新聞主題	發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行和電樞反應(yīng)

 

摘要：同步發(fā)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子與三相異步電動(dòng)機(jī)的沒有區(qū)別，也是由機(jī)座、定子鐵心和三相對(duì)稱繞組等組成的。這部分常稱電樞。所謂電樞，就是電機(jī)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的樞紐部分。同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是磁極，其鐵心上繞有勵(lì)磁繞組，用直流勵(lì)磁。因?yàn)檗D(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)，所以勵(lì)磁繞組的兩端分別接在固定在轉(zhuǎn)軸上的兩個(gè)滑環(huán)上。環(huán)與環(huán)，環(huán)與軸，都是互相絕緣的。在滑環(huán)上，用彈簧壓著兩個(gè)固定的電刷，直流勵(lì)磁電流經(jīng)此進(jìn)入到勵(lì)磁繞組。

 

      由于轉(zhuǎn)子構(gòu)造不同，同步發(fā)電機(jī)可分為顯極式和隱極式兩種類型。顯極式電機(jī)的轉(zhuǎn)子具有凸出的磁極、顯而易見，勵(lì)磁繞組繞在磁極上。圖3-1所示同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就是顯極式的。隱極式電機(jī)的轉(zhuǎn)子呈圓柱形，勵(lì)磁繞組分布在轉(zhuǎn)子大半表面的槽中。顯極式電機(jī)的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但是機(jī)械強(qiáng)度較低，宜用于低速柴油機(jī)，其轉(zhuǎn)速在1000r/min以下。隱極式電機(jī)的制造工藝較復(fù)雜，但是機(jī)械強(qiáng)度較高，宜用于高速柴油機(jī)和汽輪機(jī)，其轉(zhuǎn)速為1500r/min。

 

一、空載運(yùn)行

 

      同步發(fā)電機(jī)被柴油機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁而定子繞組開路或電流為零時(shí)稱為空載運(yùn)行。此時(shí)電機(jī)氣隙中只有勵(lì)磁電流If所生的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff建立的勵(lì)磁磁場(chǎng)。圖1為一臺(tái)凸極同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁磁場(chǎng)分布的示意圖。圖中，勵(lì)磁磁通分成主磁通Φ和主極漏磁通Φfσ兩部分。Φ通過氣隙并與定、轉(zhuǎn)子繞組交鏈，其磁密波形沿氣隙圓周近似作正弦分布（凸極同步電機(jī)通常選用極弧系數(shù)為0.68～0.72，氣隙比值為1.3～1.8），以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)；Φfσ不通過氣隙，僅與勵(lì)磁繞組交鏈,并不參與定、轉(zhuǎn)子間的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程。需要指出的是所有諧波磁通均被歸屬為漏磁通。凸極電機(jī)主極漏磁通占主極磁通的10%～20%。

 

圖1 凸極式發(fā)電機(jī)的空載磁場(chǎng)示意

 

 

      圖2是同步發(fā)電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)的接線圖?？蛰d時(shí)，電機(jī)中只有由直流勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁極磁場(chǎng)。磁極由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為n，磁極磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)。設(shè)磁極磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿空氣隙是接近于按正弦規(guī)律分布的，因此，當(dāng)磁極旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)過每相電樞繞組的磁通也是隨時(shí)間按正弦規(guī)律分布的。通過每相繞組的磁通最大值在數(shù)值上等于磁極磁通ф_o（每極的）。因?yàn)橥ㄟ^每相繞組的磁通是正弦量，于是就在電樞繞組中感應(yīng)出對(duì)稱的三相正弦電動(dòng)勢(shì)：

 

      每相電動(dòng)勢(shì)的有效值E_o＝4.44fkWφ。相等，相位相差120°電動(dòng)勢(shì)的頻率f＝pn/60。

      圖3所示的是同步發(fā)電機(jī)的空載特性曲線E_o＝f（I_f），它表示了當(dāng)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為額定值n_N時(shí)，空載電動(dòng)勢(shì)E_o與勵(lì)磁電流I_f的關(guān)系。因?yàn)镋_o與Φ_o成正比，而Φ_o與I_f的關(guān)系是磁化曲線的關(guān)系，所以E_o與E_f也具有磁化曲線的關(guān)系。發(fā)電機(jī)的額定空載電動(dòng)勢(shì)E_o和額定勵(lì)磁電流F_fN一般設(shè)置在特性曲線的拐彎部分，即磁路的半飽和工作點(diǎn)N_o曲線中的I_f＝0，E_o＝Er，稱為剩磁電動(dòng)勢(shì)。它是由磁極剩磁通產(chǎn)生的。對(duì)于自勵(lì)發(fā)電機(jī)，剩磁電動(dòng)勢(shì)是很重要的。如果沒有，發(fā)電機(jī)就不能建立電壓。

 

圖2 同步發(fā)電機(jī)的空載實(shí)驗(yàn)接線圖

圖3 發(fā)電機(jī)的空載特性曲線

圖4為同步電機(jī)空載時(shí)的時(shí)空相量圖。與異步電機(jī)一樣，圖中磁通Φ、電動(dòng)勢(shì)E各時(shí)間相量均為綜合相量，各代表一組對(duì)稱的三相相量，E在時(shí)間上滯后Φ90°電角度；忽略磁滯效應(yīng)，勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)f1和由它產(chǎn)生的氣隙磁密基波f1同相位，以同步角速度ω1=2πf旋轉(zhuǎn)。各相的時(shí)軸都重疊在其相軸上，在時(shí)空相量圖上，Φ與f1同相位。

 

圖4 發(fā)電機(jī)空載矢量圖

 

 

實(shí)際發(fā)電機(jī)中，由于氣隙磁密波形不可能為理想正弦，定子繞組實(shí)際線電動(dòng)勢(shì)（空載線電壓）波形與正弦波形總有一定的偏差，其偏差程度一般用電壓波形正弦性畸變率（簡(jiǎn)稱電壓波形畸變率）來表示。電壓波形正弦性畸變率ku即該電壓波形中不包括基波在內(nèi)的所有各次諧波幅值平方和的平方根值與該波形基波分量的幅值的百分比。

為了衡量電壓波形中各次諧波對(duì)電訊線路的干擾，規(guī)定了電話諧波因數(shù)THF：

式中：

U——為線電壓的有效值；

Un——為線電壓中n次諧波的有效值，

λn——為諧波的權(quán)衡系數(shù)。

對(duì)于額定容量在300kVA以上者，要求ku＜5%，THF%＜1.5%。

二、電樞反應(yīng)

 

1、什么是電樞反應(yīng)

      當(dāng)發(fā)電機(jī)三相繞組接有三相對(duì)稱負(fù)載時(shí)，在三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)作用下，三相電樞繞組中便流動(dòng)著三相對(duì)稱電流。三相對(duì)稱電流流經(jīng)三相對(duì)稱繞組也會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速為n_o＝60f/p。由此可見，n＝n_o即轉(zhuǎn)子磁極磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n與電樞旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，n_o相等，故稱同步電機(jī)。

      磁極磁場(chǎng)（每極磁通為Φ_o）與電樞磁場(chǎng)（每極磁通為фa）既然轉(zhuǎn)速相等，轉(zhuǎn)向相同，所以兩者是相對(duì)靜止的。因此有負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)際上可認(rèn)為是由它們合成的結(jié)果。合成磁場(chǎng)的軸線及其每極磁通φ_o的大小，與磁極磁場(chǎng)相比，都有所不同。這種電樞磁場(chǎng)對(duì)磁極磁場(chǎng)的影響，稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的程度與發(fā)電機(jī)所接負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)。

2、負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電樞反應(yīng)

      同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，氣隙中只存在勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。定子繞組中只感應(yīng)有空載電勢(shì)E，此時(shí)端電壓U=E。當(dāng)電樞繞組接上三相對(duì)稱負(fù)載后，電樞繞組和負(fù)載一起構(gòu)成閉合通路，通路中流過的是三相對(duì)稱的交流電流。當(dāng)三相對(duì)稱電流流過三相對(duì)稱繞組時(shí)，將會(huì)形成一個(gè)以同步速度旋轉(zhuǎn)的電樞磁動(dòng)勢(shì)。它的存在使氣隙磁勢(shì)的分布發(fā)生變化，從而使氣隙磁場(chǎng)以及繞組中的感應(yīng)電勢(shì)發(fā)生變化。這種現(xiàn)象與直流電機(jī)帶負(fù)載后的情況基本相同，即電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)主極磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，故仍稱之為電樞反應(yīng)。但與直流電機(jī)的電樞反應(yīng)不同的是，在直流電機(jī)中，兩個(gè)磁場(chǎng)都是靜止的，而同步電機(jī)中兩個(gè)磁場(chǎng)只是保持相對(duì)靜止，本身都是旋轉(zhuǎn)的，并且強(qiáng)調(diào)的是兩個(gè)基波磁場(chǎng)之間的相互作用。

       根據(jù)前面的旋轉(zhuǎn)電機(jī)理論可以知道，在對(duì)稱負(fù)載時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)的基波分量a是一個(gè)與轉(zhuǎn)子同方向同轉(zhuǎn)速的圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，它與基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)f1彼此在空間相對(duì)靜止。f₁和a之間的相對(duì)位置與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E與電樞電流I之間的相角差ψ有關(guān)，ψ角在同步電機(jī)中定義為內(nèi)功率因數(shù)角，ψ＝0時(shí)，I與E同相；ψ＞0時(shí)，電流I滯后E；ψ＜0時(shí)，電流I超前E。下面先討論ψ角對(duì)電樞反應(yīng)的影響（助磁、去磁或交磁）。暫時(shí)只考慮隱極式同步電機(jī)，并只考慮磁路不飽和的情況。

 

      理論上講，ψ角可以是任意角度。圖5表示一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的剖面圖，圖中轉(zhuǎn)子磁極的軸線定義為直軸，用d表示，將與直軸正交的方向定義為交軸，用q表示，AX、BY、CZ分別為定子等效三相集中繞組，各相時(shí)間參考軸與各相相軸重合，A相繞組的軸線作為空間相量的參考軸，圖示瞬間，q軸與A相相軸重合。根據(jù)交流繞組磁動(dòng)勢(shì)分析結(jié)論，f₁和Φ與d軸重合，E在q軸上，a與I重合。

      參照?qǐng)D6，可以將a分解成交軸aq和直軸ad兩個(gè)分量，即a=ad+aq,寫出幅值形式：

F_ad=F_asinψ

F_aq=F_acosψ

也可將每相電流都分解為Id和Iq兩分量，即

I=I_d+I_q

式中，I_d=Isinψ；

I_q=Icosψ

 

其中Iq與所屬相的E同相位，三相Iq系統(tǒng)合成交軸電樞磁勢(shì)aq，稱為I的交軸分量；Id滯后所屬相E90°，三相Id系統(tǒng)合成直軸電樞磁勢(shì)ad，稱為I的直軸分量。

 

圖5 同步發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)

圖6 發(fā)電機(jī)交直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)作用

 

 

3、電樞反應(yīng)的三種情況

（1）I與E_o同相位的情況

      磁極磁通Φ。的軸線方向與電樞磁通φ。的軸線方向在空間是正交的。這種稱為交軸電樞反應(yīng)。在磁極的前半邊，中a與Φ。的方向相反，磁場(chǎng)被削弱了；在磁極的后半邊，磁場(chǎng)被加強(qiáng)了。

（2）I比E_o滯后90°的情況

      φ_a與φ_o兩軸線方向相反，使合成磁場(chǎng)的磁通減小。這種情況的反應(yīng)稱為去磁電樞反應(yīng)。

（3）I比E_o超前90°的情況

      φ_a與φ_o兩軸線方向相同，使合成磁場(chǎng)的磁通Φ增加。這種情況的反應(yīng)稱為加磁電樞反應(yīng)。

      在一般情況下，I與E_o的相位差介于0和90°之間。如果發(fā)電機(jī)接電感性負(fù)載（多數(shù)情況是這樣），則I比E_o滯后。這時(shí)可將電流相量I分解成兩個(gè)分量，與E_o同相的分量Iq（圖4（a）），產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)：滯后于E_o90°的分量Id，產(chǎn)生去磁電樞反應(yīng)。圖4（b）示出了φ_o、Φa和Φ的軸線方向，可見合成磁通中的軸線逆著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向比磁極磁通Φ_o滯后了一個(gè)角度θ，而且電樞電流/越大，θ也越大。如果是電容性負(fù)載，則與上相反。

 

圖4 發(fā)電機(jī)接電感性負(fù)載的電樞反應(yīng).

 

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