性能特點和作用說明

同步發電機原理、結構及種類劃分

 

摘要：同步電機除了用于電動機，主要用作發電機，它作為各種各種發電設備的交流電源，全世界的主要電源皆由同步發電機發出。其中，應用于企業后備電源設備，同步發電機是柴油發電機組的三大組成部分（發動機、交流發電機和控制系統）之一。因此，為了更好地了解發電機工作原理，學習并掌握同步發電機的特性曲線、電動勢產生原理等方面知識，以及發電機結構形式和類別區分方法至關重要。 

 

一、發電機工作原理

 

      圖1所示為同步發電機基本外形圖，圖2所示為同步發電機的構造原理圖。

1、基本原理

（1）電磁感應：

      同步發電機利用電磁感應的原理來產生電能。當發電機的轉子與定子相對旋轉時，會在定子的線圈中產生磁場，這個磁場會穿過線圈，導致線圈內的導體產生感應電流。

（2）動態磁場：

      發電機的轉子上通常有一組勵磁線圈，當這些線圈通過電流時，會在轉子上產生一個磁場。這個磁場與定子上的磁場相互作用，導致轉子相對定子旋轉。

（3）同步：

      當轉子旋轉并且頻率與電源頻率相匹配時，轉子上的勵磁磁場與定子的磁場同步。這個同步狀態允許電能從轉子傳輸到定子，產生輸出電能。

      總的來說，同步發電機的工作原理是利用電磁感應和磁場相互作用，將機械能轉化為電能。通過控制勵磁電流和轉子的旋轉速度，可以調節發電機的輸出電壓和頻率。

2、電動勢的產生原理

      通常三相同步發電機的定子是電樞，轉子是磁極，當轉子勵磁繞組通以直流電后，即建立恒定的磁場。轉子轉動時，定子導體由于與此磁場有相對運動而感應交流電動勢。電機具有p對磁極時，轉子旋轉一周，感應電動勢變化p次。設轉子每秒轉速為n，則轉子每秒旋轉n/60轉，因此感應電動勢每秒變化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；

n——發電機轉速。

      由此可見，當同步發電機的磁極對數p、轉速n一定時，發電機的交流電動勢的頻率是一定的。也就是說，同步發電機的特點是具有轉子轉速和交流電頻率之間保持嚴格不變的關系。在恒定頻率下，轉子轉速恒定而與負載大小無關，發電機轉子的轉速恒等于發電機空氣隙中（定子）旋轉磁場的轉速。同步發電機即由此得名。

      在我國的電力系統中，規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電機而言，其轉速總為一固定值。例如：磁極對數為1對（二極）的同步發電機的轉速為3000r/min；磁極對數為2對（四極）的同步發電機的轉速為1500r/min；依此類推，同步發電機的轉速還有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，拖動發電機轉子旋轉的原動機必須具有調速機構，使發電機在輸出不同的有功功率時都能維持轉速不變。

 

圖1  同步發電機外形圖

圖2  同步發電機構造原理圖

 

二、同步發電機的基本類型

 

      同步發電機可按發電機的結構形式、勵磁方式和相數等進行分類。

1、按發電機的結構形式來分類

      按發電機的結構特點進行區分，同步發電機可分為旋轉電樞式（簡稱轉樞式）和旋轉磁極式（簡稱轉磁式）兩種形式。

（1）旋轉磁極式發電機

      旋轉磁極式同步發電機的結構如圖3所示。其磁極是旋轉的，電樞是固定的，電樞繞組的感應電勢不通過集電環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。現代交流發電機常采用無刷結構的同步發電機，發電機省略了集電環和電刷，無滑動接觸部分，維護簡單，工作可靠性高。在旋轉磁極式同步發電機中，按磁極的形狀又可分為凸極式同步發電機和隱極式同步發電機兩種形式，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。這種轉子構造簡單、制造方便，故柴油發電機組一般都采用凸極式。

② 從圖3（b）可以看出，隱極式轉子的氣隙是均勻的，轉子成圓柱形。勵磁繞組分布在轉子表面的鐵芯槽中。

 表1    旋轉磁極式同步發電機的分類和特點

（2）旋轉電樞式發電機

      旋轉電樞式同步發電機的結構如圖4所示。其電樞是轉動的，磁極是固定的，電樞電勢通過集電環和電刷引出與外電路連接。旋轉電樞式只適用于小容量的同步發電機，因為采用電刷和集電環引出大電流比較困難，容易產生火花和磨損；電機定子內腔的空間限制了電機的容量；發電機的結構復雜，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電機的勵磁機使用旋轉電樞結構的同步發電機。

圖3  旋轉磁極式同步發電機模型

圖4  旋轉電樞式同步發電機模型

 

2、按發電機的相數來分類

      按相數來區分，同步發電機又可分為單相同步發電機和三相同步發電機。單相同步發電機的功率不大，通常不大于6kW；而三相同步發電機的功率可達幾千千瓦。

3、按勵磁方式來分類

      同步發電機可分為永磁發電機和勵磁發電機，永磁發電機與勵磁發電機的最大區別在于永磁機的勵磁磁場是由永磁體產生的。永磁體在電機中既是磁源，又是磁路的組成部分。本文以斯坦福發電機為例，外觀如圖5、圖6所示，主要講述永磁發電機的原理和特點。

      永磁式發電機是一種只有永磁體的發電機，也叫永磁同步發電機，它不需要外部電源來啟動，而是利用磁鐵和轉子上的永磁體之間的磁力作用，使轉子從停止狀態迅速旋轉起來，并產生電流。永磁式發電機由定子、轉子和定轉子之間的磁性材料（永磁體）組成。它的工作原理是，當定子產生交流電流時，定子線圈內的磁場隨之改變，隨即在轉子上產生磁場，使轉子產生轉動，從而實現發電功能。

（1）優點：

① 發電效率高，只要定子中的線圈被供電，就可以立即產生轉動力；

② 安裝維護簡單，因為發電機內部沒有滑動觸頭，所以維護保養成本比較低；

③ 轉子旋轉惰性小，可以很快響應負荷變化；

（2）缺點：

① 由于其內部結構比較復雜，成本比較高；

② 轉子的最大轉速受限于永磁體的抗震力，所以轉速較低；

③ 轉子的轉動方向受限于定子線圈方向，不能自由改變。

 

圖5  斯坦福同步發電機后側視角模型圖

圖6  斯坦福同步發電機前側視角模型圖

 

三、發電機特性試驗與曲線

 

1、空載特性

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

（1）空載試驗：在空載的情況下，原動機把發電機拖動到同步轉速，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，記取對應的電壓U?和勵磁電流I_f值。因為電機有剩磁，當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，若此值超過常規數值，即可能是定子鐵芯有片間短路或轉子繞組有匝間短路。

（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  同步發電機的空載特性曲線

圖8  同步發電機實用空載特性曲線

 

2、短路特性

      短路特性指同步發電機保持額定轉速下，定子三相繞組的出線端持續穩態短路時，定子相電流I（即穩態短路電流）與勵磁電流I_f的關系，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，維持額定轉速不變，調節勵磁電流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電機的內部阻抗。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，它所產生的氣隙磁通也就很小，故磁路處于不飽和狀態，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，且發電機的靜態穩定極限就越高。4

3、調整特性

      調整特性是指發電機保持額定轉速不變，端電壓和負載的功率因數恒定時，勵磁電流I_f與負載電流I的關系，即n=n_N，U=常數，cos =常數時，I_f=f（I）。對應于不同的負載功率因數有不同的調整特性，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生的電樞反應去磁作用，保持發電機端電壓U不變，必須隨負載電流I的增大相應地增大勵增電流I_f。因此圖中調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，為了抵消電樞反應的助磁作用，保持發電機端電壓不變，必須隨負載電流的增加相應地減少勵磁電流。因此圖中調整特性曲線是下降的，如10圖中cos（-）=0.8的曲線所示。

 

圖9  同步發電機短路特性曲線

圖10  同步發電機的調整特性曲線

 

4、外特性

      外特性指發電機在保持額定轉速不變，額定勵磁電流If和負載的功率因數不變時，發電機端電壓U與負載電流I的關系曲線，即n=n_N，I_f=常數，功率因數=常數時，U=f（I）。對應于不同的負載功率因數有不同的外特性，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  同步發電機基本外特性曲線

圖12  同步發電機負載特性曲線

 

總結：

      綜上所述，除了要了解發電機的工作原理，其特性也是非常重要的。在生產實踐中，空載特性，僅用來判定空載勵磁電壓和電流與設計說明書是否相符；短路特性和空載特性并用，從而求得發電機的一些重要參數；外特性和調整特性，則反應出定子電壓、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電機組的穩定。

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