同步發(fā)電機(jī)工作原理——柴油發(fā)電機(jī)組總體構(gòu)造與維修基礎(chǔ)

同步電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的一種交流電機(jī)。從原理上講其工作是可逆的，它不僅可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。同步電機(jī)的另一種特殊運(yùn)行方式為同步調(diào)相機(jī)，或稱同步補(bǔ)償機(jī)，專門(mén)用來(lái)向電網(wǎng)發(fā)送滯后無(wú)功功率，以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。

同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，作為各種設(shè)備的交流電源，現(xiàn)在全世界的發(fā)電量主要由同步發(fā)電機(jī)發(fā)出。同步發(fā)電機(jī)是柴油發(fā)電機(jī)組的三大組成部分(柴油機(jī)、同步發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng))之一，因此，學(xué)習(xí)并掌握同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理至關(guān)重要。本節(jié)主要介紹同步發(fā)電機(jī)的工作原理、特點(diǎn)及其基本類(lèi)型、基本結(jié)構(gòu)、額定值及其型號(hào)。

1.電磁感應(yīng)與右手定則

由《電工學(xué)》知識(shí)可知，當(dāng)導(dǎo)體與磁場(chǎng)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而使兩者相互切割時(shí)，就會(huì)在該導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。如果該導(dǎo)體是閉合的，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生電流，這個(gè)電流稱為感應(yīng)電流。如圖2-7所示。將一根導(dǎo)線放在兩個(gè)磁極的均勻磁場(chǎng)內(nèi)，并在導(dǎo)線的兩端接上一只電壓表，當(dāng)導(dǎo)線在垂直于磁力線方向以一定速度移動(dòng)時(shí)，電壓表的指針就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。以上現(xiàn)象說(shuō)明導(dǎo)線與磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互切割后，在其內(nèi)部已產(chǎn)生出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。

圖2-7 電磁感應(yīng)現(xiàn)象示意圖

圖2-8 右手定則

文章出自《柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)用技術(shù)技能》

作者：楊貴恒、張海呈、張壽珍、鐘進(jìn) 化學(xué)工業(yè)出版社出版

導(dǎo)線在磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可以用右手定則來(lái)確定。如圖2-8所示。將右手平伸，掌心迎著磁極N，并使磁力線垂直穿過(guò)手掌，拇指和其余四指伸直。這時(shí)拇指所指的方向?yàn)閷?dǎo)線的運(yùn)動(dòng)方向，其余四指的指向就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向。從上述試驗(yàn)可知，導(dǎo)線在均勻磁場(chǎng)內(nèi)沿著與磁力線垂直的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度 、磁場(chǎng)的磁通密度 以及導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度 成正比，即

式中， e——感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V);

B——磁通密度(T);

L——導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度(m);

V——導(dǎo)線垂直于磁力線方向上運(yùn)動(dòng)的速度(m/s)。

如果導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向與磁力線方向的夾角為任意角度α時(shí)，則

若將導(dǎo)線與外負(fù)載接成閉合回路，導(dǎo)線中就會(huì)產(chǎn)生電流并輸出電功率，而同步發(fā)電機(jī)就是根據(jù)這一原理來(lái)制造的。

2.正弦交流電

在現(xiàn)代社會(huì)，交流電被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸和信息通信等各個(gè)方面。人們的日常生活，如電風(fēng)扇、空調(diào)、電冰箱、電視機(jī)和計(jì)算機(jī)等家用電器同樣離不開(kāi)交流電。因此，交流電在生產(chǎn)、生活中占有極其重要的地位。我們平時(shí)所用的交流電都是按正弦規(guī)律變化。正弦交流電是一種大小和方向隨時(shí)間作周期性變化的電流。

(1)正弦交流電的產(chǎn)生

如圖2-9所示為一根直導(dǎo)線在兩極均勻磁場(chǎng)內(nèi)作等速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)。由以上分析可知，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小取決于磁場(chǎng)的磁通密度、導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度、導(dǎo)線切割磁力線的速度以及導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向與磁力線方向的夾角 。而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向則決定于導(dǎo)線切割磁力線的方向。因此，當(dāng)長(zhǎng)度不變的導(dǎo)線在均勻磁場(chǎng)內(nèi)按一定方向作等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)值將只與導(dǎo)線切割磁力線時(shí)的角度有關(guān)。

由圖2-9可見(jiàn)，當(dāng)導(dǎo)線處于位置1時(shí)，由于導(dǎo)線的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁力線平行，所以并末切割磁力線，也就不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);當(dāng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)至位置2時(shí)，導(dǎo)線與磁力線間的夾角比較小，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也較小;當(dāng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)至位置3時(shí)，與磁力線的夾角有所增大，所以它產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)增大;當(dāng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)到位置4時(shí)，導(dǎo)線與磁力線相垂直，這時(shí)導(dǎo)線切割磁力線的角度為最大，正好處于磁極的中央位置，因而它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為最大。經(jīng)過(guò)位置4以后，導(dǎo)線與磁力線的夾角又逐漸減小，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也就漸次減小。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到位置7時(shí)，導(dǎo)線的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減到零。

導(dǎo)線經(jīng)過(guò)位置7以后就進(jìn)入磁場(chǎng)的另一個(gè)磁極下面。這時(shí)，由于導(dǎo)線切割磁力線的方向與前半轉(zhuǎn)時(shí)的方向相反，所以它產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向也隨之相反。當(dāng)導(dǎo)線相繼轉(zhuǎn)動(dòng)至位置8利9時(shí)，隨著導(dǎo)線切割反方向磁力線角度的變化又逐漸使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大;在導(dǎo)線處于位置10時(shí)，將達(dá)到反方向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值;隨著導(dǎo)線切割磁力線角度的相繼減小，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也隨之逐漸減小;當(dāng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)至起點(diǎn)位置1時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又回落到零;若導(dǎo)線繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，則該導(dǎo)線內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)值將重復(fù)以上變化。

圖2-9 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線所產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)

如果將導(dǎo)線在圓周上旋轉(zhuǎn)的各點(diǎn)位置展開(kāi)，用一根直線來(lái)表示導(dǎo)線在圓周上移動(dòng)的角度位置，而在垂直方向按比例畫(huà)出導(dǎo)線在這些位置上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并規(guī)定一個(gè)方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)力正，相反方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)則為負(fù)。這樣，就可以依照這些感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小繪出一條按一定規(guī)律變化的曲線，如圖2-10所示。這條波動(dòng)起伏的曲線在數(shù)學(xué)上稱之為正弦曲線，而按這種正弦規(guī)律變化的交流電源，稱為正弦交流電。

圖2-10 交流電的正弦曲線

(2)交流電的周期和頻率

交變電壓或電流完成正負(fù)變化一個(gè)循環(huán)所需要的時(shí)間稱為周期，并用符號(hào)T表示。在單位時(shí)間每秒鐘內(nèi)變化的周期數(shù)即為頻率，以符號(hào)f表示。不難看出，頻率f與周期T是互為倒數(shù)的關(guān)系。即

或 周期的單位為秒(s)，頻率的單位為赫茲(Hz)。我國(guó)交流電的供電頻率為每秒鐘50赫茲，通常簡(jiǎn)寫(xiě)為f=50Hz。

(3)交流電的瞬時(shí)值和最大值

由于交流電壓或電流的大小和方向總是隨時(shí)間而不斷變化，因而它在每一瞬間均具有不同的數(shù)值，這個(gè)不同的值稱之為瞬時(shí)值，并規(guī)定用小寫(xiě)字母表示。一般用i表示電流的瞬時(shí)值;v表示電壓的瞬時(shí)值;而用e表示電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值等。

電流、電壓或電動(dòng)勢(shì)在一周期內(nèi)的最大瞬時(shí)值稱為最大值，并規(guī)定用大寫(xiě)字母表示，同時(shí)還應(yīng)在字母的右下角標(biāo)以m字樣。例如，我們通常用I_m表示電流最大值; U_m表示電壓最大值，而用E_m表示電動(dòng)勢(shì)最大值等。

(4)交流電的相位和相位差

由以上所述可知，交變電動(dòng)勢(shì)或交變電流均可用一根水平方向的直線來(lái)表示時(shí)間，再?gòu)倪@根直線上引出垂直線的高度，以表示其電壓或電流的瞬時(shí)值。如圖2-11所示。這種方法能將正弦交流電在一周內(nèi)的變化完整地反映出來(lái)。但實(shí)際上正弦交流電是一種連續(xù)的波形，它并沒(méi)有確定的起點(diǎn)和終點(diǎn)。不過(guò)，為了說(shuō)明正弦波全面而真實(shí)的情形，還是有必要為正弦波選定一個(gè)起點(diǎn)。正弦波的起點(diǎn)及與它由零值開(kāi)始上升時(shí)形成的角度稱為初相角，或稱為起始相位，并用符號(hào) 表示。

(a)導(dǎo)線位置(b)正弦曲線 (c)矢量表示

圖2-11 正弦交流電的相量圖

與此同時(shí)，也可以用旋轉(zhuǎn)相量來(lái)表示正弦波。這時(shí)，相量的長(zhǎng)度用來(lái)表示正弦電壓或正弦電流的最大值，而旋轉(zhuǎn)相量與水平線之間的夾角表示為相角，并且規(guī)定以反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為相角的正方向，順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為相角的負(fù)方向;而大于180°的相角，可以改用較小的負(fù)值相角來(lái)取代原來(lái)大于180°的相角。如圖2-11(a)所示表示導(dǎo)線已轉(zhuǎn)過(guò)中性線θ角時(shí)的位置，也即為計(jì)算交變電動(dòng)勢(shì)時(shí)的起點(diǎn);如圖2-11(b)所示為用正弦曲線表示的交變電動(dòng)勢(shì);如圖2-11(c)所示為旋轉(zhuǎn)矢量所表示的正弦波。

旋轉(zhuǎn)矢量常用來(lái)表示幾個(gè)頻率相同但相位不同的電壓或電流及其相互間的關(guān)系。如圖2-12(a)所示，在發(fā)電機(jī)電樞上嵌繞有相同的兩個(gè)線圈U和V，兩者幾何位置相差90°。根據(jù)電樞的旋轉(zhuǎn)方向可以看出，線圈U的位置要超前于線圈V的角度為90°;圖2-12(b)所示為U和V兩個(gè)線圈所產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正弦曲線。從圖中可以看出，若以圖2-12(a)所示的位置作為正弦波的起始相位，則線圈U的相角應(yīng)為0°，線圈V的相角則為90°;如圖2-12(c)所示為這兩個(gè)線圈所產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)的矢量圖，由于這兩個(gè)線圈用同樣的角速度旋轉(zhuǎn)，因此兩個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量間將始終保持相差90°相角。

由此可知，當(dāng)電樞在磁場(chǎng)中以不變的角速度ω逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)線圈都將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并且其頻率相同、最大值相等。但因兩個(gè)線圈所處的空間位置不同，從而導(dǎo)致它們的初相角不相等，以至不能同時(shí)達(dá)到最大值或零值。它們的電動(dòng)勢(shì)分別為：

如果兩個(gè)正弦量存在相位差，稱它們?yōu)椴煌嗟恼伊?當(dāng)兩正弦量的相位差φ等于零時(shí)，稱為同相的正弦量。

(a)線圈位置 (b)正弦波(c)矢量圖

圖2-12 兩個(gè)線圈所產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)

3.三相正弦交流電的產(chǎn)生

三相正弦交流電就是由三個(gè)頻率相同，但相位互差120°電氣角度，并且其每相繞組均能在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生按正弦變化的交流電動(dòng)勢(shì)。如圖2-13所示。

如圖2-13(a)所示的交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上布置有三個(gè)相位互差120°電氣角度的線圈。當(dāng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)在電樞線圈內(nèi)產(chǎn)生三相交流電動(dòng)勢(shì)，而三相間的相位差互差120°。如圖2-13(b)所示為該三相正弦交變電動(dòng)勢(shì)的變化曲線，圖中以U相繞組的電動(dòng)勢(shì)從零值開(kāi)始上升時(shí)來(lái)作為起始相位;V相繞組的電動(dòng)勢(shì)比U相滯后120°，W相繞組的電動(dòng)勢(shì)又比V相滯后120°(也即W相繞組電動(dòng)勢(shì)比U相滯后240°或比U相超前120°)。這佯，U、V、W三相繞組依次產(chǎn)生按正弦變化的電動(dòng)勢(shì)。由于發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，使它所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)在通常情況下是對(duì)稱的三相正弦電動(dòng)勢(shì)，若以圖2-13(b)中U相電動(dòng)勢(shì)經(jīng)零位向正值增加的瞬間作為起點(diǎn)，這時(shí)U相電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值為

(V)

V相電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值比U相滯后120°電氣角度，即為

(V)

W相電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值比V相滯后120°電氣角度，即比U相滯后240°電氣角度(或者說(shuō)是比U相超前120°電氣角度)。即為

(V)

圖2-13所示為三相正弦交流發(fā)電機(jī)示意圖。而在實(shí)際應(yīng)用中，三相交流發(fā)電機(jī)的三套繞組是按設(shè)計(jì)規(guī)定的接法進(jìn)行內(nèi)部連接，并將三相繞組的6根首、尾線端引出，然后按星形或三角形接法連接的。下面將分別簡(jiǎn)述這兩種接法。

(a)線圈位置

(b)正弦波形

圖2-13 三相正弦交流發(fā)電機(jī)示意圖

(1)星形(Y)接法

將三相繞組的3根首端直接作為相線(或稱端線)輸出，而把三相繞組另外的3根尾端并接在一起作為各相繞組的公共回路，稱為中性線(或稱零線)。如圖2-14所示，這種接法稱為星形(Y)接法。

圖2-14 三相四線發(fā)電機(jī)的星形接法

圖2-15 星形接法時(shí)的相電壓和線電壓

如圖2-15所示，當(dāng)繞組采用星形接法時(shí)，用電壓表測(cè)出的每相繞組首端與尾端之間的電壓稱為相電壓。從測(cè)量中可以看出，在正常情況下，三個(gè)相電壓的數(shù)值應(yīng)大小相等。而用電壓表所測(cè)出的各相繞組首端與首端之間的電壓(即相線之間電壓)稱為線電壓。從測(cè)量中可知，繞組三個(gè)線電壓的數(shù)值大小也相等。經(jīng)實(shí)踐和分析證明，三相繞組在對(duì)稱條件下，其相電壓與線電壓之間的相互關(guān)系為

即三相對(duì)稱繞組若按星形接法連接時(shí)，其線電壓為相電壓的3^-2倍。如果它們所聯(lián)接的三相負(fù)載也是平衡對(duì)稱的，其線電流等于相電流。

(2)三角形(△)接法

如將三相繞組的首、尾線端依次相連接，以形成一個(gè)自行閉合的三角形回路，并以三相的首端U、V、W與負(fù)載相接，這種接法稱為三角形接法。如圖2-16所示。從圖中可以明顯看出，三角形接法時(shí)其線電壓等于相電壓。由于三相交流發(fā)電機(jī)的合成電動(dòng)勢(shì)在許多情況下不可能絕對(duì)為零值，所以三相繞組中存在的電動(dòng)勢(shì)差值將會(huì)在這個(gè)閉合三角形回路內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，致使繞組發(fā)熱，這種發(fā)熱對(duì)發(fā)電機(jī)顯然是極為不利的。因此，在中小型三相交流發(fā)電機(jī)繞組中極少采用三角形接法。

圖2-16 三相交流發(fā)電機(jī)的三角形接法

按三角形連接的三相發(fā)電機(jī)繞組，其線電流與流過(guò)每相繞組的相電流，在三相負(fù)載對(duì)稱的條件下有著以下關(guān)系