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使用說(shuō)明書(shū) |
同步交流發(fā)電機(jī)的分類(lèi)和工作特性 |
摘要：柴油發(fā)電機(jī)組配備的發(fā)電機(jī)可以說(shuō)是一種最常用的交流發(fā)電機(jī)。在現(xiàn)代電力工業(yè)中，它廣泛用于水力發(fā)電、火力發(fā)電、核能發(fā)電以及柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組。由于同步發(fā)電機(jī)一般采用直流勵(lì)磁，當(dāng)其單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，能方便地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓。若并入電網(wǎng)運(yùn)行，因電壓由電網(wǎng)決定，不能改變，此時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的結(jié)果是調(diào)節(jié)了電機(jī)的功率因數(shù)和無(wú)功功率?？得魉构驹诒疚闹芯?a href="http://www.km-robot.com">發(fā)電機(jī)的分類(lèi)和各種工作特性，以及特性曲線圖做了分別闡述，以便促進(jìn)用戶(hù)更好地了解發(fā)電機(jī)原理與特點(diǎn)。
一、發(fā)電機(jī)分類(lèi)
同步發(fā)電機(jī)的基本形式分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩種類(lèi)型，外形如圖1所示。這兩類(lèi)同步發(fā)電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)上與所不同，但基本原理是相同的，即磁場(chǎng)與導(dǎo)線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁力線，導(dǎo)線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，基本原理圖如圖2所示。
1、旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)
旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)固定的，而電樞則由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，三相交流電流通過(guò)滑環(huán)和電刷的引接送到負(fù)載。這類(lèi)發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是鐵心硅鋼片的利用率較高，而且定子是機(jī)座可作磁軛，以節(jié)約鋼材，其缺點(diǎn)是輸出的容量受到限制，電壓也不能太高，這是由于以下原因。
（1）電樞繞組的電流是通過(guò)滑環(huán)和電刷的連接引到外電路的。如果輸出電流過(guò)大，會(huì)引起滑環(huán)與電刷之間產(chǎn)生過(guò)大的火花;若輸出電壓過(guò)大，則滑環(huán)和電刷的絕緣不易解決，因此電壓一般不超過(guò)500V。
（2）由于電樞所占的空間有限，若繞組匝數(shù)過(guò)多和絕緣層過(guò)厚，制作困難，這就限制電壓增高和容量增大。
（3）當(dāng)電樞轉(zhuǎn)速較高時(shí)， 由于離心力的作用和振動(dòng)增大，容易造成電樞損壞，因此，限制發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。
（4）這類(lèi)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)也比較貴。
基于上述原因，用這類(lèi)發(fā)電機(jī)供電已很少采用，通常此無(wú)刷發(fā)電機(jī)作交流勵(lì)磁機(jī)用。
2、旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)
旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)的電樞是固定的，而磁極則是旋轉(zhuǎn)的，電樞繞組均勻分布在整個(gè)鐵心槽內(nèi)。這類(lèi)同步發(fā)電機(jī)，按其磁極的形狀，又可分為凸極式和隱極式兩種。
（1）凸極式發(fā)電機(jī)
凸極式發(fā)電機(jī)有明顯的磁極，在磁極鐵心上套有集中磁極繞組。它的氣隙是不均勻的，極弧下氣隙較小，而極間部分氣隙較大。
（2）隱極式發(fā)電機(jī)
隱極式發(fā)電機(jī)沒(méi)有明顯的磁極，磁極繞組分散嵌在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)。由于它的轉(zhuǎn)子制成圓柱形，因此，其氣隙是均勻的。
旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)有效多的空間位置來(lái)嵌放電樞繞組和絕緣材料。電樞繞組輸出的交流電流可直接送往負(fù)載，其機(jī)械強(qiáng)度和絕緣條件均比較好，可靠性也比較高。
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圖1 交流發(fā)電機(jī)分類(lèi)示意圖 |
圖2 三相交流同步發(fā)電機(jī)原理圖 |
二、發(fā)電機(jī)工作特性
同步發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與同步電機(jī)相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步發(fā)電機(jī)中電樞繞組采用單相。表征同步發(fā)電機(jī)性能的主要是空載特性和負(fù)載運(yùn)行特性。這些特性是用戶(hù)選用發(fā)電機(jī)的重要依據(jù)。
1、空載特性
發(fā)電機(jī)不接負(fù)載時(shí)，電樞電流為零，稱(chēng)為空載運(yùn)行。此時(shí)電機(jī)定子的三相繞組只有勵(lì)磁電流If 感生出的空載電動(dòng)勢(shì)E0（三相對(duì)稱(chēng)），其大小隨 If 的增大而增加。但是，由于電機(jī)磁路鐵心有飽和現(xiàn)象，所以?xún)烧卟怀烧?。反映空載電動(dòng)勢(shì)E0 與勵(lì)磁電流If 關(guān)系的曲線稱(chēng)為同步發(fā)電機(jī)的空載特性。
空載特性本質(zhì)上就是電機(jī)的磁化曲線，它既可用實(shí)驗(yàn)測(cè)出也可用磁路計(jì)算得到。用實(shí)驗(yàn)測(cè)取空載特性時(shí)，由于磁滯現(xiàn)象，上升和下降的磁化曲線不相重合。一般規(guī)定采用空載電壓U≈1.3UN開(kāi)始到If＝0為止的下降曲線并做成適當(dāng)修正。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)If＝0時(shí)，有剩磁電動(dòng)勢(shì)。這時(shí)應(yīng)延長(zhǎng)空載特性與橫軸相交，將交點(diǎn)的橫坐標(biāo)絕對(duì)值ΔIf0作為校正量，加在測(cè)得的空載特性每一點(diǎn)的橫坐標(biāo)上，即可得出另一條通過(guò)原點(diǎn)的校正曲線，得到電機(jī)實(shí)用的空載特性。
在進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)組空載實(shí)驗(yàn)時(shí)（步驟流程如圖4所示），測(cè)出的原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)所耗的功率，即為發(fā)電機(jī)的空載損耗p。同步發(fā)電機(jī)的空載損耗中主要包含機(jī)械損耗pmec和由主極磁場(chǎng)切割定子鐵芯產(chǎn)生的定子鐵耗pFe。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速，機(jī)械損耗恒定不變，只有定子鐵耗隨著空載電壓（正比于主磁通）的變化而變化。在實(shí)驗(yàn)中，先記錄發(fā)電機(jī)未加勵(lì)磁時(shí)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)所需的功率，即為被試發(fā)電機(jī)的機(jī)械損耗。再?gòu)牟煌瑒?lì)磁時(shí)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)所需的功率中扣除此項(xiàng)機(jī)械損耗，即可算出定子鐵耗，其中對(duì)應(yīng)E＝UN時(shí)的鐵耗值即可作為電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的定子鐵耗值。
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圖3 發(fā)電機(jī)空載特性及校正圖 |
圖4 柴油發(fā)電機(jī)組空載試機(jī)流程框圖 |
2、短路特性
短路特性是發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下，電樞出線端三相穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，電樞電流（短路電流）Ik與勵(lì)磁電流If的關(guān)系曲線。如圖6-25（a）所示，圖6-25（b）為三相穩(wěn)態(tài)短路時(shí)的同步發(fā)電機(jī)的矢量圖。
因?yàn)閁＝0，此時(shí)限制短路電流的僅僅是發(fā)電機(jī)的同步阻抗，其中電樞電阻值遠(yuǎn)小于同步電抗可以忽略，故短路電流滯后于勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)為90°，即ψ≈90°；于是電樞電流全部為直軸電流，電樞磁動(dòng)勢(shì)為一純?nèi)ゴ诺闹陛S磁動(dòng)勢(shì)，即Fa＝Fad。此時(shí)各磁動(dòng)勢(shì)矢量都在同一條直線上，合成磁動(dòng)勢(shì)為F′δ=Ff－F′ad=Ff－kadFad，由空載特性求出氣隙電動(dòng)勢(shì)Eδ。此Eδ值與定子漏阻抗（忽略電阻時(shí)是漏電抗）相平衡，即
Eδ=I(Ra+jXσ)≈jIXσ
由于Eδ與漏抗壓降平衡，對(duì)于一般同步發(fā)電機(jī)，定子漏抗標(biāo)么值為X*σ=0.1～0.2，則當(dāng)短路電流達(dá)到額定值時(shí)，氣隙電動(dòng)勢(shì)Eδ值僅為額定電壓的10%～20%，故發(fā)電機(jī)磁路處于不飽和狀態(tài)。此時(shí)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)E′與直軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E′ad相加后得出氣隙電動(dòng)勢(shì)E′δ=-E′σ。此E′是根據(jù)氣隙電動(dòng)勢(shì)Eδ=AC的飽和程度，由OC延長(zhǎng)線上查出為E′=BD而并非If=OB在發(fā)電機(jī)空載時(shí)所生的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E=BF。
在進(jìn)行短路試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)測(cè)出拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)所需的功率，即為發(fā)電機(jī)的短路損耗pk，它包括機(jī)械損耗、電樞繞組基本銅耗和短路雜散損耗，后兩者之和稱(chēng)為短路負(fù)載損耗。測(cè)出不同短路電流Ik時(shí)的短路損耗pk值，然后減去機(jī)械損耗，即可得到短路負(fù)載損耗隨電樞電流變化的曲線，再?gòu)念~定電流下的短路負(fù)載損耗減去電樞基本銅耗pcu1=mI2NRa后即為發(fā)電機(jī)的負(fù)載雜散損耗pad，Ra為電樞繞組的直流電阻。
由空載試驗(yàn)算出機(jī)械損耗pmec和鐵耗pFe，再由短路試驗(yàn)算出Ik=IN時(shí)的定子銅耗pcu1和負(fù)載雜散損耗pad。此外在額定負(fù)載下測(cè)定出額定勵(lì)磁電流IfN數(shù)值并算出勵(lì)磁繞組銅耗pcuf=I2fNRf，再由勵(lì)磁機(jī)效率算出同軸勵(lì)磁機(jī)的輸入功率，即可算出整個(gè)發(fā)電機(jī)的總損耗。
當(dāng)轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)的效率與輸出功率的關(guān)系曲線，稱(chēng)為發(fā)電機(jī)的效率特性。
3、負(fù)載運(yùn)行特性
（1）零功率因數(shù)負(fù)載特性
同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性是指轉(zhuǎn)速為同步速度，負(fù)載電流和功率因數(shù)為常值時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系曲線U＝f（If）。負(fù)載特性是恒電流特性，其中最有意義的是IN＝常數(shù)、cosφ=0時(shí)的零功率因數(shù)負(fù)載特性。
零功率因數(shù)負(fù)載特性由電樞繞組接到可變的三相純電感對(duì)稱(chēng)負(fù)載，使cosφ≈0，同時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流和負(fù)載電抗，使負(fù)載電流保持為一常值得到。當(dāng)電機(jī)容量較大時(shí)，可將電機(jī)并入電網(wǎng)作空載過(guò)勵(lì)運(yùn)行，使電樞輸出的無(wú)功電流為I＝IN，得到零功率因數(shù)負(fù)載特性上U＝UN點(diǎn)。接著再作此發(fā)電機(jī)的三相對(duì)稱(chēng)穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)，測(cè)出對(duì)應(yīng)Ik＝IN的勵(lì)磁電流Ifk，得到零功率因數(shù)負(fù)載特性上U＝0點(diǎn)。
（2）外特性
外特性是當(dāng)轉(zhuǎn)速為額定值、勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)為常數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓 U 與負(fù)載電流 I 之間的關(guān)系，特性曲線如圖5所示。調(diào)整特性是轉(zhuǎn)速和端電壓為額定值、負(fù)載功率因數(shù)為常數(shù)時(shí)，勵(lì)磁電流 If 與負(fù)載電流之間的關(guān)系。還有電阻性、電容性和電感性 3 種負(fù)載的情況。由于電樞反應(yīng)磁場(chǎng)影響的不同，三者的曲線也不一樣。在外特性中，從空載到額定負(fù)載時(shí)電壓的變化程度稱(chēng)為電壓變化率△U。所謂發(fā)電機(jī)的外特性，就是指勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)為常數(shù)的條件下，變更定子負(fù)荷電流時(shí)，端電壓U的變化曲線，即U=f(I)曲線。
在滯后的功率因數(shù)情況下cos(θ)，當(dāng)定子電流增加時(shí)，電壓降落較大，就是由于此時(shí)電樞反應(yīng)是去磁的。在超前的功率因數(shù)的情況下[cos(-θ)]，定子電流增加時(shí)，電壓反而升高，這是由于電樞反應(yīng)是助磁的。在cos(θ)=1，電壓降落較小。外特性可以用來(lái)分析發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的電壓波動(dòng)情況，借以提出對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置調(diào)節(jié)范圍的要求。
（3）調(diào)整特性
所謂發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性，系指電壓、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)為常數(shù)的條件下，變更定子負(fù)荷電流時(shí)，勵(lì)磁電流的變化曲線。特性曲線如圖6所示。不同功率因數(shù)下的調(diào)整特性可以看出，在滯后的功率因數(shù)情況下，負(fù)荷增加，勵(lì)增電流也必須增加。這是因?yàn)榇藭r(shí)去磁作用加強(qiáng)，要維持氣隙磁通；必須增加轉(zhuǎn)子磁勢(shì)。在超前的功率回?cái)?shù)下，負(fù)荷增加，勵(lì)磁電流一般還要降低。這是因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)有助磁作用的緣故。調(diào)整特性可以使運(yùn)行人員了解：在某一功率因數(shù)時(shí)，定子電流到多少而不使勵(lì)磁電流超過(guò)制造廠的規(guī)定值，并能維持額定電壓。利用這此曲線，可使電力系統(tǒng)無(wú)功功率更合理一些。
發(fā)電機(jī)電壓變化率約為 20～40％。一般工業(yè)和家用負(fù)載都要求電壓保持基本不變。為此， 隨著負(fù)載電流的增大，必須相應(yīng)地調(diào)整勵(lì)磁電流。有 3 種不同性質(zhì)負(fù)載下的調(diào)整特性。雖然調(diào)整特性的變化趨勢(shì)與外特性正好相反，對(duì)于感性和純電阻性負(fù)載，它是上升的，而在容性負(fù)載下， 一般是下降的。
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圖5 同步發(fā)電機(jī)的外特性曲線圖 |
圖6 發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性 |
總結(jié)：
值得注意的是，柴油發(fā)電機(jī)組配備的同步發(fā)電機(jī)通常具備自我保護(hù)能力，即在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，它可以自動(dòng)限制輸出電流，以避免過(guò)載。這種自我保護(hù)機(jī)制使得發(fā)電機(jī)能夠在有限的條件下安全地工作。綜上所述，交流發(fā)電機(jī)的三大工作特性分別是空載特性、輸出特性和外特性，它們各自反映了發(fā)電機(jī)在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，對(duì)于正確使用和維護(hù)發(fā)電機(jī)至關(guān)重要。
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