度，m/s。

如果導線運動方向與磁力線方向的夾角為任意角度a時，則

e＝Blusina

      若將導線與外負載接成閉合回路，導線中就會產生電流并輸出電功率，而同步發電機就是根據這一原理來制造的。

 

圖1 發電機電磁感應現象示意圖

圖2 發電機右手定則

 

二、正弦交流電

 

      在現代社會，交流電被廣泛應用于工業、農業、交通運輸和信息通信等各個方面。人們的日常生活，如電風扇、空調、電冰箱、電視機和計算機等家用電器同樣離不開交流電。因此，交流電在生產、生活中占有極其重要的地位。我們平時所用的交流電都是按正弦規律變化。正弦交流電是一種大小和方向隨時間做周期性變化的電流。

1、正弦交流電的產生

      如圖3所示為一根直導線在兩極均勻磁場內做等速旋轉時所產生的交變電動勢。由以上分析可知，旋轉導線中感應電動勢的大小取決于磁場的磁通密度、導線在磁場中的有效長度、導線切割磁力線的速度以及導線運動方向與磁力線方向的夾角α。而感應電動勢的方向則取決于導線切割磁力線的方向。因此，當長度不變的導線在均勻磁場內按一定方向做等速旋轉時，它所產生的感應電動勢數值將只與導線切割磁力線時的角度有關。

      由圖3可見，當導線處于位置1時，由于導線的轉動方向與磁力線平行，所以并未切割磁力線，也就不會產生感應電動勢；當導線轉動至位置2時，導線與磁力線間的夾角比較小，所以產生的感應電動勢也較小；當導線轉動至位置3時，與磁力線的夾角有所增大，所以它產生的感應電動勢也相應增大；當導線轉動到位置4時，導線與磁力線相垂直，這時導線切割磁力線的角度為最大，正好處于磁極的中央位置，因而它所產生的感應電動勢也最大。經過位置4以后，導線與磁力線的夾角又逐漸減小，它所產生的感應電動勢也就漸次減小。當轉動到位置7時，導線的感應電動勢減到零。

      導線經過位置7以后就進入磁場的另一個磁極下面。這時，由于導線切割磁力線的方向與前半轉時的方向相反，所以它產生的感應電動勢方向也隨之相反。當導線相繼轉動至位置8和9時，隨著導線切割反方向磁力線角度的變化又逐漸使感應電動勢增大；在導線處于位置10時，將達到反方向感應電動勢的最大值；隨著導線切割磁力線角度的相繼減小，它所產生的感應電動勢也隨之逐漸減小；當導線轉動至起點位置1時，感應電動勢又回落到零。若導線繼續旋轉，則該導線內的感應電動勢數值將重復以上的變化。

      如果將導線在圓周上旋轉的各點位置展開，用一根直線來表示導線在圓周上移動的角度位置，而在垂直方向按比例畫出導線在這些位置上所產生的感應電動勢，并規定一個方向的感應電動勢為正，相反方向的感應電動勢則為負。這樣，就可以依照這些感應電動勢的大小繪出一條按一定規律變化的曲線，如圖4所示。這條波動起伏的曲線在數學上稱之為正弦曲線，而按這種正弦規律變化的交流電源，稱為正弦交流電。

 

圖3 發電機旋轉導線所產生的交變電動勢

圖4 發電機交流電的正弦曲線

 

 

 

2、交流電的周期和頻率

      交變電壓或電流完成正負變化一個循環所需要的時間稱為周期，并用符號T表示。在單位時間每秒內變化的周期數即為頻率，以符號f表示。不難看出，頻率f與周期T是互為倒數的關系。即

 

      周期的單位為秒（s），頻率的單位為赫茲（Hz）。我國交流電的供電頻率為50赫茲，通常簡寫為f＝50Hz。

3、交流電的瞬時值和最大值

（1）電動勢瞬時值

      由于交流電壓或電流的大小和方向總是隨時間而不斷變化，因而它在每一瞬間均具有不同的數值，這個不同的值稱之為瞬時值，并規定用小寫字母表示。一般用i表示電流的瞬時值；v表示電壓的瞬時值；而用e表示電動勢的瞬時值。

（2）電動勢最大值

      電流、電壓或電動勢在一周期內的最大瞬時值稱為最大值，并規定用大寫字母表示，同時還應在字母的右下角標以m字樣。例如，我們通常用I_m表示電流最大值，U_m表示電壓最大值，而用E_m表示電動勢最大值。

4、交流電的相位和相位差

      由以上所述可知，交變電動勢或交變電流均可用一根水平方向的直線來表示時間，再從這根直線上引出垂直線的高度，以表示其電壓或電流的瞬時值。如圖5所示。這種方法能將正弦交流電在一周內的變化完整地反映出來。但實際上正弦交流電是一種連續的波形，它并沒有確定的起點和終點。不過，為了說明正弦波全面而真實的情形，還是有必要為正弦波選定一個起點。正弦波的起點及與它由零值開始上升時形成的角度稱為初相角，或稱為起始相位，并用符號Ψ表示。

      與此同時，也可以用旋轉相量來表示正弦波。這時，相量的長度用來表示正弦電壓或正弦電流的最大值，而旋轉相量與水平線之間的夾角表示為相角，并且規定以逆時針方向旋轉為相角的正方向，順時針方向旋轉為相角的負方向；而大于180°的相角，可以改用較小的負值相角來取代原來大于180°的相角。圖5（a）所示表示導線已轉過中性線0角時的位置，也即為計算交變電動勢時的起點；圖5（b）所示為用正弦曲線表示的交變電動勢；圖5（c）所示為旋轉矢量所表示的正弦波。

      旋轉矢量常用來表示幾個頻率相同但相位不同的電壓或電流及其相互間的關系。如圖6（a）所示，在發電機電樞上嵌繞有相同的兩個線圈U和V，兩者幾何位置相差90°。根據電樞的旋轉方向可以看出，線圈U的位置要超前于線圈V的角度為90°；圖6（b）所示為U和V兩個線圈所產生感應電動勢的正弦曲線。從圖中可以看出，若以圖6（a）所示的位置作為正弦波的起始相位，則線圈U的相角應為0°，線圈V的相角則為90°；圖6（c）所示為這兩個線圈所產生交變電動勢的矢量圖，由于這兩個線圈用同樣的角速度旋轉，因此兩個旋轉矢量間將始終保持相差90°相角。

      由此可知，當電樞在磁場中以不變的角速度ω逆時針旋轉時，兩個線圈都將會產生感應電動勢，并且其頻率相同、最大值相等。但因兩個線圈所處的空間位置不同，從而導致它們的初相角不相等，以致不能同時達到最大值或零值。它們的電動勢分別為

e_u＝E_musinΨ_u

e_v＝E_mvsinψ_v

式中，ψ_u，ψ_v為電動勢e_u、e_v的初相角。

      若已知電動勢的最大值E_m和初相角ψ，則任意時刻t的電動勢瞬時值e為

e＝E_msin(ωt＋ψ)(V)

      兩個同頻率的正弦量初相角之差（或相位角之差）稱為相位差，用φ表示。e_u和e_v在任意時刻t的相位差為

φ＝(ωt＋ψ_u)－(ωt＋ψ_v)=ψ_u－ψ_v

      如果兩個正弦量存在相位差，稱它們為不同相的正弦量；當兩正弦量的相位差φ等于零時，稱為同相的正弦量。

 

圖5 發電機正弦交流電的相量圖

圖6 發電機兩個線圈所產生的交變電動勢

 

 

三、三相正弦交流電的產生

 

      三相正弦交流電就是三個頻率相同，但相位互差120°電氣角度，并且其每相繞組均能在運轉時產生按正弦變化的交流電動勢。如圖7所示。

      如圖7（a）所示的交流發電機轉子上布置有三個相位互差120°電氣角度的線圈。當發電機旋轉時，就會在電樞線圈內產生三相交流電動勢，而三相間的相位差為互差120°。如圖7（b）所示為該三相正弦交變電動勢的變化曲線，圖中以U相繞組的電動勢從零值開始上升時來作為起始相位；V相繞組的電動勢比U相滯后120°，W相繞組的電動勢又比V相滯后120°（也即W相繞組電動勢比U相滯后240°或比U相超前120°）。就是這樣，U、V、W三相繞組依次產生按正弦變化的電動勢。由于發電機本身結構是對稱的，它所產生的電動勢在通常情況下是對稱的三相正弦電動勢，若以圖7（b）中U相電動勢經零位向正值增加的瞬間作為起點，這時U相電動勢的瞬時值為

e_u＝E_msinωt(V)

      V相電動勢的瞬時值比U相滯后120°電氣角度，即為

e_v＝E_msin(ωt－120°)(V)

      W相電動勢的瞬時值比V相滯后120°電氣角度，即比U相滯后240°電氣角度（或者說是比U相超前120°電氣角度）。即為

e_w＝E_msin(ωt－240°)(V)

      圖7所示為三相正弦交流發電機示意圖。而在實際應用中，三相交流發電機的三套繞組是按設計規定的接法進行內部連接，并將三相繞組的6根首、尾線端引出，然后按星形或三角形接法連接的。下面將分別簡述這兩種接法。

1、三角形（Δ）接法

      如將三相繞組的首、尾線端依次相連接，以形成一個自行閉合的三角形回路，并以三相的首端U、V、W與負載相接，這種接法稱為三角形接法。如圖8所示。從圖中可以明顯看出，三角形接法時其線電壓等于相電壓。由于三相交流發電機的合成電動勢在許多情況下不可能絕對為零值，所以三相繞組中存在的電動勢差值將會在這個閉合三角形回路內產生環流，致使繞組發熱，這種發熱對發電機顯然是極為不利的。因此，在中小型三相交流發電機繞組中極少采用三角形接法。 

      按三角形連接的三相發電機繞組，其線電流與流過每相繞組的相電流，在三相負載對稱的條件下有著以下關系：

 

式中，I_u、I_v、I_w——U、V、W相的線電流；

I_uu、I_vv、I_ww——U、V、W相的相電流。

      即三相交流發電機繞組三角形接法時，其線電流等于相電流的√3倍。

 

 

圖7 發電機三相正弦交流發電機示意圖

圖8  三相交流發電機的三角形接法

 

2、星形（Y）接法

      將三相繞組的3根首端直接作為相線（或稱端線）輸出，而把三相繞組另外的3根尾端并接在一起作為各相繞組的公共回路，稱為中性線（或稱零線）。如圖9所示，這種接法稱為星形（Y）接法。

      如圖10所示，當繞組采用星形接法時，用電壓表測出的每相繞組首端與尾端之間的電壓稱為相電壓。從測量中可以看出，在正常情況下，三個相電壓的數值應大小相等。而用電壓表所測出的各相繞組首端與首端之間的電壓（即相線之間電壓）稱為線電壓。從測量中可知，繞組三個線電壓的數值大小也相等。經實踐和分析證明，三相繞組在對稱條件下，其相電壓與線電壓之間的相互關系為：

 

      即三相對稱繞組若按星形接法連接時，其線電壓為相電壓的√3倍。如果它們所連接的三相負載也是平衡對稱的，其線電流等于相電流。

 

圖9  發電機三相四線發電機的星形接法

圖10  發電機星形接法時的相電壓和線電壓

 

總結：

      同步發電機和異步發電機的主要區別在于它們的轉子轉速是否與電網的頻率同步。同步發電機需要與電網同步運行，而異步發電機則需要通過調整其轉速來匹配電網的頻率。此外，同步發電機具有穩定性強、效率高、功率密度大、噪音低、維護簡單、環保節能等優點，因此在大型電力設備中得到了廣泛應用。

 

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