新聞主題	三相發電機空載運行的特性

 

摘要：三相同步發電機的電樞繞組為三相對稱繞組，感應的電勢為三相對稱電勢，在對稱負載下穩定運行是其主要運行方式，此時發電機的每相電壓和電流是對稱的。發電機不接負載時，電樞電流為零，稱為空載運行。此時發電機定子的三相繞組只有勵磁電流感生出的空載電動勢(三相對稱)，其大小隨勵磁電流的增大而增加。但是，由于發電機磁路鐵心有飽和現象，所以兩者不成正比。反映空載電動勢與勵磁電流關系的曲線稱為同步發電機空載特性，康明斯公司在本節中主要敘述對稱負載時三相同步發電機的空載運行原理和特性。

一、空載磁場

 

      同步發電機被柴油機拖動到同步轉速，轉子的勵磁繞組通以直流電流，而定子繞組開路時的運行稱為空載運行。此時發電機氣隙中唯一存在的磁場就是由直流勵磁電流產生的勵磁磁場，因為同步發電機處于空載狀態，所以又稱為空載磁場或主磁場。

      空載磁場分布如圖1所示，圖中既交鏈轉子又交鏈定子的磁通稱為主磁通，即空載時的氣隙磁通，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，而不穿過氣隙與定子繞組交鏈，稱其為主極漏磁通，用Φ_f0表示，它不參與同步發電機的機電能量轉換。主磁通所經路徑稱為主磁路。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。電樞工作過程如圖2所示。

 

圖1 凸極式同步發電機的空載磁場分布

圖2  發電機電樞線圈工作原理

 

二、空載特性

 

      在柴油機驅動下，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之間的關系為

f＝pn₁/60

      由于I＝0，同步發動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的關系曲線稱為同步發電機的空載特性（曲線），如圖3中的曲線1。發電機空載試驗電路如圖4所示。

 

圖3  同步發電機的空載特性曲線

圖4  同步發電機空載試驗電路

 

      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之間的函數關系［Φ₀＝f（F_f）］，Φ₀＝f（F_f）稱為電機的磁化曲線。這就說明勵磁磁勢F_f和主磁通。之間具有內在聯系。因此任何一臺電機的空載特性實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，磁路不飽和，此時鐵芯部分所消耗的磁勢很小，可略去不計，磁化曲線近于直線。當磁通值較大時，磁路中的鐵磁部分已飽和，因而所消耗的磁勢較大，空載特性曲線就逐漸彎曲。在電機設計時，既要充分利用鐵磁材料，又要考慮到不因過分飽和而增加勵磁磁勢，從而增加發電機的用銅量，所以使電機的空載額定電壓運行于空載特性曲線的彎曲部分，如圖3-17中的c點。若將空載特性曲線的直線部分延長得到圖3-17中的直線2，這條直線稱為氣隙線。它表示氣隙磁勢F。與基波每極磁通Φ₀之間的關系。圖中oa代表額定電壓，ac表示產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增長得越快。當E₀＝U_N時，總磁勢F_f0和氣隙磁勢F_δ之比稱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，磁路未飽和時的勵磁電勢；一般空載額定電壓時的K，值為1.1～1.25。可見在磁路飽和后，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的1/K_s。

      發電機的空載特性曲線可用標幺值表示，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存在。標準空載特性曲線的數據如表1所示。空載特性曲線很有實用價值，用它來對比已制造出來的電機試驗數據，就可以看出該電機的磁路飽和情況、鐵芯的質量以及材料的利用情況等。

表1 標準空載曲線數據表

      空載特性曲線是發電機中一條最基本的特性曲線，它的用途很廣，通過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。空載特性代表了電機中磁和電兩方面的聯系，表達了由勵磁磁勢產生感應電勢的能力。在有負載的情況下，如果能獲得磁路中的總磁勢，也可利用這個特性來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

 

      現代交流同步發電機要求其產生的電勢是三相對稱；頻率恒定；波形接近于正弦；具有一定的幅值。這幾項要求標志著發電機輸出電能的質量。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，保證發電機的運行性能等。然而對發電機輸出電能質量上的要求和制造上的經濟性有時會發生矛盾，因此必須從整體全面考慮，不能片面地強調某一方面。事實上要求電能質量絕對化，既是不可能的，而且也沒有必要，反而會給發電機的制造帶來困難，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程度有一定范圍的偏差。

1、對電勢波形的要求

      同步發電機空載線電壓的波形應在額定電壓和額定轉速情況下測定。空載線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，也可用線電壓的有效值來代替；

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）以上的發電機，K_u要求不超過5％；對于額定功率在10～300千伏安（kV·A）的發電機，K_u要求不超過10％。電壓波形正弦性畸變率的數值可用專用測量儀測定；也可用示波器拍攝電壓波形，然后用數學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求電壓波形正弦性畸變率是較好的方法。

      事實上，如果所拍攝電壓波形曲線與其基波分量的最大瞬時偏差ΔE（如圖5所示）不超過基波E_1m的5％時，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，將產生許多不良后果。例如使發電機本身和由它所供電的電動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  發電機電勢基波分量的最大瞬時偏差與基波的比較

圖6  發電機正弦交流電電壓波形

 

2、在三相系統中對電勢對稱的要求

      在三相系統中電勢要對稱，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正序分量的2％時，即稱為實際對稱電壓系統。國家標準要求三相發電機的輸出電壓能滿足實際對稱系統的要求。

 

總結：

      針對三相同步交流發電機的空載飽和特性問題，可以通過有限元法建立同步發電機的二維電磁場物理模型。通過此模型對發電機定轉子鐵心的電磁場分布進行計算，并進一步對氣隙中線磁場分布進行了諧波分析，以便更加詳細地得到了發電機的空載飽和特性曲線。

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