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论文同步发电机的工作原理

同步发电机的工作原理调控及维护

2008-11-2711:

20:

21 作者：

张振毅 来源：

UPS应用 访问：

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航天科技集团公司710所     张振毅

    柴油发电机组是常用的备用电源,由于它以柴油发动机燃烧柴油为动力,带动发电机发出与市电同样性质的电力,所以用在市电断电后需要后备电源供电几小时以上的场合。

从性能价格比、对工作环境的要求、带非线性负载能力方面考虑,采用柴油发电机组比使用很多大容量蓄电池的长延时UPS往往具有一定的优势。

但是柴油发电机组在市电断电后需要十秒钟左右才能发出稳定的电力,这就大不如UPS可不间断供电的特点。

因此,柴油发电机组和UPS通常是取其各自的优势构成一个完善的、可靠的电源系统,以确保重要设备的不间断供电。

    柴油发电机组一般是采用同步发电机（也俗称电球）将柴油发动机的旋转机械能转为电能。

各种用电设备要依靠它发出的电力工作,因此对同步发电机的工作性能要求是很高的。

1   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。

1—前端盖;2—出风盖板；3—轴承；4—定子；5—端子箱侧板；6—电压调节器；7—调节器支架；8—端子箱顶盖；9—端子箱前后板；10—接线板;11—接线板支架；12—端子箱侧板；13—吊攀；14—轴承盖；15—进风盖板；16—后端盖；17—励磁定子；18—励磁定子固定螺栓；19—轴承；20—旋转整流器；21—励磁电枢；22—接地牌；23—转子；24—风扇；25—永磁机机壳；26—永磁机转轴；27—永磁机转子；28—永磁机定子；29—永磁机定子固定螺栓；30—永磁机转子固定螺栓；31—垫圈；32—永磁机盖板

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。

2   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。

（1）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。

（2）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。

（3）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。

3   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。

■

三相同步发电机由原动机拖动直流励磁的同步发电机转子，以转速n（rpm）旋转，根据电磁应原理，三相定子绕阻便感应交流电势。

定子绕阻若接入用电负载，电机就有交流电能输出。

若认为磁路不饱和，则电枢磁势与磁极磁势各自产生相应的磁通，并在定子绕阻内感因电势。

对于极电机，电枢磁势所感应的电势可以表示为Ea=-jIaXa.Xa被称为电枢反应电抗。

Xa+Xσ=Xs隐极同步发电机的同步电抗。

对于凸极电机，因直轴.交轴处磁阻不同，可将电枢磁势分解成Fad和Faq分别研究。

它们所感应的电势分别写成Ead=-jIdXad和Eaq=-jIqXaq，式中Xad.Xaq分别是直轴及交轴电枢反应电抗。

Xad+Xσ=Xd.Xaq+Xσ=Xq,Xd和Xq分别为直轴同步电抗和交交轴同步电抗。

Xσ为漏磁通引起的电抗。

同步电抗是决定同步电机性能的一个重要参数，通个开路实验和稳态实验就可求取。

同步发电机的空载特性是一个很重要的特性，它直接影响着电机的其它特性，通个开路实验还可以发现励磁系统的故障。

态短路特性和零功率因数特性也都属于同步电机的重要特性，和空载特性配合，可以求出同步发电机的态参数及确定出补偿电枢的励磁电流。

同步发电机的外特性曲线用来求取电机运行时的重要指标之一及电压调整率。

同步发电机的调整特性可使运行人员知道在功率因数一定时，不改变端电压值.负载电流到多小而不使励磁电流超过规定值。

国家标准"GB1029"对三相同步电机的实验方法作了具体规定，适用于普通三相同步发电机的型式实验或检查实验。

通过实验可以确定该电机各性能指标。

各种电机的效率和电压调整率均在部颁标准的相应技术条件中有具体规定，将实验结果与标准规定数据比较即可确定某同步发电机的质量和性能了。

若求取额定励磁电流和电压变化率，一般用做图法，跟国家标准GB1029介绍，其具体步骤如下：

（1）如图1上绘制开路特性曲线，并沿纵轴额定相电压相量UN.

（2）自原点O作额定电枢电流相量IN，与纵轴成ΦN角（cosΦN为额定功率因数）。

（3）从相量UN终端作出电枢绕组电阻压降INRa平行与相量，IN,Ra为基准工作温度时的绕组电阻（对大型电机的Ra可忽略不计，对小型电机可进可行实际测量），从INRa终端作一垂直于相量IN的保梯电抗压降相

量INXp（Xp的保梯电抗压降相量INXp（Xp的求法见下（5），UN和INRa及

和INRa及INXp的相量和为相量Ep,Ep和UN的夹角δ。

（4）由开路特性确定的对应于Ep的励磁电流为Ifp在相量终端上与纵

与纵轴成δ+ΦN角做相量Ifa

（5）额定电枢电流时电枢反应的励磁电流Ifa和保梯电抗Xp的确定：

如右下图上的开路特性曲线，并在图上作F点，F点的纵坐标为额定电压，横坐标为零功率因数特性上对应于于额定电枢电压.额定电枢电流的励磁电流通过通过F点作平行于横轴的直线CF，取CF的长度等于三相稳态短特性曲线上对应于额定枢电流的励磁电流Ifk，自点C作直线平行于开路特性的直线部分于开路特性交于H，自CF作的垂线HK交CF于K，线段

HK的长度即为额定电枢电流时在保梯电流电抗Xp上的压降△Up，则保梯

电抗Xp，可按下式计算。

Xp＝△Up／IN

若用标么值绘制开路特性曲线时,则,即可直接得出.线段的长度代表对应于时的励磁电流.

　（6）与的向量和即为额定励磁电流。

（7）由开路特性曲线求出对应与开路电压。

电压变化率按下式机算

△U=（U0-UN）/UN*100

注：

实验室里为教学实验用的同步电机通常是小型的。

 <一>发电机概述

   发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。

发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。

   发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。

因此，其构造的一般原则是：

用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。

   发电机已实施出口产品质量许可制度，未取得出口质量许可证的产品不准出口。

   <二>发电机的分类可归纳如下：

   发电机分：

直流发电机和交流发电机

   交流发电机分：

同步发电机和异步发电机（很少采用）

   交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。

   <三>发电机结构及工作原理

   发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。

   定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。

   转子由转子铁芯（或磁极、磁扼）绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。

   由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。

   柴油发电机工作原理

   柴油机驱动发电机运转，将柴油的能量转化为电能。

   在柴油机汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油充分混合，在活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。

柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为‘作功’。

各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。

   将无刷同步交流发电机与柴油机曲轴同轴安装，就可以利用柴油机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。

   这里只描述发电机组最基本的工作原理。

要想得到可使用的、稳定的电力输出，还需要一系列的柴油机和发电机控制、保护器件和回路。

详细请进>>>汽油发电机原理

   汽油机驱动发电机运转，将汽油的能量转化为电能。

在汽油机汽缸内，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行作功。

各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。

将无刷同步交流发电机与汽油机曲轴同轴安装，就可以利用汽油机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。

一、同步发电机工作原理

·主磁场的建立：

励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。

·载流导体：

三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。

·切割运动：

原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

·交变电势的产生：

由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。

通过引出线，即可提供交流电源。

·感应电势有效值：

由第11章可知，每相感应电势的有效值为

·感应电势频率：

感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p，即

·交变性与对称性：

由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。

二、同步发电机工作原理动画展示

没得！

三、同步发电机结构模型

·同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。

一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。

·图15.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。

这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。

·转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转子磁场）。

·气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。

·除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。

图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。

四、同步发电机同步转速

·同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。

我国电网的频率为50Hz，故有：

·要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。

例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。

只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。

五、同步发电机运行方式

·同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。

作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。

同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。

近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。

同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。

这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。