發電機(俗(sú)稱電球)是将機械能轉變(biàn)成交(jiāo)流電能的機器,是柴油發電機(jī)組的電能産生和輸出的機器。

 1、 發電機的基本結構

19世紀英國(guó)科學(xué)家法拉第通過實驗發現(xiàn)了電(diàn)磁感應現象;導體與磁場的磁力(lì)線相對切割運動(dòng)時,導體(tǐ)中會感應出電動勢。如果将這根導體的兩端連接起來,則在這個閉合導體與磁場相對切割運動(dòng)時,導體中就會産生感應(yīng)電流。

原線圈(quān)A通以(yǐ)直流電(diàn),則線圈因有電流流(liú)過而産生直(zhí)流磁場(chǎng)。在副線圈B的兩端接上電流表G。當線圈A穿(chuān)越線圈B的中間向下運動時,電流表G的指(zhǐ)針會随之從中心點擺向一邊。向上運動時,電流表G的指針會(huì)随之擺向另一邊(biān)。這就是說:由線圈(quān)A的直(zhí)流磁(cí)場的磁力線(xiàn)切(qiē)割線圈(quān)B,或者說線圈B内的磁場從無到有(yǒu)或從小到(dào)大發生變化時,它(tā)就會産生感應(yīng)電動勢和感應電流(liú)。而且線圈B中的感應電動勢和感應電流的方向還随磁場方向的變(biàn)化而變化。通過大量的電磁感應實驗,科(kē)學家總結出了恒定磁場與金(jīn)屬導體線圈相對切割運動時線圈内的感應電動勢為:e=-N*（ΔΦ/Δt）

式中(zhōng),N代表線(xiàn)圈B共有(yǒu)多少圈(也稱匝(zā))。ΔΦ/Δt是線圈B中的一圈在Δt時(shí)間内磁通(表示磁場的強弱)的變化量ΔΦ。

可見線(xiàn)圈(quān)B中的感應電動勢(shì)e與(yǔ)線圈A穿越其中間上下(xià)運動形(xíng)成的磁通變化有關(guān)。而且與其運動的速度也有關,上下運動(dòng)越快感應電動勢e越大。線圈繞(rào)的圈數N越多e也越(yuè)大(dà)。

法(fǎ)拉第定律告訴我們:金屬線圈穿過磁場切(qiē)割磁(cí)力線,或者線圈不動而磁場磁(cí)力線掃過它,都會在金屬線圈的兩個端頭間産生(shēng)電壓。發電機就是根據這個原理制造的。

按照發電機的基本(běn)結構(gòu),磁場(chǎng)固定,金屬線圈繞組(zǔ)做成可(kě)旋轉的以便切(qiē)割磁力線,電壓從這個線圈繞組引出(稱為電樞繞組),這種結構的發(fā)電機叫做旋轉(zhuǎn)電樞式(shì)發電機。因為電樞是旋轉運(yùn)動的(de),電樞(shū)繞組的電(diàn)流要靠活動接(jiē)觸的(de)電刷和滑環引出才能(néng)供給負荷。因此輸出電流和電壓都不(bú)能太大,一般不超過500V,否則電刷和滑環之間将産生很大的火(huǒ)花。這種結構形式的發電機已(yǐ)很少采用。

常用的同步發電機(jī)的結(jié)構形式是輸出電壓、電流的繞組(即電樞)是固定的,而産生磁力線的線圈繞組(zǔ)是旋轉(zhuǎn)的,其磁場自然也随之(zhī)旋轉,這種叫做旋轉磁(cí)場式發電機。發(fā)電機轉子部分隻産生直流磁場,而取(qǔ)消了滑環和(hé)電刷。定子(zǐ)部分(fèn)有更多的空間嵌放電樞(shū)繞組和(hé)絕緣材料,電樞産生的電流可以直接輸往(wǎng)負(fù)荷,其機(jī)械強度和絕緣性能(néng)都較好,可靠性也大(dà)為提高。所以又稱為(wéi)無(wú)刷同步發電機。

同(tóng)步發電機的定子部分(1)按照120°的空(kōng)間位置分布了三個同樣的繞組,這就是定子繞組,發電機的輸出電壓由它們通(tōng)過發電(diàn)機定子繞組(270)引出線(xiàn)接線端子給出,所以把它們也稱為電樞繞組。同步發(fā)電機(jī)轉子(4)上面安(ān)裝着轉子繞組,它由同一(yī)軸上的勵磁機電樞繞組(100)輸出的交流電,經旋轉整流器(78)整流後的直流電供電,并(bìng)形成主磁場。主磁場和電樞磁場(共同形成一個合成磁場)的磁力線剛掃入電樞繞組時,繞組兩端的電(diàn)壓小,全部掃入時電壓*大,快掃過繞組時電壓也小。所以說,繞組兩端的電壓是交(jiāo)流變化的,稱之為交流電壓。這樣,同步發電機(jī)就可以産生彼此(cǐ)相差120°的三相交流電壓(yā)。如果(guǒ)按順序将這三個電樞(shū)繞組編号為A、B、C,則它們各自的輸(shū)出電壓瞬時值(zhí)可表達成(chéng)

uA=Umsin(2πf t+0°)

uB=Umsin(2πf t-120°)

uC=Umsin(2πf t+120°)

式中,(1)0°、-120°、+120°叫做初(chū)相角,它們是由同步發(fā)電機的結構決定的。

(2) f 是電壓(yā)的(de)頻率。它表示單位時間内,同步發(fā)電機轉子磁場的磁力線切割電(diàn)樞繞組的次數(shù)。f的大小實際上是由發電機組(zǔ)的柴油發動機的轉(zhuǎn)速決定的,因為是它直接(jiē)帶着發電機轉子一(yī)起(qǐ)旋轉,轉速越(yuè)快,則 f 越(yuè)高。反之亦然, f 越低。對于同一台同步發電機而言(yán),顯然三個電壓的頻率 f 是一樣的。2πf 則是轉子磁場的磁力線切割電樞繞(rào)組的角頻率,用ω表(biǎo)示。從三相電壓的表達式可知:2πf t+φi(φi=0°、-120°、+120°)是正弦(xián)量變化的(de)核(hé)心,它反映了正弦量随時間t變化的進程。

(3)Um是電壓的*大值。它是由同步(bù)發電(diàn)機的勵磁系統勵磁電流的大小決(jué)定的,同步發電機的轉子磁場是由勵磁電流流過轉子繞組(zǔ)産生的,電(diàn)流大則轉子磁場強,磁(cí)力線切割電(diàn)樞繞組在繞組上産生的感應電動勢就大。反(fǎn)之亦然,感應電動勢就小。同步發電機隻有一個勵磁系統,因此三個繞組輸(shū)出電壓的*大值Um都是一樣(yàng)的。

根據設計,三個電樞繞組之間的電壓(稱為線電壓)為380～400V。由于這種(zhǒng)同步發電機在電氣性能和機械(xiè)性能方面都(dōu)具(jù)有優(yōu)點,因而被柴油發電機組普遍采用。

3 、 轉子繞組的勵磁 

所謂勵磁即是向同(tóng)步發(fā)電機轉子(zǐ)繞組提供直流電,使其産(chǎn)生直流磁(cí)場的過程。早期的(de)發電機是采(cǎi)用單(dān)獨的勵磁機給轉子線圈提供直流(liú)電,系統龐大而(ér)複雜。随着技術的進步,現代同步發(fā)電機都是将發電機(jī)與勵磁機組裝在一起構(gòu)成一(yī)個完(wán)整的發電機(jī)。

勵磁機其實就是個(gè)小(xiǎo)發電(diàn)機,其工作原(yuán)理與同步發電機一樣。所不同的是它的定子線圈和轉子線圈所起的作用與同步發電機——主發電機正好相反;勵磁機(jī)定子繞組(90)固定(dìng)在主發電機定子旁,勵磁機的定子線圈通以直流電形成直流磁場。而安裝在主發(fā)電機轉子軸上的勵磁機的轉(zhuǎn)子線圈(quān),勵(lì)磁機電樞繞組(100)成為輸出電(diàn)壓的繞組。勵磁機的轉子與(yǔ)定(dìng)子内壁(bì)之間也是保持着較小而均勻的間隙。勵磁機定(dìng)子線圈的直流(liú)電,是由主發電機定(dìng)子線圈(quān)即電樞的部分輸出電壓經(jīng)整流後而得到的。它使勵磁機定子(zǐ)線圈産生直流磁場,且該磁場是不動的。工作時,與(yǔ)主發電機轉子同軸(zhóu)安裝的勵磁機(jī)轉子線圈在這個磁(cí)場内旋轉、切割磁力線産生感應電動勢。該電勢經同軸安裝(zhuāng)在勵(lì)磁機電樞繞組旁邊(biān)的旋(xuán)轉整(zhěng)流器(78)變成直流電流,再輸到主發電機的轉子繞組使其産生(shēng)直(zhí)流轉子磁場。從而達到了對主發電機轉子繞組(zǔ)勵磁的要求。

 4 、輸出電(diàn)壓的調控 

調控的目的就是實現在同步發電機額定範圍内(nèi)的負荷,無論(lùn)其性質(zhì)及大小如何變(biàn)化都能穩住(zhù)輸出電壓。調控的(de)技術方式随着發電機額定功率的不同、每個(gè)時期技術(shù)發展程度的不(bú)同,有簡潔及**的許多類型。

但總的理念都是:實時從主發電機電樞取得電壓和電流,經自動電壓調節器整(zhěng)流和(hé)負反饋調理(lǐ)後供給勵磁機的(de)定子線圈,使其産生(shēng)變化規律與主發電機輸出電壓變化規律相反的(de)直流電磁場。這(zhè)個磁場也必然使勵磁(cí)機轉子電(diàn)樞的輸出電壓以(yǐ)及旋轉整流器(qì)供給主發電機(jī)轉子線(xiàn)圈的直流電(diàn)流按(àn)同樣的規律而變化。從而起到實時調(diào)節主發電機轉子(zǐ)磁場大小,使主發電機在額定負荷範圍(wéi)内保持良(liáng)好(hǎo)輸出特性的作(zuò)用。

對發電機輸出電(diàn)壓的調控過(guò)程,自動電壓調節器起着重要(yào)作用。

可見,通過勵磁機實時調(diào)控主發電機轉子繞組磁場的大小,就可(kě)以穩住輸(shū)出電壓。這(zhè)其中起重要作用的(de)是具有負反饋功能的自動電壓調節器(qì)。通常也稱其為恒壓(yā)勵磁裝置。

 5 、自動電壓調節器(qì) 

在柴(chái)油發電機組的額(é)定負(fù)荷範圍之内,無論負(fù)荷是電阻、電容、電感性或兼(jiān)而有之,也無論它們的(de)大小怎樣變化(huà),對柴油機的主要(yào)要求是穩住轉速(通常(cháng)柴油發動(dòng)機的額定轉速為每分鐘1500轉)。而(ér)對同(tóng)步發電機的主要要求則是穩住輸出電壓。為此,一般都采用以**電子裝置為核心的自動電壓調控系(xì)統。

現(xiàn)代交流同(tóng)步發電機常用自動電壓調節器(AVR)這種電子部件,調節勵磁機定子磁場的強弱。進而達到穩住輸出電壓的目的。雖然AVR的種(zhǒng)類很多,但性能大同小(xiǎo)異。都是(shì)實時采(cǎi)樣(yàng)主發(fā)電機的輸出電壓值(zhí)與預先設定的(de)值相比較(jiào),用比較的結果去調節脈(mò)沖寬度調制器(PWM)。輸(shū)出電壓值高則調制器輸出脈沖寬度窄,反之則寬。然後再(zài)用這些脈沖(chòng)去調控大功率半(bàn)導體開關(guān)器件,控制(zhì)送入勵磁機定子(zǐ)線圈的電流的時間及大小。從而(ér)使它的磁場強弱随着主發電機輸(shū)出電壓的變化而相反變化。即輸出(chū)電壓升高則勵磁機定子磁場減小,輸出(chū)電壓降低則(zé)勵磁機定子磁場增強,從而達到負反饋調控的目的(de)。

采樣取自主發電機輸出的部(bù)分電(diàn)壓,從(8)、(9)兩端(duān)進入電壓測量單元。經降壓、分壓、整流濾波後,得到與發電機輸出(chū)電壓(yā)成正比的直流電壓。它被R4、R5、PR1分壓後獲(huò)得電壓UA,并送入脈寬調制(zhì)器。出廠前或者發電機帶載正常(cháng)工(gōng)作時,調節RHR外接(jiē)電(diàn)壓微調電位器使UA确定一個值作為基準。測量單元輸出的(de)電壓Uc則送入低頻保護單元。

脈沖寬度調制器(PWM)的輸出調寬(kuān)脈(mò)沖UB控制調制管VT3。若由電(diàn)壓測量單元送來的UA比基準電壓大,表明主發電機輸出電(diàn)壓升高,則(zé)大的UA就會使脈沖寬度調制器輸出的脈(mò)沖電壓UB的寬度變窄。窄的脈沖就會使VT3導通時間短(duǎn),通過的電流小。反之,主發電機輸出電壓降低,UA變小,則脈沖寬度調(diào)制器輸出UB的寬度随之變寬(kuān),從而使VT3導通(tōng)時間變長,通過的(de)電流增多。

勵磁(cí)機的定子線圈一端接在端子X1上,另一(yī)端接在XX1端子上。由主發電(diàn)機(jī)電樞繞組取樣的XA、XB、Xc三相電壓(一般為36～45V),經過三(sān)個二(èr)極管VD10、VD11、VD12整(zhěng)流後,其直流(liú)電流從X1端流入勵磁機的定子線圈,由XX1流出,再經過調制管VT3和XN端子流回主發電機(jī)電樞繞組,形成(chéng)一個勵磁(cí)機定子線圈的(de)勵磁電流通路。VT3是這個通路上(shàng)的開關(guān),它導通時(shí)間長,則定子(zǐ)線圈(quān)流過的電流大,勵磁機定子磁場強(qiáng)度變大。VT3導通時間短,定子線圈電流少,定子磁場強度小。

AVR就是這樣調控(kòng)主發電機的電壓的。主發電機(jī)由于負荷原因輸(shū)出電壓升(shēng)高,電壓(yā)測量(liàng)單元輸出的UA随着升高,受UA控制的脈寬調制器輸出脈沖電壓UB寬度變窄,開關管VT3導(dǎo)通時(shí)間短,勵磁機定子繞組因電流少(shǎo)磁場減弱,勵磁機轉子電樞電壓及(jí)旋轉整流器輸出(chū)電流随之減小，導緻供給主發(fā)電機轉子繞組(zǔ)的勵磁電流變小，則主發電機因(yīn)其轉子磁場的減小而使輸出電壓降低。反之，AVR的負反(fǎn)饋調控功能就會使主發電機的輸出電壓升高。

在(zài)主發電機因負荷超出額定值(zhí)而輸出極大電流時,柴油發動(dòng)機也(yě)需随之輸出巨大(dà)的動力導緻其轉(zhuǎn)速低于額定值。低(dī)頻保護單元的作用就是在這種情(qíng)況下限制勵磁機(jī)定(dìng)子線圈裡電流的超額增大。它以(yǐ)電阻和電容構成(chéng)的充放電支路預(yù)先設定一(yī)個低頻保護點,當主發電機負荷正常時,從電壓測量單元來(lái)的Uc小于低頻保護點,則低頻保護單元輸出的電壓UD高,二極管VD8被截止,UD到不了脈寬(kuān)調制器,起不了作用。若主發電機超載則UD變低,VD8導通,UD和(hé)UA就可同(tóng)時作用于脈寬調制器,使其輸出(chū)的UB随UD的下降而變窄(zhǎi),調制管VT3導通時間随之變短,勵(lì)磁電(diàn)流減小,勵(lì)磁機定子(zǐ)磁場變弱。從而(ér)導緻主(zhǔ)發電(diàn)機轉子磁場減小。發(fā)電(diàn)機輸出電壓下降(jiàng)、電流(liú)減小。低頻保護(hù)單元(yuán)起到了保護勵磁機和主發(fā)電機的作用(yòng)。

 6 、同步發電機常用技術參數

理解同步發(fā)電機的技術(shù)參數,對(duì)管好用好柴油發電機組是十分(fèn)必要的。常用的參數有：

額定(dìng)電壓UH——同步發電(diàn)機正常工作時,定子内的三(sān)相電樞繞組每組線端(每組的電壓輸出端)之間(jiān)的線電壓。單位是V或kV。一般UH值為400V(線電壓)或230V(相電壓)。

額定電流IH——帶額定負荷正常(cháng)工作時,流過定(dìng)子繞組的線電流,單位是A或者(zhě)kA。

額定功(gōng)率(lǜ)因數cosφH——同步發電機帶(dài)額定(dìng)負荷正常工作時,其每相(xiàng)定子繞組内的電壓與電流之間相角差φH的餘弦函(hán)數(shù)值。一般這個值是根據電力系統的(de)需要情況設計而(ér)定的。通常為(wéi)0.8(滞後)。

額定容量SH——在額(é)定(dìng)負荷及額定功率(lǜ)因數情(qíng)況下正常運行時,同步發電(diàn)機輸出的視在功(gōng)率。單位是kVA。有時也用有功功率PH表示,其單位為kW。兩者之間的關系是PH=SHcosφH。額定容量是同步發電機的重要參數之一,它表明該機的(de)發電能力。

額定頻率fH——額定運行時,同步(bù)發電機輸出電壓每(měi)秒鐘内交變的次數。單(dān)位是Hz。我國制定的工業頻率為50Hz。

效率η——同(tóng)步發電機輸出的有功功(gōng)率與(yǔ)輸入的有功功率(柴油發動機(jī)對它做的有功(gōng)功率)的比值。它(tā)是表征同(tóng)步發電機(jī)運行經濟(jì)性的重要參數,越高越好。

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