新聞主題	發電機交流繞組節距的定義和設計

 

摘要：發電機節距計算是指計算發電機中轉子上的磁極之間的距離，也稱為極距。發電機的極距直接影響到發電機的性能和效率。正確的節距計算可以確保發電機的正常運行和高效發電。在發電機中，磁極是用于產生磁場的部件，通常由永磁體或電磁鐵制成。磁極之間的距離決定了磁場的分布和強度。過小的節距會導致磁場不均勻，影響發電機的輸出功率和穩定性；而過大的節距則會增加磁場的漏磁量，造成能量浪費。柴油發電機組配備的電球節距通常分為三分之二節距和六分之五節距，康明斯公司在本文中對這兩種節距進行了比較和分析。

 

一、發電機節距的計算方法和注意事項

 

      發電機節距計算是指在發電機轉子上的各個電樞之間的間距。準確計算發電機節距對于發電機的正常運行至關重要，因為節距的大小直接影響到發電機的電磁特性和發電效率。發電機節距的計算需要考慮多個因素，包括發電機的設計要求、轉子的直徑、磁極數和機械結構等。發電機基本結構外觀如圖1、圖2所示，下面將具體介紹幾種常見的發電機節距計算方法。

1、 等分法

       這是一種比較簡單粗暴的計算方法，即將轉子的周長等分為磁極的數量。例如，如果轉子的周長為C，磁極的數量為N，那么每個磁極之間的節距為C/N。

2、 角度法

      這種方法是根據轉子的圓周角度來計算節距。首先需要知道轉子的直徑D和磁極數N，然后計算出每個磁極所占的角度為360/N。最后，將轉子的圓周角度360度除以磁極數N，得到每個磁極之間的角度，再乘以轉子的直徑D，就可以得到節距的長度。

3、磁極寬度法

      這種方法是根據磁極的寬度來計算節距。首先需要知道磁極的寬度W和磁極數N，然后計算出每個磁極所占的寬度為W/N。最后，將磁極的寬度W除以磁極數N，得到每個磁極之間的寬度，就可以得到節距的長度。

4、節距計算的注意事項

（1） 測量精度：測量轉子直徑時要保證精度，以免影響節距的計算結果。

（2）節距調整：節距的計算結果是理論值，實際應用中可能需要根據具體情況進行調整。

（3）公差控制：在實際制造中，需要控制電樞之間的間距在一定的公差范圍內，以確保發電機的性能和可靠性。

（4）結構設計：發電機的結構設計也會影響節距的計算，例如轉子的形狀和電樞的布局等。

（4）高溫效應：在高溫環境下，發電機的節距可能會發生變化，需要進行相應調整。

 

圖1  同步交流發電機上下二等角軸測圖

圖2  同步交流發電機俯視圖

 

二、不同節距發電機的對比

 

      發電機的轉子上有多個電樞，電樞之間的間距就是節距（如圖3所示）。節距的大小對于發電機的電磁特性產生重要影響。節距過小會導致電樞之間的相互干擾增加，電磁損耗增大，同時也會增加故障發生的概率；節距過大則會降低發電機的發電效率。因此，合理計算發電機節距是確保發電機正常運行的基礎。

      2/3節距交流發電機能抑制3次諧波電流在中性線流過，主要適用于低壓柴油發電機組；5/6節距交流發電機在無中性線的三線配電系統中采用，主要適用于高壓柴油發電機組（如圖4所示）。如果采取措施消除或減輕諧波電流在中性線中流動的風險，可以并聯不同節距的交流發電機。

      繞組節距和諧波，當交流發電機空載或帶線性負載運行時，產生的電壓波形形狀根據其工頻基波頻率和電壓幅度，以及諧波的電壓幅度及其頻率來描述。因為所有交流發電機都表現出一定程度的諧波電壓失真，因此上述描述是必要的，即使這些失真相對于可能由非線性負載引起的失真非常小，但在并聯應用中，它們可能仍然相當可觀。諧波電壓與工頻基波波形疊加，導致純正弦波的工頻基波形狀有些失真。在任何時間點所得到的電壓都將是工頻基波和所有的諧波之和。

      繞組節距是影響發電機輸出電壓波形諧波含量的幾個因素之一。稱為短距系數（K_p）的參數定義了由于使用短節距（即小于全節距）繞組而導致諧波含量減少的比例。

K_p＝cos［N_x180（1～節距）/2］..........................（公式1）

式中，N為諧波次數；節距為分數（如2/3,5/6等）。

      對于全距繞組（節距＝1τ，τ為極距），短距系數對所有諧波為1，即沒有減少工頻基波或任何諧波的電壓幅值。2/3和5/6節距交流發電機的主要優缺點見表1。

表1   2/3和5/6節距交流發電機的繞組短距系數

 

       對于5/6和2/3節距的交流發電機，工頻基波的短距系數分別為0.97和0.87。這意味著5/6節距交流發電機產生的基波電壓等于相同的全距交流發電機以相同的勵磁水平產生的基波電壓的97％。對于2/3節距交流發電機，這一比例由97％下降到87％。這表明具有5/6節距定子線圈的交流發電機比在相同的勵磁水平的2/3節距線圈能夠產生更高的基波電壓。

      同一交流發電機，用5/6節距線圈能夠比用2/3節距線圈輸出更大的功率，即使用相同量的材料可以產生更大的kVA輸出，因此更有效地利用了銅和鋼，這是5/6節距相比2/3節距交流發電機的主要優點。

      從表1可以看出，2/3節距交流發電機的主要優點是它沒有3次諧波含量，事實上，2/3節距的交流發電機不產生3次諧波。（術語3次諧波是指所有3次諧波的奇數倍，所以3，9.15和21次等屬于3次諧波。）

      重要的是盡量減少所有頻率的諧波電壓。總諧波失真（THD）為所有頻率的諧波電壓的總和與工頻基波的百分比，是一個經常應用的交流發電機參數。好的交流發電機設計可以實現2/3或5/6節距交流發電機均具有類似的較小THD值。

      降低所有頻率的諧波電壓均是同等重要，四線的低壓電壓配電系統需要特別考慮3次諧波。（注意，術語“低電壓”在本文中是指其線電壓低于1000V。因為不同的地區有不同的中高壓定義，我們將使用術語“中壓或高電壓”或簡稱“MV/HV”表示線路電壓超過1000V），其中原因是在四線系統中，三相的所有3次諧波電流（實際上所有3次諧波的3倍電流）直接流經中性線，這可以導致高水平的諧波失真和潛在中性線過熱風險。單相負載特別是產生3次諧波的單相整流或開關電源負載的電流總是需要流經中性線。

      低壓三相整流（非線性）負載也產生3次諧波電流。正是由于這些原因，絕大部分低壓發電機組采用2/3節距。雖然5/6節距繞組能夠消除更多的5和7次諧波，但2/3節距交流發電機能夠消除低壓系統中的3次諧波更勝一籌。

      在中壓或高壓下，由于通常不使用中性線，所以較少考慮3次諧波的影響。對于MV/HV發電機組，通常使用變壓器進行降壓。為了給單相負載提供中性線，變壓器的低壓繞組一般采用星形（丫）聯結。與發電機繞組直接連接變壓器的高壓繞組一般采用三角形接線法（DELTA）（Δ）聯結。3次諧波電流將在三角形聯結的高壓繞組中循環，并保持在變壓器的高壓側。雖然這些3次諧波電流也會產生渦流從而產生熱量（如所有諧波電流一樣），但遠遠不如直接流經中性線中的3次諧波電流產生的發熱量那么大。

      對于大多數中壓和高壓系統，當負載性質決定不需要中性線時，產生的3次諧波電壓基本可以忽略。在這些應用中，只要保持較低的總諧波失真，并且注意減少或消除并聯發電機組的中性點和接地點之間的環流，則通常適合使用5/6節距交流發電機。

 

圖3  發電機節距示意圖

圖4  六分之五節距發電機諧波波形

 

總結：

      除了上述內容外，我們需要注意的是不同類型的發電機對節距的要求有所不同。例如，交流發電機的節距一般較小，通常在1-2毫米之間；而直流發電機的節距一般較大，通常在10-20毫米之間。此外，發電機的設計和制造標準也會對節距的要求進行規定。發電機節距的計算是確保發電機正常運行和高效發電的重要步驟。選擇合適的節距計算方法，根據發電機的設計要求和實際情況進行計算，可以提高發電機的性能和效率，減少能源的浪費。

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