柴油发电机的工作原理Word格式文档下载.docx
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同步发电机的工作原理
同步发电机是根据电磁感应原理制造的。
主要组成部分如图1。
现代交流发电机通常由两部分线圈构成;
为了提高磁场的强度,一部分线圈绕在一个导磁性能良好的金属片叠成的圆筒内壁的凹槽内,这个圆筒固定在机座上称为定子。
定子内的线圈可输出感应电动势和感应电流,所以又称其为电枢。
发电机的另一部分线圈则绕在定子圆筒内的一导磁率强的金属片叠成的圆柱体的凹槽内,称为转子。
一根轴穿过转子中心并将其紧固在一起,轴两端与机座构成轴承支撑。
转子与定子内壁之间保持小而均匀的间隙且可灵活转动。
这叫做旋转磁场式结构的无刷同步发电机。
工作时,转子线圈通以直流电形成直流恒定磁场,在柴油机的带动下转子快速旋转,恒定磁场也随之旋转,定子的线圈被磁场磁力线切割产生感应电动势,发电机就发出电来。
图1双轴承发电机剖视图
转子及其恒定磁场被柴油机带动快速旋转时,在转子与定子之间小而均匀的间隙中形成一个旋转的磁场,称为转子磁场或主磁场。
平常工作时发电机的定子线圈即电枢都接有负载,定子线圈被磁场磁力线切割后产生的感应电动势通过负载形成感应电流,此电流流过定子线圈也会在间隙中产生一个磁场,称为定子磁场或电枢磁场。
这样在转子、定子之间小而均匀的间隙中出现了转子磁场和定子磁场,这两个磁场相互作用构成一个合成磁场。
发电机就是由合成磁场的磁力线切割定子线圈而发电的。
由于定子磁场是由转子磁场引起的,且它们之间总是保持着一先一后并且同速的同步关系,所以称这种发电机为同步发电机。
同步发电机在机械结构和电器性能上都具有许多优点。
同步发电机的调控
同步发电机在其额定负载范围内允许带各种用电负荷。
这些负荷的输入特性会直接影响发电机的输出电压;
当负载为纯电阻性时,因为同步发电机的定子端电压——电枢端电压与负载电流是同相的,所以使得转子磁场的前一半被定子磁场削弱,而后一半又被定子磁场加强,一周内合成磁场平均值不变,发电机输出电压不变。
负载呈现为纯电感性时,则因负载电流滞后电枢端电压90°
而使得定子磁场削弱了转子磁场,合成磁场降低,造成发电机输出电压下降。
若负载是纯电容性的,负载电流就会超前电枢端电压90°
从而使定子磁场加强了转子磁场,合成磁场增大,发电机输出电压上升。
可见;
合成磁场是使发电机性能变化的一个重要因素。
而合成磁场中起主要作用的是转子磁场即主磁场,因此,调控转子磁场就可以调节同步发电机的输出电压改善其带负载能力,从而达到在额定负荷范围内稳住发电机输出电压的目的。
同步发电机转子的励磁
所谓励磁即是向同步发电机转子提供直流电使其产生直流电磁场的过程。
同步发电机转子凹槽内的线圈就是由称做励磁机的一个专门的设备为其供以直流电形成直流磁场的。
早期的发电机是采用单独的励磁机给转子线圈提供直流电的,系统庞大而复杂。
随着技术的进步,现代同步发电机都是将发电机与励磁机组装在一起构成一个完整的发电机。
励磁机其实就是个小发电机,它的工作原理与同步发电机一样。
所不同的是它的定子线圈和转子线圈所起的作用与同步发电机——主发电机正好相反;
固定在主发电机定子旁的励磁机的定子线圈通以直流电形成直流磁场,而安装在主发电机转子轴上的励磁机的转子线圈成为输出电动势的电枢。
励磁机的转子与定子内壁之间也是保持着小而均匀的间隙。
这也称为旋转电枢式结构的无刷同步发电机。
安装在主发电机定子旁的励磁机定子线圈的直流电,是由主发电机定子线圈即电枢的部分输出电压经整流后而得到的。
与主发电机转子同轴安装的励磁机转子线圈在其定子线圈产生的磁场内旋转、切割磁力线所产生的感应电动势,经同轴安装在它旁边的整流器也就是旋转整流器变成直流电流,输到主发电机的转子线圈使其产生直流转子磁场。
从而达到了对主发电机转子线圈励磁的要求。
同步发电机输出电压的调控
调控的目的就是实现在同步发电机额定负荷范围内稳住输出电压。
调控技术的理念是实时地从主发电机电枢取得电压和电流,经整流和负反馈调理后供给励磁机的定子线圈,使其产生变化规律与主发电机输出电压变化规律相反的直流电磁场,这个磁场也必然使励磁机转子电枢的输出电压及旋转整流器供给主发电机转子线圈的直流电流按同样的规律而变化。
从而起到实时调节主发电机转子磁场大小,使主发电机在额定负荷范围内保持良好输出特性的作用。
对发电机输出电压的调节过程,可以用以下的流程表示;
由于负荷增加使主发电机电枢电压↓（降）→经负反馈调理后励磁机定子电流及磁场↑→励磁机转子电枢输出电压↑→旋转整流器输出电流↑→主发电机转子磁场↑→使主发电机电枢电压↑
若主发电机电压升高,则其反馈调控使以上各环节作用降低,导致电压回到额定值。
可见通过励磁机实时调控主发电机转子磁场的大小,就可以稳住输出电压。
这其中起重要作用的是负反馈调节单元,通常称其为恒压励磁装置和自动电压调节器。
自动电压调节器
现代交流同步发电机常用自动电压调节器AVR这种电子部件调节励磁机定子磁场的强弱。
虽然AVR的种类很多,但性能大同小异;
都是实时采样主发电机的输出电压值与预先设定的值相比较,用比较的结果去调节脉冲宽度调制器PWM;
输出电压值高则调制器输出脉冲宽度窄,反之则宽。
然后再用这些脉冲去调控大功率开关器件即三极管或场效应管控制送入励磁机定子线圈的电流的时间。
从而使它的磁场强弱随着主发电机输出电压的变化而相反变化;
即输出电压升高则励磁机定子磁场减小,输出电压降低励磁机定子磁场增强。
从而达到负反馈调控的目的。
图2自动电压调节器电路原理方框图
图2是常用的一种AVR类型。
取样自主发电机输出电压的信号从8、9两端输入到电压测量比较单元,与内部预先设定的电压值（例如380V）相比较。
比较结果以输出电压UA送入脉冲宽度调制单元PWM,输出电压UC送入低频保护单元。
电压测量比较单元的L、S、H是连接主发电机输出电压幅值调节电位器的三个端子。
脉冲宽度调制器由稳压器输出的直流电压UCC作为工作电源,以确保其性能稳定。
它的输出电压UB控制调制管VT3。
若由电压测量比较单元送来的UA大,表明主发电机输出电压升高,则大的UA就会使脉冲宽度调制器输出的脉冲UB的宽度变窄。
窄的脉冲就会使VT3导通时间短,通过的电流少。
反之,主发电机电压降低UA变小,脉冲宽度调制器输出的脉冲UB的宽度随之变宽,从而使VT3导通时间变长,通过的电流增多。
励磁机定子线圈一端接在端子X1上,另一端接在XX1端子上。
由主发电机电枢送来的EA、EB、Ec三相电压,经过三个二极管VD10、VD11、VD12整流后,电流从X1端流入励磁机的定子线圈,由XX1流出,再经过调制管VT3和XN端子流回主发电机电枢,形成励磁机定子线圈的励磁电流通路。
VT3是这个通路上的开关,它导通时间长,则定子线圈流过电流时间长,定子磁场强度大；
VT3导通时间短,定子线圈电流少,定子磁场强度小。
AVR就是这样调控主发电机的电压的;
主发电机由于负荷原因输出电压升高,电压测量比较单元输出的UA随着升高,受UA控制的脉宽调制器输出脉冲UB宽度变窄,开关管VT3导通时间短,励磁机定子磁场减弱,转子电枢电压及旋转整流器输出电流随之减小,导致供给主发电机转子的励磁电流变小,则主发电机因其转子磁场的减小而使输出电压降低。
反之,AVR的负反馈调控功能就会使主发电机的输出电压升高。
在主发电机因负荷超出额定值而输出极大电流时,柴油发动机也需随之输出巨大的动力以致导致其转速低于额定值。
低频保护单元的作用就是在这种情况下限制励磁机定子线圈里电流的超额增大。
它以电阻和电容构成的充放电支路预先设定一个低频保护点,当主发电机负荷正常时,从电压测量单元来的UC小于低频保护点,则低频保护单元输出的电压Ud高,二极管VD8被截止,Ud到不了脉宽调制器,起不了作用。
若主发电机超载则Ud变低,VD8导通,Ud和UA就可同时作用于脉宽调制器,使其输出的脉冲UB随Ud的下降而变窄,调制管VT3导通时间随之变短,励磁电流减小励磁机定子磁场变弱,从而导致主发电机转子磁场减小。
发电机输出电压下降、电流减小。
低频保护单元起到了保护励磁机和主发电机的作用。
同步发电机的维护
同步发电机是柴油发电机组的关键部分。
为柴油发电机组建立一个合适的工作环境,做好日常维护是十分必要的。
发电机房内的高温、潮湿和空气污染物是引起发电机故障的最常见因素。
粉尘、灰尘和其它空气污染物的积累会引起绝缘层的性能变坏,不仅易形成对地的导电通路,还会使转子轴承部分的摩擦力增大而发热。
湿气以及空气污染物中的湿气极易在发电机内形成对地的漏电通路,引起发电机故障。
机房内温度过高会使发电机组工作时产生的热量难以散出,造成其输出功率下降、机组过热。
所以机房的防尘、防潮湿、通风降温就必须引起足够的重视。
无论是单轴承发电机还是双轴承发电机,它们的转子轴与柴油发动机主轴之间连接的同轴度要求很高。
长时期运行后的机组有时同轴度可能降低,导致发电机燥声增大,温度过高。
应定期检查、维护以保持同轴度良好。
负荷超出发电机的额定负载范围,或三相负荷很不平衡,也会造成发电机效率降低和过热。
柴油发电机十万个为什么（1—10）
∙本文的内容有：
∙1.什么是"
同步"
发电机？
同步转速是如何确定？
∙2.什么是发电机的飞轮力矩？
它在电气上有什么意义？
∙3.什么是发电机的短路比Kc？
Kc与发电机结构有什么关系？
∙4.什么是发电机的直轴瞬变电抗Xd′？
与发电机结构有什么关系？
∙5.什么是发电机的直轴超瞬变电抗Xd〃？
与发电机结构有什么关系Xd〃的大小对系统有什么影响？
∙6.阻尼绕组的作用是什么？
∙7.3Y接线是什么含义？
发电机为何多采用星形接线？
∙8.什么是励磁绕组？
什么是电枢绕组？
∙9.什么是叠绕组？
有何特点？
什么是波绕组？
∙10.什么是每极每相槽数g？
什么是整数槽绕组？
什么是分槽绕组？
1.什么是"
答:
发电机是发电厂的心脏设备，发电机按其驱动的动力大致可分为水轮发电机（水力）和汽轮发电机（蒸汽）。
本文所涉及的内容均是指同步发电机（限于立式水轮发电机）。
发电机在正常运行时，在发电机定转子气隙间有一个旋转的合成磁场，这个磁场由两个磁场合成:
转子磁场和定子磁场。
所谓"
发电机，就是指发电机转子磁场的转速（原动机产生）与定子磁场的转速（电力系统频率决定）相等。
转子磁场由旋转的通有直流电的转子绕组（磁极）产生，转子磁场的转速也就是转子的转速，也即整个机组的转速。
转子由原动机驱动，转速由机组调速器进行调节，这个转速在发电机的铭牌上都有明确标示。
定子旋转磁场由通过三相对称电流的定子三相绕组（按120°
对称布置）产生，其转速由式确定（式中:
p为转子磁极对数;
f为电力系统频率;
n为机组转速）。
从式中可见，对某一具体的发电机，其磁极对数是固定不变的，而我国电力系统的频率也是固定的，即50Hz（也称工频），可见每一具体的发电机的定子旋转磁场的转速在发电机制造完成后就是"
定值"
。
当然，电力系统的频率并不能真正稳定在50Hz的理论值，而是允许在这个值的上下有微小的波动，也即定子磁场在运行中实际是在额定转速值的周围动态变化的。
转子磁场为了与定子磁场同步也要适应这个变化，也即机组的转速作动态的调整。
如果转速不能与定子磁场保持一致，则我们说该发电机"
失步"
了。
2.什么是发电机的飞轮力矩？
发电机飞轮力矩，是发电机转动部分的重量与其惯性直径平方的乘积。
看起来它是一个与电气参数无关的量，其实不然，它对电力系统的暂态过程和动态稳定影响很大。
它直接影响到在各种工况下突然甩负荷时机组的速率上升及输水系统的压力上升，它首先应满足输水系统调节保证计算的要求。
当电力系统发生故障，机组负荷突变时，因调速机构的时滞，使机组转速升高，为限制转速，机组需一定量的飞轮力矩，越大，机组转速变化率越小，电力系统的稳定性就越好。
与机组造价密切相关，飞轮力矩越大，机组重量越大，制造成本越大。
3.什么是发电机的短路比Kc？
短路比Kc，是表征发电机静态稳定度的一个重要参数。
Kc原来的意义是对应于空载额定电压的励磁电流下三相稳态短路时的短路电流与额定电流之比，即Kc=Iko/IN。
由于短路特性是一条直线，故Kc可表达为发电机空载额定电压时的励磁电流Ifo与三相稳态短路电流为额定值时的励磁电流Ifk之比，表达式为:
Kc=Ifo/Ifk≈1/Xd。
Xd是发电机运行中三相突然短路稳定时所表现出的电抗，即发电机直轴同步电抗（不饱和值）。
如忽略磁饱和的影响，则短路比与直轴同步电抗Xd互为倒数。
短路比小，说明同步电抗大，相应短路时短路电流小，但是运行中负载变化时发电机的电压变化较大且并联运行时发电机的稳定度较差，即发电机的过载能力小，电压变化率大，影响电力系统的静态稳定和充电容量。
短路比大，则发电机过载能力大，负载电流引起的端电压变化较小，可提高发电机在系统运行中的静态稳定性。
但Kc大使发电机励磁电流增大，转子用铜量增大，使制造成本增加。
短路比主要根据电厂输电距离，负荷变化情况等因数提出，一般水轮发电机的K，取0。
9～1。
3。
结构上，短路比近似的等于
可见，要使Kc增大，须减小A，即增大机组尺寸;
或加大气隙，须增加转子绕组安匝数。
4.什么是发电机的直轴瞬变电抗Xd′？
Xd′是代表发电机运行中三相突然短路初始时间（阻尼绕组的电流衰减后）的过渡电抗。
直轴瞬变电抗是发电机额定转速运行时，定子绕组直轴总磁链产生的电压中的交流基波分量在突变时的初始值与同时变化的直轴交流基波电流之比。
它也是发电机和整个电力系统的重要参数，对发电机的动态稳定极限及突然加负荷时的瞬态电压变化率有很大影响。
Xd′越小，动态稳定极限越大，瞬态电压变化率越小;
但Xd′越小，定子铁芯要增大，从而使发电机体积增大，成本增加。
Xd′的值主要由定子绕组和励磁绕组的漏抗值决定。
结构上，Xd′与电负荷A，极距τ有如下关系:
k为比例系数。
可见，要降低Xd′，必须减小A或加大τ，都将使发电机尺寸增大。
5.什么是发电机的直轴超瞬变电抗Xd〃？
Xd〃是代表发电机运行中三相突然短路最初一瞬问的过渡电抗。
发电机突然短路时，转子励磁绕组和阻尼绕组为保持磁链不变，感应出对电枢反应磁通起去磁作用的电流，将电枢反应磁通挤到励磁绕组和阻尼绕组的漏磁通的路径上，这个路径的磁阻很大即磁导很小，故其相对应的直轴电抗也很小，这个等效电抗称为直轴超瞬变电抗Xd〃，也即有阻尼绕组的发电机突然短路时，定子电流的周期分量由Xd〃来限制。
结构上，Xd〃主要由发电机定子绕组和阻尼绕组的漏抗值决定。
对于无阻尼绕组的发电机，则Xd〃=Xd′。
由于Xd〃的大小影响电力系统突然短路时短路电流的大小，故Xd〃值的大小也影响到系统中高压输变电设备特别是高压断路器的选择，如动稳定电流等参数。
从电气设备选择来说，希望Xd〃大些，这样短路电流小一些。
6.阻尼绕组的作用是什么？
水轮发电机转子设计有交，直轴阻尼绕组。
阻尼绕组在结构上相当于在转子励磁绕组外叠加的一个短路鼠笼环，其作用也相当于一个随转子同步转动的"
鼠笼异步电机"
，对发电机的动态稳定起调节作用。
发电机正常运行时，由于定转子磁场是同步旋转的，因此阻尼绕组没有切割磁通因而也没有感应电流。
当发电机出现扰动使转子转速低于定子磁场的转速时，阻尼绕组切割定子磁通产生感应电流，感应电流在阻尼绕组上产生的力矩使转子加速，二者转速差距越大，则此力矩越大，加速效应越强。
反之，当转子转速高于定子磁场转速时，此力矩方向相反，是使转子减速的。
因此，阻尼绕组对发电机运行的动态稳定有良好的调节作用。
7.3Y接线是什么含义？
在发电机铭牌或图纸中，我们常见到发电机定子绕组的接线方式表示为Y，3Y，5Y等。
这表示发电机是按星形方式接线。
Y3表示发电机定子绕组是3路星形并联，也可以理解为3个星形接线的发电机并联在一起。
由于发电机的磁通内有较强的3次谐波，如果发电机接成△线，则3次谐波会在△内形成回路，造成附加的损耗和发热。
此，发电机定子绕组一般接成Y形，使3次谐波不能形成回路。
8.什么是励磁绕组？
在电机的定，转子绕组中，将空载时产生气隙磁场的绕称为励磁绕组（或激磁绕组）;
将另一产生功率转换（吸收或出有功功率）的绕组称为电枢绕组。
可见，水轮发电机的励磁组就是转子绕组，而定子绕组则是电枢绕组。
异步电动机的励绕组是定子绕组，而基本处于短路状态下的转子绕组则是电枢组。
9.什么是叠绕组？
叠绕组是任何两个相邻的线圈都是后一个线圈叠在前一线圈的上面。
在制造上，这种绕组的一个线圈多为一次制造成，这种形式的线圈也称为框式绕组。
这种绕组的优点是短矩时节省端部用铜，也便于得到较多的并联支路。
其缺点是端部的接线较长，在多极的大电机中这些连接线较多，不便布置且用量也很大，故多用于中小型电机。
波绕组是任何两个串联线圈沿绕制方向象波浪似的前进。
在造上，这种绕组的一个线圈多由两根条式线棒组合而成，故也为棒形绕组。
其优点是线圈组之间的连接线少，故多用于大型轮发电机。
在现场，波绕组的元件直接称呼为"
线棒"
本文述中，多以"
代替"
线圈"
10.什么是每极每相槽数g？
对某一具体的发电机，发电机定子的槽数和转子的磁极数都已确定。
其中有一个重要的概念是每极每相槽数q。
发电绕组由A，B，C三相组成，则每一相在定子中所占的槽数是等的，各1/3;
对应于转子的每个磁极，各相在每个磁极下对应所占的定子槽数也是相等的。
每极每相槽数q，即在每个磁极下，每一相应该占有的槽数。
式中Z——定子总槽数;
2p——磁极个数;
m——相数。
由公式可见，q值很容易求得。
当q为整数时，则称绕组为整数槽绕组;
q为分数时，则称绕组为分数槽绕组。
如q=3，则表示一个磁极下，A，B，C三相在定子槽中各占有三槽。
如表示一个磁极下，A，B，c三相在定子槽中各占有槽，也即分数槽。
可是，一个定子槽是不可能劈开为分数的。
也即11/4，这就表示，每4个磁极下，A，B，c三相在定子槽中各占有1l槽，各相磁极下对应的总的槽数还是相等。
11。
什么是分数槽绕组的循环数（或轮换数）？
它是如何组成和确定的？
在发电机定子绕组图纸的参数中，我们可以看到绕组循环数或轮换数，如某发电机定子为792槽，每极每相槽数其绕组循环数为3233，这个数就是分数槽绕组的轮换数，它与每极每相槽数是密切相关的，它表示定子三相绕组的排列中各相对应布置的定子槽数。
上述的3233，其4位数字相加:
3+2+3+3=11;
ll为定子槽数，"
位数"
4表示4个磁极，显然两数分别为每极每相槽数q=11/4的分子和分母。
它表示定子的所有槽数排列顺序为:
按A相3槽，B相2槽，C相3槽，A相3槽（注意已排了一轮），B相3槽，C相2槽，A相3槽，B相3槽（注意已排了两轮）……，如此一直将所有的定子槽数排完。
即按3233的顺序将定子的全部槽数均分为三等分，如该发电机共有792槽，则以3233这个顺序数排72轮（72×
1l=792），就将全部定子槽数排完了，每相占有264槽。
同为11/4，循环数当然也可排为2333或3332。
之所以选3233，是根据各种排列在方块图上排列显示后，以其连线最省的原则确定的。
也即绕组线棒之间的连接方式，以选用端部接头最少的波绕方式为佳，绕组端部接线的设计应使极问连接线的数量最少。
为节省篇幅，本文只标出一个支路的连接，中间部分槽省略。
12。
什么是波绕组的合成节矩？
合成节矩中的数值各代表什么意义？
合成节矩是用来表征波绕组连接规律的参数。
它表明波绕组将各个线圈串接成完整绕组沿绕制方向前进的槽数，为相邻两线圈的对应边相隔的槽数。
如在发电机定子绕组图纸上，我们看到绕组参数栏内标有类似1-7—14这样的参数，这个参数就是绕组的合成节矩。
合成节矩Y=y1+y2;
其中节矩y1，表明一个定子线圈的一根线棒在N极下而另一根线棒处在s极下，两端相隔的定子槽数，1-7表示这个线圈一端在第1槽而另一端在第7槽，y1=6:
节矩y2，表示该线圈从第7槽出来后下一个相连的线圈槽号是第14槽，y2=7，则合成节矩Y=13。
13。
分数槽绕组有何优缺点？
大型水轮发电机多采用分数槽绕组，其优点有:
∙①能削弱磁极磁场非正弦分布所产生的高次谐波电势;
∙②能有效地削弱齿谐波电势的幅值，改善电动势的波形;
∙③减小了因气
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