性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

同步發(fā)電機(jī)原理、結(jié)構(gòu)及種類劃分

 

摘要：同步電機(jī)除了用于電動(dòng)機(jī)，主要用作發(fā)電機(jī)，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(jī)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(jī)是柴油發(fā)電機(jī)組的三大組成部分（發(fā)動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)）之一。因此，為了更好地了解發(fā)電機(jī)工作原理，學(xué)習(xí)并掌握同步發(fā)電機(jī)的特性曲線、電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原理等方面知識(shí)，以及發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)形式和類別區(qū)分方法至關(guān)重要。 

 

一、發(fā)電機(jī)工作原理

 

      圖1所示為同步發(fā)電機(jī)基本外形圖，圖2所示為同步發(fā)電機(jī)的構(gòu)造原理圖。

1、基本原理

（1）電磁感應(yīng)：

      同步發(fā)電機(jī)利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)產(chǎn)生電能。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)在定子的線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)穿過(guò)線圈，導(dǎo)致線圈內(nèi)的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流。

（2）動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)：

      發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上通常有一組勵(lì)磁線圈，當(dāng)這些線圈通過(guò)電流時(shí)，會(huì)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)與定子上的磁場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子相對(duì)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(shí)，轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁磁場(chǎng)與定子的磁場(chǎng)同步。這個(gè)同步狀態(tài)允許電能從轉(zhuǎn)子傳輸?shù)蕉ㄗ?，產(chǎn)生輸出電能。

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

2、電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生原理

      通常三相同步發(fā)電機(jī)的定子是電樞，轉(zhuǎn)子是磁極，當(dāng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通以直流電后，即建立恒定的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子導(dǎo)體由于與此磁場(chǎng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而感應(yīng)交流電動(dòng)勢(shì)。電機(jī)具有p對(duì)磁極時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)每秒變化pn/60次，即電動(dòng)勢(shì)的頻率為

f＝pn/60（Hz)

式中 f——電動(dòng)勢(shì)頻率；

p——磁極對(duì)數(shù)；

n——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

      由此可見(jiàn)，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)p、轉(zhuǎn)速n一定時(shí)，發(fā)電機(jī)的交流電動(dòng)勢(shì)的頻率是一定的。也就是說(shuō)，同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是具有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和交流電頻率之間保持嚴(yán)格不變的關(guān)系。在恒定頻率下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定而與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒等于發(fā)電機(jī)空氣隙中（定子）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。同步發(fā)電機(jī)即由此得名。

      在我國(guó)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(duì)某一臺(tái)指定的同步發(fā)電機(jī)而言，其轉(zhuǎn)速總為一固定值。例如：磁極對(duì)數(shù)為1對(duì)（二極）的同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000r/min；磁極對(duì)數(shù)為2對(duì)（四極）的同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500r/min；依此類推，同步發(fā)電機(jī)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(dòng)勢(shì)的頻率不變，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的原動(dòng)機(jī)必須具有調(diào)速機(jī)構(gòu)，使發(fā)電機(jī)在輸出不同的有功功率時(shí)都能維持轉(zhuǎn)速不變。

 

圖1  同步發(fā)電機(jī)外形圖

圖2  同步發(fā)電機(jī)構(gòu)造原理圖

 

二、同步發(fā)電機(jī)的基本類型

 

      同步發(fā)電機(jī)可按發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、勵(lì)磁方式和相數(shù)等進(jìn)行分類。

1、按發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式來(lái)分類

      按發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，同步發(fā)電機(jī)可分為旋轉(zhuǎn)電樞式（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)樞式）和旋轉(zhuǎn)磁極式（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)磁式）兩種形式。

（1）旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)

      旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)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(shì)不通過(guò)集電環(huán)和電刷而直接送往外電路，所以其絕緣能力和機(jī)械強(qiáng)度好，且安全可靠?，F(xiàn)代交流發(fā)電機(jī)常采用無(wú)刷結(jié)構(gòu)的同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)省略了集電環(huán)和電刷，無(wú)滑動(dòng)接觸部分，維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性高。在旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)中，按磁極的形狀又可分為凸極式同步發(fā)電機(jī)和隱極式同步發(fā)電機(jī)兩種形式，不同特點(diǎn)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(lì)磁繞組采用集中繞組套在磁極上。這種轉(zhuǎn)子構(gòu)造簡(jiǎn)單、制造方便，故柴油發(fā)電機(jī)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(lì)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(jī)的分類和特點(diǎn)

（2）旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)

      旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。其電樞是轉(zhuǎn)動(dòng)的，磁極是固定的，電樞電勢(shì)通過(guò)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(jī)，因?yàn)椴捎秒娝⒑图姯h(huán)引出大電流比較困難，容易產(chǎn)生火花和磨損；電機(jī)定子內(nèi)腔的空間限制了電機(jī)的容量；發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高；電機(jī)運(yùn)行速度受到離心力及機(jī)械振動(dòng)的限制。所以目前只有交流同步無(wú)刷發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)使用旋轉(zhuǎn)電樞結(jié)構(gòu)的同步發(fā)電機(jī)。

圖3  旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)模型

圖4  旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)模型

 

2、按發(fā)電機(jī)的相數(shù)來(lái)分類

      按相數(shù)來(lái)區(qū)分，同步發(fā)電機(jī)又可分為單相同步發(fā)電機(jī)和三相同步發(fā)電機(jī)。單相同步發(fā)電機(jī)的功率不大，通常不大于6kW；而三相同步發(fā)電機(jī)的功率可達(dá)幾千千瓦。

3、按勵(lì)磁方式來(lái)分類

      同步發(fā)電機(jī)可分為永磁發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，永磁發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的最大區(qū)別在于永磁機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的。永磁體在電機(jī)中既是磁源，又是磁路的組成部分。本文以斯坦福發(fā)電機(jī)為例，外觀如圖5、圖6所示，主要講述永磁發(fā)電機(jī)的原理和特點(diǎn)。

      永磁式發(fā)電機(jī)是一種只有永磁體的發(fā)電機(jī)，也叫永磁同步發(fā)電機(jī)，它不需要外部電源來(lái)啟動(dòng)，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?fàn)顟B(tài)迅速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，并產(chǎn)生電流。永磁式發(fā)電機(jī)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(shí)，定子線圈內(nèi)的磁場(chǎng)隨之改變，隨即在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。

（1）優(yōu)點(diǎn)：

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(dòng)力；

② 安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)內(nèi)部沒(méi)有滑動(dòng)觸頭，所以維護(hù)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(fù)荷變化；

（2）缺點(diǎn)：

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(dòng)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(jī)后側(cè)視角模型圖

圖6  斯坦福同步發(fā)電機(jī)前側(cè)視角模型圖

 

三、發(fā)電機(jī)特性試驗(yàn)與曲線

 

1、空載特性

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

（1）空載試驗(yàn)：在空載的情況下，原動(dòng)機(jī)把發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，并維持不變。然后增加勵(lì)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(shí)記取對(duì)應(yīng)的電壓U?和勵(lì)磁電流I_f值。

② 下降分支：逐步減小勵(lì)磁電流，記取對(duì)應(yīng)的電壓U?和勵(lì)磁電流I_f值。因?yàn)殡姍C(jī)有剩磁，當(dāng)I_f減到零時(shí)，空載電壓不為零，其值即為剩磁電壓。

      在做試驗(yàn)時(shí)，我們從表計(jì)反應(yīng)的電壓、電流值，可以得到機(jī)組的空載勵(lì)磁電壓和電流值，若此值超過(guò)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(guò)原點(diǎn)，作為實(shí)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(zhǎng)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(jī)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(dá)到深度飽和。

 

圖7  同步發(fā)電機(jī)的空載特性曲線

圖8  同步發(fā)電機(jī)實(shí)用空載特性曲線

 

2、短路特性

      短路特性指同步發(fā)電機(jī)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(shí)，定子相電流I（即穩(wěn)態(tài)短路電流）與勵(lì)磁電流I_f的關(guān)系，即n=ny，U=0時(shí)，I=f（I_f）。

（1）三相短路試驗(yàn)：

      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(lì)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(duì)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?yàn)槎ㄗ永@組短路時(shí)，端電壓U=0，限制短路電流的僅是發(fā)電機(jī)的內(nèi)部阻抗。由于定子繞組電阻遠(yuǎn)小于同步電抗，所以短路電流可以認(rèn)為是純感性的，故電樞磁動(dòng)勢(shì)是起去磁作用的，氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)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(fù)載電流引起的端電壓的波動(dòng)幅度較小；但短路電流則較大，且發(fā)電機(jī)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(jī)保持額定轉(zhuǎn)速不變，端電壓和負(fù)載的功率因數(shù)恒定時(shí)，勵(lì)磁電流I_f與負(fù)載電流I的關(guān)系，即n=n_N，U=常數(shù)，cos =常數(shù)時(shí)，I_f=f（I）。對(duì)應(yīng)于不同的負(fù)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(fù)載

      對(duì)于感性和純阻性負(fù)載，為了補(bǔ)償負(fù)載電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)去磁作用，保持發(fā)電機(jī)端電壓U不變，必須隨負(fù)載電流I的增大相應(yīng)地增大勵(lì)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(fù)載

      對(duì)于容性負(fù)載，為了抵消電樞反應(yīng)的助磁作用，保持發(fā)電機(jī)端電壓不變，必須隨負(fù)載電流的增加相應(yīng)地減少勵(lì)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(jī)短路特性曲線

圖10  同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性曲線

 

4、外特性

      外特性指發(fā)電機(jī)在保持額定轉(zhuǎn)速不變，額定勵(lì)磁電流If和負(fù)載的功率因數(shù)不變時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓U與負(fù)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(shí)，U=f（I）。對(duì)應(yīng)于不同的負(fù)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(fù)載

      在感性負(fù)載cos =0.8和純電阻性負(fù)載cos =1時(shí)，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(fù)載

      在容性負(fù)載cos（-）=0.8時(shí)，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(jī)基本外特性曲線

圖12  同步發(fā)電機(jī)負(fù)載特性曲線

 

總結(jié)：

      綜上所述，除了要了解發(fā)電機(jī)的工作原理，其特性也是非常重要的。在生產(chǎn)實(shí)踐中，空載特性，僅用來(lái)判定空載勵(lì)磁電壓和電流與設(shè)計(jì)說(shuō)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(jī)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(fù)載電流及勵(lì)磁電流三者之間的一些變化曲勢(shì)，從而幫助我們來(lái)分析在運(yùn)行中一些量的變化，會(huì)影響到哪些量的變化，最終采取何種補(bǔ)救措施來(lái)維持柴油發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定。

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