新聞主題	發電機的空載運行和電樞反應

 

摘要：同步發電機由定子和轉子兩部分組成，定子與三相異步電動機的沒有區別，也是由機座、定子鐵心和三相對稱繞組等組成的。這部分常稱電樞。所謂電樞，就是電機產生感應電動勢的樞紐部分。同步發電機的轉子是磁極，其鐵心上繞有勵磁繞組，用直流勵磁。因為轉子在轉動，所以勵磁繞組的兩端分別接在固定在轉軸上的兩個滑環上。環與環，環與軸，都是互相絕緣的。在滑環上，用彈簧壓著兩個固定的電刷，直流勵磁電流經此進入到勵磁繞組。

 

      由于轉子構造不同，同步發電機可分為顯極式和隱極式兩種類型。顯極式電機的轉子具有凸出的磁極、顯而易見，勵磁繞組繞在磁極上。圖3-1所示同步發電機的轉子就是顯極式的。隱極式電機的轉子呈圓柱形，勵磁繞組分布在轉子大半表面的槽中。顯極式電機的結構較簡單，但是機械強度較低，宜用于低速柴油機，其轉速在1000r/min以下。隱極式電機的制造工藝較復雜，但是機械強度較高，宜用于高速柴油機和汽輪機，其轉速為1500r/min。

 

一、空載運行

 

      同步發電機被柴油機拖動到同步轉速，轉子勵磁而定子繞組開路或電流為零時稱為空載運行。此時電機氣隙中只有勵磁電流If所生的勵磁磁動勢Ff建立的勵磁磁場。圖1為一臺凸極同步發電機空載運行時勵磁磁場分布的示意圖。圖中，勵磁磁通分成主磁通Φ和主極漏磁通Φfσ兩部分。Φ通過氣隙并與定、轉子繞組交鏈，其磁密波形沿氣隙圓周近似作正弦分布（凸極同步電機通常選用極弧系數為0.68～0.72，氣隙比值為1.3～1.8），以同步轉速n1旋轉；Φfσ不通過氣隙，僅與勵磁繞組交鏈,并不參與定、轉子間的機電能量轉換過程。需要指出的是所有諧波磁通均被歸屬為漏磁通。凸極電機主極漏磁通占主極磁通的10%～20%。

 

圖1 凸極式發電機的空載磁場示意

 

 

      圖2是同步發電機空載實驗的接線圖。空載時，電機中只有由直流勵磁電流產生的磁極磁場。磁極由原動機驅動，轉速為n，磁極磁場在空間旋轉。設磁極磁場的磁感應強度B沿空氣隙是接近于按正弦規律分布的，因此，當磁極旋轉時，經過每相電樞繞組的磁通也是隨時間按正弦規律分布的。通過每相繞組的磁通最大值在數值上等于磁極磁通ф_o（每極的）。因為通過每相繞組的磁通是正弦量，于是就在電樞繞組中感應出對稱的三相正弦電動勢：

 

      每相電動勢的有效值E_o＝4.44fkWφ。相等，相位相差120°電動勢的頻率f＝pn/60。

      圖3所示的是同步發電機的空載特性曲線E_o＝f（I_f），它表示了當原動機轉速為額定值n_N時，空載電動勢E_o與勵磁電流I_f的關系。因為E_o與Φ_o成正比，而Φ_o與I_f的關系是磁化曲線的關系，所以E_o與E_f也具有磁化曲線的關系。發電機的額定空載電動勢E_o和額定勵磁電流F_fN一般設置在特性曲線的拐彎部分，即磁路的半飽和工作點N_o曲線中的I_f＝0，E_o＝Er，稱為剩磁電動勢。它是由磁極剩磁通產生的。對于自勵發電機，剩磁電動勢是很重要的。如果沒有，發電機就不能建立電壓。

 

圖2 同步發電機的空載實驗接線圖

圖3 發電機的空載特性曲線

圖4為同步電機空載時的時空相量圖。與異步電機一樣，圖中磁通Φ、電動勢E各時間相量均為綜合相量，各代表一組對稱的三相相量，E在時間上滯后Φ90°電角度；忽略磁滯效應，勵磁磁動勢f1和由它產生的氣隙磁密基波f1同相位，以同步角速度ω1=2πf旋轉。各相的時軸都重疊在其相軸上，在時空相量圖上，Φ與f1同相位。

 

圖4 發電機空載矢量圖

 

 

實際發電機中，由于氣隙磁密波形不可能為理想正弦，定子繞組實際線電動勢（空載線電壓）波形與正弦波形總有一定的偏差，其偏差程度一般用電壓波形正弦性畸變率（簡稱電壓波形畸變率）來表示。電壓波形正弦性畸變率ku即該電壓波形中不包括基波在內的所有各次諧波幅值平方和的平方根值與該波形基波分量的幅值的百分比。

為了衡量電壓波形中各次諧波對電訊線路的干擾，規定了電話諧波因數THF：

式中：

U——為線電壓的有效值；

Un——為線電壓中n次諧波的有效值，

λn——為諧波的權衡系數。

對于額定容量在300kVA以上者，要求ku＜5%，THF%＜1.5%。

二、電樞反應

 

1、什么是電樞反應

      當發電機三相繞組接有三相對稱負載時，在三相對稱電動勢作用下，三相電樞繞組中便流動著三相對稱電流。三相對稱電流流經三相對稱繞組也會產生旋轉磁場，其轉速為n_o＝60f/p。由此可見，n＝n_o即轉子磁極磁場的轉速n與電樞旋轉磁場的轉速，n_o相等，故稱同步電機。

      磁極磁場（每極磁通為Φ_o）與電樞磁場（每極磁通為фa）既然轉速相等，轉向相同，所以兩者是相對靜止的。因此有負載時，同步發電機的旋轉磁場實際上可認為是由它們合成的結果。合成磁場的軸線及其每極磁通φ_o的大小，與磁極磁場相比，都有所不同。這種電樞磁場對磁極磁場的影響，稱為電樞反應。電樞反應的程度與發電機所接負載的性質有關。

2、負載運行時的電樞反應

      同步發電機空載運行時，氣隙中只存在勵磁磁動勢產生的機械旋轉磁場。定子繞組中只感應有空載電勢E，此時端電壓U=E。當電樞繞組接上三相對稱負載后，電樞繞組和負載一起構成閉合通路，通路中流過的是三相對稱的交流電流。當三相對稱電流流過三相對稱繞組時，將會形成一個以同步速度旋轉的電樞磁動勢。它的存在使氣隙磁勢的分布發生變化，從而使氣隙磁場以及繞組中的感應電勢發生變化。這種現象與直流電機帶負載后的情況基本相同，即電樞電流產生的磁場對主極磁場產生影響，故仍稱之為電樞反應。但與直流電機的電樞反應不同的是，在直流電機中，兩個磁場都是靜止的，而同步電機中兩個磁場只是保持相對靜止，本身都是旋轉的，并且強調的是兩個基波磁場之間的相互作用。

       根據前面的旋轉電機理論可以知道，在對稱負載時電樞磁動勢的基波分量a是一個與轉子同方向同轉速的圓形旋轉磁動勢，它與基波勵磁磁動勢f1彼此在空間相對靜止。f₁和a之間的相對位置與勵磁電動勢E與電樞電流I之間的相角差ψ有關，ψ角在同步電機中定義為內功率因數角，ψ＝0時，I與E同相；ψ＞0時，電流I滯后E；ψ＜0時，電流I超前E。下面先討論ψ角對電樞反應的影響（助磁、去磁或交磁）。暫時只考慮隱極式同步電機，并只考慮磁路不飽和的情況。

 

      理論上講，ψ角可以是任意角度。圖5表示一臺同步發電機的剖面圖，圖中轉子磁極的軸線定義為直軸，用d表示，將與直軸正交的方向定義為交軸，用q表示，AX、BY、CZ分別為定子等效三相集中繞組，各相時間參考軸與各相相軸重合，A相繞組的軸線作為空間相量的參考軸，圖示瞬間，q軸與A相相軸重合。根據交流繞組磁動勢分析結論，f₁和Φ與d軸重合，E在q軸上，a與I重合。

      參照圖6，可以將a分解成交軸aq和直軸ad兩個分量，即a=ad+aq,寫出幅值形式：

F_ad=F_asinψ

F_aq=F_acosψ

也可將每相電流都分解為Id和Iq兩分量，即

I=I_d+I_q

式中，I_d=Isinψ；

I_q=Icosψ

 

其中Iq與所屬相的E同相位，三相Iq系統合成交軸電樞磁勢aq，稱為I的交軸分量；Id滯后所屬相E90°，三相Id系統合成直軸電樞磁勢ad，稱為I的直軸分量。

 

圖5 同步發電機負載時的電樞反應

圖6 發電機交直軸電樞磁動勢作用

 

 

3、電樞反應的三種情況

（1）I與E_o同相位的情況

      磁極磁通Φ。的軸線方向與電樞磁通φ。的軸線方向在空間是正交的。這種稱為交軸電樞反應。在磁極的前半邊，中a與Φ。的方向相反，磁場被削弱了；在磁極的后半邊，磁場被加強了。

（2）I比E_o滯后90°的情況

      φ_a與φ_o兩軸線方向相反，使合成磁場的磁通減小。這種情況的反應稱為去磁電樞反應。

（3）I比E_o超前90°的情況

      φ_a與φ_o兩軸線方向相同，使合成磁場的磁通Φ增加。這種情況的反應稱為加磁電樞反應。

      在一般情況下，I與E_o的相位差介于0和90°之間。如果發電機接電感性負載（多數情況是這樣），則I比E_o滯后。這時可將電流相量I分解成兩個分量，與E_o同相的分量Iq（圖4（a）），產生交軸電樞反應：滯后于E_o90°的分量Id，產生去磁電樞反應。圖4（b）示出了φ_o、Φa和Φ的軸線方向，可見合成磁通中的軸線逆著轉子旋轉方向比磁極磁通Φ_o滯后了一個角度θ，而且電樞電流/越大，θ也越大。如果是電容性負載，則與上相反。

 

圖4 發電機接電感性負載的電樞反應.

 

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