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摘要：发电机多数由柴油机驱动，电机磁极数由4极到60极，甚至更多。对应的转速为1500 r/min时（50 Hz系统，4极电机），一般都采用对材料和制造工艺要求较低的凸极式转子。凸极式转子的每个磁极常由1～2毫米厚的钢板叠成，用铆钉装成整体，磁极上套有励磁绕组，通常用扁铜线绕制而成。磁极的极靴上还常装有阻尼绕组，由极靴阻尼槽中的裸铜条和焊在两端的铜环形成短接回路。磁极固定在由铸钢铸成的转子磁轭上。凸极式转子可分为卧式和立式两类。本文系统阐述发电机的凸极式转子结构特点、与柴油机的耦合方式以及同步发电机的并联运行技术，为柴油发电机组的选型、安装与运行提供技术参考。

 

一、发电机的结构

 

卧式同步电机的转子主要由主磁极、磁轭、励磁绕组、集电环和转轴等组成，其定子结构与异步电机相似。立式结构必须用推力轴承承担机组转动部分的重力和水向下的压力。在大容量柴油发电机中，此力可高达四五十兆牛（约相当于四五千吨物体的重力），所以这种推力轴承的结构复杂，加工工艺和安装要求都很高。

按照推力轴承的安放位置，立式柴油发电机分为悬吊式和伞式两种：

（1）悬吊式：推力轴承放在上机架的上部或中部，在转速较高、转子直径与铁心长度的比值较小时，机械上运行较稳定。

（2）伞式：推力轴承放在转子下部的下机架上或柴油机顶盖上。负重机架是尺寸较小的下机架，可节约大量钢材，并能降低从机座基础算起的发电机和厂房高度。

双凸极结构发电机：采用双凸极结构的发电机，定子和转子上均设有凸极齿，但定转子上的凸极齿个数不相等。其电路如图1所示，结构如图2所示。定子齿上绕有集中式绕组线圈，形成多相对称绕组结构。线圈为双层圈边，即每个定子槽中放置属于不同线圈的两个圈边，绕组所有线圈保持相同的绕向——通入同向电流后，所有定子极的磁链极性相同。电机每相绕组的自感和互感都会随转子位置改变而发生周期性变化，即电机可以同时依靠自感和互感变化产生的磁阻转矩工作。该互感耦合型开关磁阻电机可以提高电机的材料利用率，有效抑制电机转矩脉动，控制方式也更加灵活多样。

1. 凸极式转子的磁极与绕组结构

（1）磁极铁芯：每个磁极由1～2 mm厚的钢板冲制后叠压而成，用铆钉装成整体。采用叠片结构的主要目的是减小磁极表面的涡流损耗，降低磁极发热。磁极极靴的形状设计直接影响气隙磁场的分布和电压波形的正弦性。

（2）励磁绕组：磁极上套有励磁绕组，通常用扁铜线绕制而成，匝间用绝缘材料隔离。励磁绕组通电后产生主磁通，其安匝数决定了发电机输出电压的大小。励磁绕组两端分别连接至集电环（滑环），通过电刷引入直流励磁电流。

（3）阻尼绕组：磁极的极靴上还常装有阻尼绕组，由极靴阻尼槽中的裸铜条和焊在两端的铜环形成短接回路。阻尼绕组的作用包括：在发电机并网或负载突变时，抑制转子振荡，增强动态稳定性；在不对称负载运行时，削弱负序磁场的影响；在自同步并列时，帮助发电机快速牵入同步。阻尼绕组相当于在转子上增加了“鼠笼”效应，是凸极同步发电机的重要结构特征。

（4）磁轭与转轴：磁极固定在由铸钢铸成的转子磁轭上，磁轭既是磁路的一部分（提供磁通路径），又是传递转矩的机械部件。转轴贯穿磁轭中心，将柴油机的机械转矩传递给转子，同时承受转子自重和电磁转矩。

（5）集电环（滑环）：集电环安装在转轴的一端，由两个彼此绝缘的铜环组成，分别连接励磁绕组的两端。电刷固定在端盖上，与集电环滑动接触，将静止的直流电源引入旋转的励磁绕组。集电环表面应保持光洁，电刷压力适中，以防止火花和环火。

2. 定子结构特点

凸极发电机的定子与异步电机定子结构相似，由机座、定子铁芯和定子绕组组成。定子铁芯由硅钢片叠压而成，内圆均匀分布有定子槽，槽内嵌放三相对称绕组。定子绕组通常采用双层叠绕组或波绕组，以改善电动势波形和削弱谐波。定子机座除支撑铁芯外，还承担通风散热和固定端盖的功能。

3. 通风冷却系统

（1）开放式通风：利用机组自身风扇将外部冷空气吸入机内，流经定子、转子表面和绕组端部后排出。适用于中小型发电机和清洁环境。

（2）封闭式循环通风：机壳内部空气在封闭回路中循环，通过外部水-空冷却器将热量带走。适用于多尘、潮湿或有腐蚀性气体的环境，以及大容量发电机组。

（3）氢气冷却：大型汽轮发电机采用氢气作为冷却介质，因其导热系数高、密度小，冷却效率远高于空气，但需配备密封油系统和氢气纯度监测装置，结构复杂，成本高昂。

 

图1  凸极式无刷发电机电路图

图2  双凸极发电机的结构图

 

二、与柴油机的耦合方式

 

发电机与柴油机的耦合方式主要分为两大类：刚性连接和柔性连接。目前市场上刚性连接的应用更为普遍。

1. 刚性连接

刚性连接是将发电机和柴油机通过高强度的螺栓和连接片直接、牢固地固定在一起。

（1）结构形式：最常见的是通过高强度螺栓将发电机的刚性连接片与柴油机的飞轮盘连接成一个整体。另一种方式是柴油机输出轴的外锥面与发电机轴的内锥孔配合，通过长螺杆拉紧固定，实现无间隙连接。

（2）性能特点：

• 优点：结构非常简单，成本低廉，因此被广泛应用。

• 缺点：对安装精度要求极高——如果柴油机曲轴和发电机转子的中心线不在同一直线上，运转时会产生剧烈的振动。同时，它没有缓冲能力，柴油机的扭矩波动会直接传递给发电机。

2. 柔性连接

柔性连接通过一个独立的联轴器部件将柴油机和发电机的轴连接起来。

（1）核心部件与类型：核心是联轴器，常见类型包括金属叠片式、橡胶元件式等。一些专业公司提供多种高弹性联轴器，专门用于柴油发电机组。

（2）性能特点：

• 优点：具有一定的缓冲和减振能力，可以有效吸收柴油机输出的扭矩波动和振动，也能补偿一定的安装偏差（如轴心对中误差），提高运行的平稳性和可靠性。在对轴承和轴系振动有严格要求的场合，柔性连接更有优势。

• 代价：结构比刚性连接复杂，成本也更高。

3. 安装与调试要点

在实际安装过程中，无论采用哪种方式，以下几点都至关重要：

（1）精确对中：发电机和柴油机通常需要安装在同一个公共底座上，并通过调整底脚垫片来确保两者的径向跳动不超过0.2 mm，端面跳动不超过0.4 mm。对于大功率机组，可能需要各自独立固定，再通过联轴器连接。

（2）轴向间隙控制：当使用弹性联轴器与飞轮对接时，必须确保联轴器与飞轮端面留有3～5 mm的轴向间隙，以避免运行中因热膨胀等原因导致轴向窜动，损坏轴承。

（3）支撑点设置：机组安装在底座上时，通常采用四点支撑，避免采用六点或更多支撑点，防止因受力不均导致机座变形。

 

三、发电机的并联方式

 

1. 同步发电机的并联运行

同步发电机绝大多数是并联运行、并网发电的。各并联运行的同步发电机必须频率、电压的大小和相位都保持一致。否则，并联合闸的瞬间，各发电机之间会产生内部环流，引起扰动，严重时甚至会使发电机遭受破坏。但是，两台发电机在投入并联运行以前，一般说来它们的频率与电压的大小和相位是不会完全相同的。为了使同步发电机能投入并联运行，首先必须有一个同步并列的过程。同步并列的方法可分为准同步和自同步两种。

同步发电机在投入并联运行以后，各机负载的分配决定于发电机的转速特性。通过调节原动机的调速器，改变发电机组的转速特性，即可改变各发电机的负载分配，控制各发电机的发电功率。而通过调节各发电机的励磁电流，可以改变各发电机无功功率分配和调节电网的电压。

2. 并联运行的条件与检测方法

（1）并联运行的三个基本条件：

• 电压大小相等（各机端电压有效值之差不超过额定电压的±5%）

• 频率相同（频率差不超过0.1～0.5 Hz）

• 相位一致（相位差不超过±10°电角度）

（2）相序一致要求：三台及以上发电机并联运行时，相序必须严格一致。相序错误将导致合闸瞬间产生巨大的冲击电流，相当于发生三相短路，可能造成发电机绕组损坏和机械破坏。安装后必须使用相序表进行实测确认。

（3）并联检测方法：

• 同步指示器法（灯光法） ：通过观察并车指示灯（暗灯法或旋转灯光法）的亮暗变化判断频率差和相位差，适用于手动并车操作。

• 同步表法：使用同步表（指针式或数字式）直接指示待并机与电网之间的频率差和相位差，操作直观，已逐渐替代灯光法。

• 自动准同步装置（ASR） ：现代发电机组普遍采用自动准同步装置（ASR，Automatic Synchronizing Relay），可自动完成频率匹配、电压匹配和相位检测，在最佳时刻发出合闸指令，大幅提高了并列的准确性和可靠性。

2. 准同步并列

将已加励磁的待投运发电机通过调节其原动机的转速和改变该发电机的励磁，使其和运行中的发电机的频率差不超过0.1%～0.5%，在两机电压相位差不超过10°的瞬间进行合闸并联，两者即可自动牵入同步运行。准同步并列的操作可以手动，也可以借自动装置完成。

准同步并列的优点是合闸冲击电流小，对电网和发电机本身的冲击较小，适用于正常并网操作。其缺点是需要精确调节频率、电压和相位，并列过程相对耗时。现代发电机组普遍采用自动准同步装置，可自动完成频率匹配、电压匹配和相位检测，在最佳时刻发出合闸指令，大幅提高了并列的准确性和可靠性。

3. 自同步并列

把待投入并联的发电机转速调到接近电网的同步转速，在未加励磁的条件下就合闸并联，然后再加入励磁，依靠发电机和电网之间出现的环流及相应产生的电磁转矩把发电机迅速牵入同步。采用自同步并列时，由于减少了调节发电机转速、电压和选择合闸瞬间所需的时间，所以并列的过程较快，特别适宜于电力系统事故情况下机组的紧急投入。但是此法在并列合闸瞬间的电流冲击比较大，会使电网电压短时下降，电机绕组端部承受较大的电磁力。

自同步并列的优点是并列速度快，操作简单，不需要复杂的调节设备，适用于事故后快速恢复供电。其缺点是冲击电流大（可达额定电流的数倍），对发电机绕组和机械结构造成较大应力，且会导致电网短时电压波动。因此，自同步并列通常仅用于紧急情况，不作为常规并网操作方式。

4. 有功功率与无功功率的分配调节

（1）有功功率分配：并联运行机组的负载分配由各机的调速特性决定。通过调节柴油机调速器的设定值（改变转速降特性），可以改变有功功率在各机之间的分配比例。通常要求各机组的调速特性斜率一致，以保证负载变化时功率分配比例保持稳定。

（2）无功功率分配：无功功率分配由各机的励磁调节特性决定。通过调节发电机AVR的电压下垂设定值，可以控制无功功率在各机之间的分配。无功分配不均会导致某些机组过励、某些欠励，严重时可引发发电机振荡或保护动作。

（3）并联运行的稳定性要求：并联运行的发电机组应具备相近的调速特性和调压特性，否则在负载波动时可能出现功率振荡或环流过大。工程上要求各机组的稳态调速率偏差不超过±0.5%，电压调节特性斜率偏差不超过±5%。

 

 

总结

柴油发电机的凸极式转子结构具有制造工艺简单、可靠性高的特点，其磁极由钢板叠成并装有阻尼绕组，以适应同步发电机的动态稳定要求。发电机与柴油机的耦合方式分为刚性连接和柔性连接两大类——刚性连接结构简单、成本低廉但对安装精度要求极高；柔性连接具有缓冲减振和补偿偏差能力但成本较高。安装调试中必须严格控制轴对中精度和轴向间隙。同步发电机的并联运行要求各机频率、电压大小和相位一致，并列方法分为准同步并列和自同步并列两种：准同步并列冲击小但过程耗时，适用于常规操作；自同步并列速度快适用于紧急投入但冲击较大。准确掌握上述结构原理和安装运行规范，是保障柴油发电机组安全、可靠、经济运行的基本前提。

1、同步发电机的并联运行

同步发电机绝大多数是并联运行，并网发电的。各并联运行的同步发电机必须频率、电压的大小和相位都保持一致。否则，并联合闸的瞬间，各发电机之间会产生内部环流，引起扰动，严重时甚至会使发电机遭受破坏。但是，两台发电机在投入并联运行以前，一般说来它们的频率与电压的大小和相位是不会完全相同的。为了使同步发电机能投入并联运行，首先必须有一个同步并列的过程。同步并列的方法可分为准同步和自同步两种。同步发电机在投入并联运行以后，   各机负载的分配决定于发电机的转速特性。通过调节原动机的调速器，改变发电机组的转速特性，即可改变各发电机的负载分配，控制各发电机的发电功率。而通过调节各发电机的励磁电流，可以改变各发电机无功功率分配和调节电网的电压。

2、准同步并列

将已加励磁的待投运发电机通过调节其原动机的转速和改变该发电机的励磁，使其和运行中的发电机的频率差不超过 0.1～0.5％。在两机电压相位差不超过 10°的瞬间进行合闸并联，两者即可自动牵入同步运行。准同步并列的操作可以手动，也可以借自动装置完成。

3、自同步并列

把待投入并联的发电机转速调到接近电网的同步转速，在未加励磁的条件下就合闸并联，然后再加入励磁，依靠发电机和电网之间出现的环流及相应产生的电磁转矩把发电机迅速牵入同步。采用自同步并列时，由于减少了调节发电机转速、电压和选择合闸瞬间所需的时间，所以并列的过程较快，特别适宜于电力系统事故情况下机组的紧急投入。但是此法在并列合闸瞬间的电流冲击比较大，会使电网电压短时下降，电机绕组端部承受较大的电磁力。

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