康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

性能特点和作用说明

同步发电机原理、结构及种类划分

 

摘要：同步电机除了用于电动机，主要用作发电机，它作为各种各种发电设备的交流电源，全世界的主要电源皆由同步发电机发出。其中，应用于企业后备电源设备，同步发电机是柴油发电机组的三大组成部分（发动机、交流发电机和控制系统）之一。因此，为了更好地了解发电机工作原理，学习并掌握同步发电机的特性曲线、电动势产生原理等方面知识，以及发电机结构形式和类别区分方法至关重要。 

 

一、发电机工作原理

 

      图1所示为同步发电机基本外形图，图2所示为同步发电机的构造原理图。

1、基本原理

（1）电磁感应：

      同步发电机利用电磁感应的原理来产生电能。当发电机的转子与定子相对旋转时，会在定子的线圈中产生磁场，这个磁场会穿过线圈，导致线圈内的导体产生感应电流。

（2）动态磁场：

      发电机的转子上通常有一组励磁线圈，当这些线圈通过电流时，会在转子上产生一个磁场。这个磁场与定子上的磁场相互作用，导致转子相对定子旋转。

（3）同步：

      当转子旋转并且频率与电源频率相匹配时，转子上的励磁磁场与定子的磁场同步。这个同步状态允许电能从转子传输到定子，产生输出电能。

      总的来说，同步发电机的工作原理是利用电磁感应和磁场相互作用，将机械能转化为电能。通过控制励磁电流和转子的旋转速度，可以调节发电机的输出电压和频率。

2、电动势的产生原理

      通常三相同步发电机的定子是电枢，转子是磁极，当转子励磁绕组通以直流电后，即建立恒定的磁场。转子转动时，定子导体由于与此磁场有相对运动而感应交流电动势。电机具有p对磁极时，转子旋转一周，感应电动势变化p次。设转子每秒转速为n，则转子每秒旋转n/60转，因此感应电动势每秒变化pn/60次，即电动势的频率为

f＝pn/60（Hz)

式中 f——电动势频率；

p——磁极对数；

n——发电机转速。

      由此可见，当同步发电机的磁极对数p、转速n一定时，发电机的交流电动势的频率是一定的。也就是说，同步发电机的特点是具有转子转速和交流电频率之间保持严格不变的关系。在恒定频率下，转子转速恒定而与负载大小无关，发电机转子的转速恒等于发电机空气隙中（定子）旋转磁场的转速。同步发电机即由此得名。

      在我国的电力系统中，规定工频交流电的额定频率为50Hz。因此，对某一台指定的同步发电机而言，其转速总为一固定值。例如：磁极对数为1对（二极）的同步发电机的转速为3000r/min；磁极对数为2对（四极）的同步发电机的转速为1500r/min；依此类推，同步发电机的转速还有1000r/min、750r/min、600r/min、500r/min和375r/min等。为了保持交流电动势的频率不变，拖动发电机转子旋转的原动机必须具有调速机构，使发电机在输出不同的有功功率时都能维持转速不变。

 

图1  同步发电机外形图

图2  同步发电机构造原理图

 

二、同步发电机的基本类型

 

      同步发电机可按发电机的结构形式、励磁方式和相数等进行分类。

1、按发电机的结构形式来分类

      按发电机的结构特点进行区分，同步发电机可分为旋转电枢式（简称转枢式）和旋转磁极式（简称转磁式）两种形式。

（1）旋转磁极式发电机

      旋转磁极式同步发电机的结构如图3所示。其磁极是旋转的，电枢是固定的，电枢绕组的感应电势不通过集电环和电刷而直接送往外电路，所以其绝缘能力和机械强度好，且安全可靠。现代交流发电机常采用无刷结构的同步发电机，发电机省略了集电环和电刷，无滑动接触部分，维护简单，工作可靠性高。在旋转磁极式同步发电机中，按磁极的形状又可分为凸极式同步发电机和隐极式同步发电机两种形式，不同特点如表1所列。

① 从图3（a）可以看出，凸极式转子的磁极是突出的，气隙不均匀，极弧顶部气隙较小，两极尖部分气隙较大。励磁绕组采用集中绕组套在磁极上。这种转子构造简单、制造方便，故柴油发电机组一般都采用凸极式。

② 从图3（b）可以看出，隐极式转子的气隙是均匀的，转子成圆柱形。励磁绕组分布在转子表面的铁芯槽中。

 表1    旋转磁极式同步发电机的分类和特点

（2）旋转电枢式发电机

      旋转电枢式同步发电机的结构如图4所示。其电枢是转动的，磁极是固定的，电枢电势通过集电环和电刷引出与外电路连接。旋转电枢式只适用于小容量的同步发电机，因为采用电刷和集电环引出大电流比较困难，容易产生火花和磨损；电机定子内腔的空间限制了电机的容量；发电机的结构复杂，成本较高；电机运行速度受到离心力及机械振动的限制。所以目前只有交流同步无刷发电机的励磁机使用旋转电枢结构的同步发电机。

图3  旋转磁极式同步发电机模型

图4  旋转电枢式同步发电机模型

 

2、按发电机的相数来分类

      按相数来区分，同步发电机又可分为单相同步发电机和三相同步发电机。单相同步发电机的功率不大，通常不大于6kW；而三相同步发电机的功率可达几千千瓦。

3、按励磁方式来分类

      同步发电机可分为永磁发电机和励磁发电机，永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于永磁机的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。本文以斯坦福发电机为例，外观如图5、图6所示，主要讲述永磁发电机的原理和特点。

      永磁式发电机是一种只有永磁体的发电机，也叫永磁同步发电机，它不需要外部电源来启动，而是利用磁铁和转子上的永磁体之间的磁力作用，使转子从停止状态迅速旋转起来，并产生电流。永磁式发电机由定子、转子和定转子之间的磁性材料（永磁体）组成。它的工作原理是，当定子产生交流电流时，定子线圈内的磁场随之改变，随即在转子上产生磁场，使转子产生转动，从而实现发电功能。

（1）优点：

① 发电效率高，只要定子中的线圈被供电，就可以立即产生转动力；

② 安装维护简单，因为发电机内部没有滑动触头，所以维护保养成本比较低；

③ 转子旋转惰性小，可以很快响应负荷变化；

（2）缺点：

① 由于其内部结构比较复杂，成本比较高；

② 转子的最大转速受限于永磁体的抗震力，所以转速较低；

③ 转子的转动方向受限于定子线圈方向，不能自由改变。

 

图5  斯坦福同步发电机后侧视角模型图

图6  斯坦福同步发电机前侧视角模型图

 

三、发电机特性试验与曲线

 

1、空载特性

      空载特性指发电机空载并保持额定转速不变，空载电压U₀与励磁电流I的关系，即n=nv，I=0时，Uo=f（I）。

（1）空载试验：在空载的情况下，原动机把发电机拖动到同步转速，并维持不变。然后增加励磁电流I_f直到空载电压等于1.3倍额定电压为止。

① 上升分支：在电压上升时记取对应的电压U₀和励磁电流I_f值。

② 下降分支：逐步减小励磁电流，记取对应的电压U₀和励磁电流I_f值。因为电机有剩磁，当I_f减到零时，空载电压不为零，其值即为剩磁电压。

      在做试验时，我们从表计反应的电压、电流值，可以得到机组的空载励磁电压和电流值，若此值超过常规数值，即可能是定子铁芯有片间短路或转子绕组有匝间短路。

（2）空载特性曲线

      空载特性曲线为上升和下降的两条分支的平均值，如图7中虚线所示。往往将虚线右移使之过原点，作为实用的空载特性曲线，如图8中曲线1所示。将空载特性的直线段延长后所得直线（如图8中曲线2）称为气隙线。

      空载特性曲线表明了电机磁路的饱和情况，具有磁化曲线的特征。起始部分是直线，铁心未饱和；弯曲部分，表明铁心已有不同程度的饱和；其后段，铁心已达到深度饱和。

 

图7  同步发电机的空载特性曲线

图8  同步发电机实用空载特性曲线

 

2、短路特性

      短路特性指同步发电机保持额定转速下，定子三相绕组的出线端持续稳态短路时，定子相电流I（即稳态短路电流）与励磁电流I_f的关系，即n=ny，U=0时，I=f（I_f）。

（1）三相短路试验：

      先将定子三相绕组的出线端短接，维持额定转速不变，调节励磁电流I_f使定子短路电流I从零逐渐增加，直到短路电流等于1.25倍的额定电流为止。记取对应的I和I_f做出短路特性曲线I=f（I_f）。

（2）短路特性曲线

      如图9中直线2所示，短路特性曲线为一条直线是因为定子绕组短路时，端电压U=0，限制短路电流的仅是发电机的内部阻抗。由于定子绕组电阻远小于同步电抗，所以短路电流可以认为是纯感性的，故电枢磁动势是起去磁作用的，气隙合成磁动势就很小，它所产生的气隙磁通也就很小，故磁路处于不饱和状态，所以短路特性曲线是一条直线。

（3）短路比

      利用空载特性和短路特性，从而可以确定同步电抗的不饱和值和短路比。同步电抗：X_d=E₀’/Ⅰ_R’； 短路比：Kc= E₀’/（Ⅰ_N*X_d）=Ku/X_d 。短路比大，则同步电抗小，负载电流引起的端电压的波动幅度较小；但短路电流则较大，且发电机的静态稳定极限就越高。4

3、调整特性

      调整特性是指发电机保持额定转速不变，端电压和负载的功率因数恒定时，励磁电流I_f与负载电流I的关系，即n=n_N，U=常数，cos =常数时，I_f=f（I）。对应于不同的负载功率因数有不同的调整特性，如图10所示。

（1）感性和阻性负载

      对于感性和纯阻性负载，为了补偿负载电流所产生的电枢反应去磁作用，保持发电机端电压U不变，必须随负载电流I的增大相应地增大励增电流I_f。因此图中调整特性曲线是上升的，如图10中cos=0.8和cos=1的曲线所示。

（2）容性负载

      对于容性负载，为了抵消电枢反应的助磁作用，保持发电机端电压不变，必须随负载电流的增加相应地减少励磁电流。因此图中调整特性曲线是下降的，如10图中cos（-）=0.8的曲线所示。

 

图9  同步发电机短路特性曲线

图10  同步发电机的调整特性曲线

 

4、外特性

      外特性指发电机在保持额定转速不变，额定励磁电流If和负载的功率因数不变时，发电机端电压U与负载电流I的关系曲线，即n=n_N，I_f=常数，功率因数=常数时，U=f（I）。对应于不同的负载功率因数有不同的外特性，如图11所示。

（1）感性和阻性负载

      在感性负载cos =0.8和纯电阻性负载cos =1时，外特性是下降的，这两种情况下电枢反应均为去磁作用，引起端电压下降，如图12中cos=0.8和cos=1的曲线所示。

（2）容性负载

      在容性负载cos（-）=0.8时，电枢反应为助磁作用，气隙磁通增加，端电压U上升，外特性是上升的，如12图中cos（-）=0.8的曲线所示。

 

图11  同步发电机基本外特性曲线

图12  同步发电机负载特性曲线

 

总结：

      综上所述，除了要了解发电机的工作原理，其特性也是非常重要的。在生产实践中，空载特性，仅用来判定空载励磁电压和电流与设计说明书是否相符；短路特性和空载特性并用，从而求得发电机的一些重要参数；外特性和调整特性，则反应出定子电压、负载电流及励磁电流三者之间的一些变化曲势，从而帮助我们来分析在运行中一些量的变化，会影响到哪些量的变化，最终采取何种补救措施来维持柴油发电机组的稳定。

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