性能特點和作用說明

同步發(fā)電機原理、結(jié)構(gòu)及種類劃分

 

摘要：同步電機除了用于電動機，主要用作發(fā)電機，它作為各種各種發(fā)電設(shè)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(yīng)用于企業(yè)后備電源設(shè)備，同步發(fā)電機是柴油發(fā)電機組的三大組成部分（發(fā)動機、交流發(fā)電機和控制系統(tǒng)）之一。因此，為了更好地了解發(fā)電機工作原理，學(xué)習(xí)并掌握同步發(fā)電機的特性曲線、電動勢產(chǎn)生原理等方面知識，以及發(fā)電機結(jié)構(gòu)形式和類別區(qū)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(gòu)造原理圖。

1、基本原理

（1）電磁感應(yīng)：

      同步發(fā)電機利用電磁感應(yīng)的原理來產(chǎn)生電能。當(dāng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子與定子相對旋轉(zhuǎn)時，會在定子的線圈中產(chǎn)生磁場，這個磁場會穿過線圈，導(dǎo)致線圈內(nèi)的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流。

（2）動態(tài)磁場：

      發(fā)電機的轉(zhuǎn)子上通常有一組勵磁線圈，當(dāng)這些線圈通過電流時，會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個磁場。這個磁場與定子上的磁場相互作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子相對定子旋轉(zhuǎn)。

（3）同步：

      當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并且頻率與電源頻率相匹配時，轉(zhuǎn)子上的勵磁磁場與定子的磁場同步。這個同步狀態(tài)允許電能從轉(zhuǎn)子傳輸?shù)蕉ㄗ樱a(chǎn)生輸出電能。

      總的來說，同步發(fā)電機的工作原理是利用電磁感應(yīng)和磁場相互作用，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。通過控制勵磁電流和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出電壓和頻率。

2、電動勢的產(chǎn)生原理

      通常三相同步發(fā)電機的定子是電樞，轉(zhuǎn)子是磁極，當(dāng)轉(zhuǎn)子勵磁繞組通以直流電后，即建立恒定的磁場。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，定子導(dǎo)體由于與此磁場有相對運動而感應(yīng)交流電動勢。電機具有p對磁極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電動勢變化p次。設(shè)轉(zhuǎn)子每秒轉(zhuǎn)速為n，則轉(zhuǎn)子每秒旋轉(zhuǎn)n/60轉(zhuǎn)，因此感應(yīng)電動勢每秒變化pn/60次，即電動勢的頻率為

f＝pn/60（Hz)

式中 f——電動勢頻率；

p——磁極對數(shù)；

n——發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

      由此可見，當(dāng)同步發(fā)電機的磁極對數(shù)p、轉(zhuǎn)速n一定時，發(fā)電機的交流電動勢的頻率是一定的。也就是說，同步發(fā)電機的特點是具有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定而與負載大小無關(guān)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒等于發(fā)電機空氣隙中（定子）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。同步發(fā)電機即由此得名。

      在我國的電力系統(tǒng)中，規(guī)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(zhuǎn)速總為一固定值。例如：磁極對數(shù)為1對（二極）的同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為3000r/min；磁極對數(shù)為2對（四極）的同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為1500r/min；依此類推，同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速還有1000r/min、750r/min、600r/min、500r/min和375r/min等。為了保持交流電動勢的頻率不變，拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的原動機必須具有調(diào)速機構(gòu)，使發(fā)電機在輸出不同的有功功率時都能維持轉(zhuǎn)速不變。

 

圖1  同步發(fā)電機外形圖

圖2  同步發(fā)電機構(gòu)造原理圖

 

二、同步發(fā)電機的基本類型

 

      同步發(fā)電機可按發(fā)電機的結(jié)構(gòu)形式、勵磁方式和相數(shù)等進行分類。

1、按發(fā)電機的結(jié)構(gòu)形式來分類

      按發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特點進行區(qū)分，同步發(fā)電機可分為旋轉(zhuǎn)電樞式（簡稱轉(zhuǎn)樞式）和旋轉(zhuǎn)磁極式（簡稱轉(zhuǎn)磁式）兩種形式。

（1）旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機

      旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其磁極是旋轉(zhuǎn)的，電樞是固定的，電樞繞組的感應(yīng)電勢不通過集電環(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。現(xiàn)代交流發(fā)電機常采用無刷結(jié)構(gòu)的同步發(fā)電機，發(fā)電機省略了集電環(huán)和電刷，無滑動接觸部分，維護簡單，工作可靠性高。在旋轉(zhuǎn)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，不同特點如表1所列。

① 從圖3（a）可以看出，凸極式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子構(gòu)造簡單、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(zhuǎn)子的氣隙是均勻的，轉(zhuǎn)子成圓柱形。勵磁繞組分布在轉(zhuǎn)子表面的鐵芯槽中。

 表1    旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機的分類和特點

（2）旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機

      旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)如圖4所示。其電樞是轉(zhuǎn)動的，磁極是固定的，電樞電勢通過集電環(huán)和電刷引出與外電路連接。旋轉(zhuǎn)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(nèi)腔的空間限制了電機的容量；發(fā)電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高；電機運行速度受到離心力及機械振動的限制。所以目前只有交流同步無刷發(fā)電機的勵磁機使用旋轉(zhuǎn)電樞結(jié)構(gòu)的同步發(fā)電機。

圖3  旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機模型

圖4  旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機模型

 

2、按發(fā)電機的相數(shù)來分類

      按相數(shù)來區(qū)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、按勵磁方式來分類

      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(qū)別在于永磁機的勵磁磁場是由永磁體產(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，外觀如圖5、圖6所示，主要講述永磁發(fā)電機的原理和特點。

      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啟動，而是利用磁鐵和轉(zhuǎn)子上的永磁體之間的磁力作用，使轉(zhuǎn)子從停止狀態(tài)迅速旋轉(zhuǎn)起來，并產(chǎn)生電流。永磁式發(fā)電機由定子、轉(zhuǎn)子和定轉(zhuǎn)子之間的磁性材料（永磁體）組成。它的工作原理是，當(dāng)定子產(chǎn)生交流電流時，定子線圈內(nèi)的磁場隨之改變，隨即在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生磁場，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)發(fā)電功能。

（1）優(yōu)點：

① 發(fā)電效率高，只要定子中的線圈被供電，就可以立即產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力；

② 安裝維護簡單，因為發(fā)電機內(nèi)部沒有滑動觸頭，所以維護保養(yǎng)成本比較低；

③ 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)惰性小，可以很快響應(yīng)負荷變化；

（2）缺點：

① 由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本比較高；

② 轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)速受限于永磁體的抗震力，所以轉(zhuǎn)速較低；

③ 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向受限于定子線圈方向，不能自由改變。

 

圖5  斯坦福同步發(fā)電機后側(cè)視角模型圖

圖6  斯坦福同步發(fā)電機前側(cè)視角模型圖

 

三、發(fā)電機特性試驗與曲線

 

1、空載特性

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

（1）空載試驗：在空載的情況下，原動機把發(fā)電機拖動到同步轉(zhuǎn)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：在電壓上升時記取對應(yīng)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(yīng)的電壓U?和勵磁電流I_f值。因為電機有剩磁，當(dāng)I_f減到零時，空載電壓不為零，其值即為剩磁電壓。

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

（2）空載特性曲線

      空載特性曲線為上升和下降的兩條分支的平均值，如圖7中虛線所示。往往將虛線右移使之過原點，作為實用的空載特性曲線，如圖8中曲線1所示。將空載特性的直線段延長后所得直線（如圖8中曲線2）稱為氣隙線。

      空載特性曲線表明了電機磁路的飽和情況，具有磁化曲線的特征。起始部分是直線，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

圖8  同步發(fā)電機實用空載特性曲線

 

2、短路特性

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

（1）三相短路試驗：

      先將定子三相繞組的出線端短接，維持額定轉(zhuǎn)速不變，調(diào)節(jié)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(yīng)的I和I_f做出短路特性曲線I=f（I_f）。

（2）短路特性曲線

      如圖9中直線2所示，短路特性曲線為一條直線是因為定子繞組短路時，端電壓U=0，限制短路電流的僅是發(fā)電機的內(nèi)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，故電樞磁動勢是起去磁作用的，氣隙合成磁動勢就很小，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)，所以短路特性曲線是一條直線。

（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幅度較小；但短路電流則較大，且發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定極限就越高。4

3、調(diào)整特性

      調(diào)整特性是指發(fā)電機保持額定轉(zhuǎn)速不變，端電壓和負載的功率因數(shù)恒定時，勵磁電流I_f與負載電流I的關(guān)系，即n=n_N，U=常數(shù)，cos =常數(shù)時，I_f=f（I）。對應(yīng)于不同的負載功率因數(shù)有不同的調(diào)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(yīng)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(yīng)地增大勵增電流I_f。因此圖中調(diào)整特性曲線是上升的，如圖10中cos=0.8和cos=1的曲線所示。

（2）容性負載

      對于容性負載，為了抵消電樞反應(yīng)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(yīng)地減少勵磁電流。因此圖中調(diào)整特性曲線是下降的，如10圖中cos（-）=0.8的曲線所示。

 

圖9  同步發(fā)電機短路特性曲線

圖10  同步發(fā)電機的調(diào)整特性曲線

 

4、外特性

      外特性指發(fā)電機在保持額定轉(zhuǎn)速不變，額定勵磁電流If和負載的功率因數(shù)不變時，發(fā)電機端電壓U與負載電流I的關(guān)系曲線，即n=n_N，I_f=常數(shù)，功率因數(shù)=常數(shù)時，U=f（I）。對應(yīng)于不同的負載功率因數(shù)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，外特性是下降的，這兩種情況下電樞反應(yīng)均為去磁作用，引起端電壓下降，如圖12中cos=0.8和cos=1的曲線所示。

（2）容性負載

      在容性負載cos（-）=0.8時，電樞反應(yīng)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的曲線所示。

 

圖11  同步發(fā)電機基本外特性曲線

圖12  同步發(fā)電機負載特性曲線

 

總結(jié)：

      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)實踐中，空載特性，僅用來判定空載勵磁電壓和電流與設(shè)計說明書是否相符；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(shù)；外特性和調(diào)整特性，則反應(yīng)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，從而幫助我們來分析在運行中一些量的變化，會影響到哪些量的變化，最終采取何種補救措施來維持柴油發(fā)電機組的穩(wěn)定。

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