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新闻主题	发电机的空载运行和电枢反应

 

摘要：同步发电机由定子和转子两部分组成，定子与三相异步电动机的没有区别，也是由机座、定子铁心和三相对称绕组等组成的。这部分常称电枢。所谓电枢，就是电机产生感应电动势的枢纽部分。同步发电机的转子是磁极，其铁心上绕有励磁绕组，用直流励磁。因为转子在转动，所以励磁绕组的两端分别接在固定在转轴上的两个滑环上。环与环，环与轴，都是互相绝缘的。在滑环上，用弹簧压着两个固定的电刷，直流励磁电流经此进入到励磁绕组。

 

      由于转子构造不同，同步发电机可分为显极式和隐极式两种类型。显极式电机的转子具有凸出的磁极、显而易见，励磁绕组绕在磁极上。图3-1所示同步发电机的转子就是显极式的。隐极式电机的转子呈圆柱形，励磁绕组分布在转子大半表面的槽中。显极式电机的结构较简单，但是机械强度较低，宜用于低速柴油机，其转速在1000r/min以下。隐极式电机的制造工艺较复杂，但是机械强度较高，宜用于高速柴油机和汽轮机，其转速为1500r/min。

 

一、空载运行

 

      同步发电机被柴油机拖动到同步转速，转子励磁而定子绕组开路或电流为零时称为空载运行。此时电机气隙中只有励磁电流If所生的励磁磁动势Ff建立的励磁磁场。图1为一台凸极同步发电机空载运行时励磁磁场分布的示意图。图中，励磁磁通分成主磁通Φ和主极漏磁通Φfσ两部分。Φ通过气隙并与定、转子绕组交链，其磁密波形沿气隙圆周近似作正弦分布（凸极同步电机通常选用极弧系数为0.68～0.72，气隙比值为1.3～1.8），以同步转速n1旋转；Φfσ不通过气隙，仅与励磁绕组交链,并不参与定、转子间的机电能量转换过程。需要指出的是所有谐波磁通均被归属为漏磁通。凸极电机主极漏磁通占主极磁通的10%～20%。

 

图1 凸极式发电机的空载磁场示意

 

 

      图2是同步发电机空载实验的接线图。空载时，电机中只有由直流励磁电流产生的磁极磁场。磁极由原动机驱动，转速为n，磁极磁场在空间旋转。设磁极磁场的磁感应强度B沿空气隙是接近于按正弦规律分布的，因此，当磁极旋转时，经过每相电枢绕组的磁通也是随时间按正弦规律分布的。通过每相绕组的磁通最大值在数值上等于磁极磁通ф_o（每极的）。因为通过每相绕组的磁通是正弦量，于是就在电枢绕组中感应出对称的三相正弦电动势：

 

      每相电动势的有效值E_o＝4.44fkWφ。相等，相位相差120°电动势的频率f＝pn/60。

      图3所示的是同步发电机的空载特性曲线E_o＝f（I_f），它表示了当原动机转速为额定值n_N时，空载电动势E_o与励磁电流I_f的关系。因为E_o与Φ_o成正比，而Φ_o与I_f的关系是磁化曲线的关系，所以E_o与E_f也具有磁化曲线的关系。发电机的额定空载电动势E_o和额定励磁电流F_fN一般设置在特性曲线的拐弯部分，即磁路的半饱和工作点N_o曲线中的I_f＝0，E_o＝Er，称为剩磁电动势。它是由磁极剩磁通产生的。对于自励发电机，剩磁电动势是很重要的。如果没有，发电机就不能建立电压。

 

图2 同步发电机的空载实验接线图

图3 发电机的空载特性曲线

图4为同步电机空载时的时空相量图。与异步电机一样，图中磁通Φ、电动势E各时间相量均为综合相量，各代表一组对称的三相相量，E在时间上滞后Φ90°电角度；忽略磁滞效应，励磁磁动势f1和由它产生的气隙磁密基波f1同相位，以同步角速度ω1=2πf旋转。各相的时轴都重叠在其相轴上，在时空相量图上，Φ与f1同相位。

 

图4 发电机空载矢量图

 

 

实际发电机中，由于气隙磁密波形不可能为理想正弦，定子绕组实际线电动势（空载线电压）波形与正弦波形总有一定的偏差，其偏差程度一般用电压波形正弦性畸变率（简称电压波形畸变率）来表示。电压波形正弦性畸变率ku即该电压波形中不包括基波在内的所有各次谐波幅值平方和的平方根值与该波形基波分量的幅值的百分比。

为了衡量电压波形中各次谐波对电讯线路的干扰，规定了电话谐波因数THF：

式中：

U——为线电压的有效值；

Un——为线电压中n次谐波的有效值，

λn——为谐波的权衡系数。

对于额定容量在300kVA以上者，要求ku＜5%，THF%＜1.5%。

二、电枢反应

 

1、什么是电枢反应

      当发电机三相绕组接有三相对称负载时，在三相对称电动势作用下，三相电枢绕组中便流动着三相对称电流。三相对称电流流经三相对称绕组也会产生旋转磁场，其转速为n_o＝60f/p。由此可见，n＝n_o即转子磁极磁场的转速n与电枢旋转磁场的转速，n_o相等，故称同步电机。

      磁极磁场（每极磁通为Φ_o）与电枢磁场（每极磁通为фa）既然转速相等，转向相同，所以两者是相对静止的。因此有负载时，同步发电机的旋转磁场实际上可认为是由它们合成的结果。合成磁场的轴线及其每极磁通φ_o的大小，与磁极磁场相比，都有所不同。这种电枢磁场对磁极磁场的影响，称为电枢反应。电枢反应的程度与发电机所接负载的性质有关。

2、负载运行时的电枢反应

      同步发电机空载运行时，气隙中只存在励磁磁动势产生的机械旋转磁场。定子绕组中只感应有空载电势E，此时端电压U=E。当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流。当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的电枢磁动势。它的存在使气隙磁势的分布发生变化，从而使气隙磁场以及绕组中的感应电势发生变化。这种现象与直流电机带负载后的情况基本相同，即电枢电流产生的磁场对主极磁场产生影响，故仍称之为电枢反应。但与直流电机的电枢反应不同的是，在直流电机中，两个磁场都是静止的，而同步电机中两个磁场只是保持相对静止，本身都是旋转的，并且强调的是两个基波磁场之间的相互作用。

       根据前面的旋转电机理论可以知道，在对称负载时电枢磁动势的基波分量a是一个与转子同方向同转速的圆形旋转磁动势，它与基波励磁磁动势f1彼此在空间相对静止。f₁和a之间的相对位置与励磁电动势E与电枢电流I之间的相角差ψ有关，ψ角在同步电机中定义为内功率因数角，ψ＝0时，I与E同相；ψ＞0时，电流I滞后E；ψ＜0时，电流I超前E。下面先讨论ψ角对电枢反应的影响（助磁、去磁或交磁）。暂时只考虑隐极式同步电机，并只考虑磁路不饱和的情况。

 

      理论上讲，ψ角可以是任意角度。图5表示一台同步发电机的剖面图，图中转子磁极的轴线定义为直轴，用d表示，将与直轴正交的方向定义为交轴，用q表示，AX、BY、CZ分别为定子等效三相集中绕组，各相时间参考轴与各相相轴重合，A相绕组的轴线作为空间相量的参考轴，图示瞬间，q轴与A相相轴重合。根据交流绕组磁动势分析结论，f₁和Φ与d轴重合，E在q轴上，a与I重合。

      参照图6，可以将a分解成交轴aq和直轴ad两个分量，即a=ad+aq,写出幅值形式：

F_ad=F_asinψ

F_aq=F_acosψ

也可将每相电流都分解为Id和Iq两分量，即

I=I_d+I_q

式中，I_d=Isinψ；

I_q=Icosψ

 

其中Iq与所属相的E同相位，三相Iq系统合成交轴电枢磁势aq，称为I的交轴分量；Id滞后所属相E90°，三相Id系统合成直轴电枢磁势ad，称为I的直轴分量。

 

图5 同步发电机负载时的电枢反应

图6 发电机交直轴电枢磁动势作用

 

 

3、电枢反应的三种情况

（1）I与E_o同相位的情况

      磁极磁通Φ。的轴线方向与电枢磁通φ。的轴线方向在空间是正交的。这种称为交轴电枢反应。在磁极的前半边，中a与Φ。的方向相反，磁场被削弱了；在磁极的后半边，磁场被加强了。

（2）I比E_o滞后90°的情况

      φ_a与φ_o两轴线方向相反，使合成磁场的磁通减小。这种情况的反应称为去磁电枢反应。

（3）I比E_o超前90°的情况

      φ_a与φ_o两轴线方向相同，使合成磁场的磁通Φ增加。这种情况的反应称为加磁电枢反应。

      在一般情况下，I与E_o的相位差介于0和90°之间。如果发电机接电感性负载（多数情况是这样），则I比E_o滞后。这时可将电流相量I分解成两个分量，与E_o同相的分量Iq（图4（a）），产生交轴电枢反应：滞后于E_o90°的分量Id，产生去磁电枢反应。图4（b）示出了φ_o、Φa和Φ的轴线方向，可见合成磁通中的轴线逆着转子旋转方向比磁极磁通Φ_o滞后了一个角度θ，而且电枢电流/越大，θ也越大。如果是电容性负载，则与上相反。

 

图4 发电机接电感性负载的电枢反应.

 

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