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同步交流发电机的分类和工作特性 |
摘要：柴油发电机组配备的发电机可以说是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电机组。由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。康明斯公司在本文中就发电机的分类和各种工作特性，以及特性曲线图做了分别阐述，以便促进用户更好地了解发电机原理与特点。
一、发电机分类
同步发电机的基本形式分为旋转电枢式和旋转磁极式两种类型，外形如图1所示。这两类同步发电机虽然结构上与所不同，但基本原理是相同的，即磁场与导线的相对运动，切割磁力线，导线产生感应电势，基本原理图如图2所示。
1、旋转电枢式发电机
旋转电枢式发电机的磁场固定的，而电枢则由原动机拖动旋转，三相交流电流通过滑环和电刷的引接送到负载。这类发电机的优点是铁心硅钢片的利用率较高，而且定子是机座可作磁轭，以节约钢材，其缺点是输出的容量受到限制，电压也不能太高，这是由于以下原因。
（1）电枢绕组的电流是通过滑环和电刷的连接引到外电路的。如果输出电流过大，会引起滑环与电刷之间产生过大的火花;若输出电压过大，则滑环和电刷的绝缘不易解决，因此电压一般不超过500V。
（2）由于电枢所占的空间有限，若绕组匝数过多和绝缘层过厚，制作困难，这就限制电压增高和容量增大。
（3）当电枢转速较高时， 由于离心力的作用和振动增大，容易造成电枢损坏，因此，限制发电机的运行。
（4）这类发电机结构较复杂，造价也比较贵。
基于上述原因，用这类发电机供电已很少采用，通常此无刷发电机作交流励磁机用。
2、旋转磁极式发电机
旋转磁极式发电机的电枢是固定的，而磁极则是旋转的，电枢绕组均匀分布在整个铁心槽内。这类同步发电机，按其磁极的形状，又可分为凸极式和隐极式两种。
（1）凸极式发电机
凸极式发电机有明显的磁极，在磁极铁心上套有集中磁极绕组。它的气隙是不均匀的，极弧下气隙较小，而极间部分气隙较大。
（2）隐极式发电机
隐极式发电机没有明显的磁极，磁极绕组分散嵌在转子铁心槽内。由于它的转子制成圆柱形，因此，其气隙是均匀的。
旋转磁极式发电机有效多的空间位置来嵌放电枢绕组和绝缘材料。电枢绕组输出的交流电流可直接送往负载，其机械强度和绝缘条件均比较好，可靠性也比较高。
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图1 交流发电机分类示意图 |
图2 三相交流同步发电机原理图 |
二、发电机工作特性
同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。表征同步发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性。这些特性是用户选用发电机的重要依据。
1、空载特性
发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。此时电机定子的三相绕组只有励磁电流If 感生出的空载电动势E0（三相对称），其大小随 If 的增大而增加。但是，由于电机磁路铁心有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势E0 与励磁电流If 关系的曲线称为同步发电机的空载特性。
空载特性本质上就是电机的磁化曲线，它既可用实验测出也可用磁路计算得到。用实验测取空载特性时，由于磁滞现象，上升和下降的磁化曲线不相重合。一般规定采用空载电压U≈1.3UN开始到If＝0为止的下降曲线并做成适当修正。由图3可见，当If＝0时，有剩磁电动势。这时应延长空载特性与横轴相交，将交点的横坐标绝对值ΔIf0作为校正量，加在测得的空载特性每一点的横坐标上，即可得出另一条通过原点的校正曲线，得到电机实用的空载特性。
在进行柴油发电机组空载实验时（步骤流程如图4所示），测出的原动机拖动同步发电机所耗的功率，即为发电机的空载损耗p。同步发电机的空载损耗中主要包含机械损耗pmec和由主极磁场切割定子铁芯产生的定子铁耗pFe。由于电机转速保持为同步转速，机械损耗恒定不变，只有定子铁耗随着空载电压（正比于主磁通）的变化而变化。在实验中，先记录发电机未加励磁时拖动发电机所需的功率，即为被试发电机的机械损耗。再从不同励磁时拖动发电机所需的功率中扣除此项机械损耗，即可算出定子铁耗，其中对应E＝UN时的铁耗值即可作为电机额定运行时的定子铁耗值。
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图3 发电机空载特性及校正图 |
图4 柴油发电机组空载试机流程框图 |
2、短路特性
短路特性是发电机在同步转速下，电枢出线端三相稳态短路时，电枢电流（短路电流）Ik与励磁电流If的关系曲线。如图6-25（a）所示，图6-25（b）为三相稳态短路时的同步发电机的矢量图。
因为U＝0，此时限制短路电流的仅仅是发电机的同步阻抗，其中电枢电阻值远小于同步电抗可以忽略，故短路电流滞后于励磁电动势为90°，即ψ≈90°；于是电枢电流全部为直轴电流，电枢磁动势为一纯去磁的直轴磁动势，即Fa＝Fad。此时各磁动势矢量都在同一条直线上，合成磁动势为F′δ=Ff－F′ad=Ff－kadFad，由空载特性求出气隙电动势Eδ。此Eδ值与定子漏阻抗（忽略电阻时是漏电抗）相平衡，即
Eδ=I(Ra+jXσ)≈jIXσ
由于Eδ与漏抗压降平衡，对于一般同步发电机，定子漏抗标么值为X*σ=0.1～0.2，则当短路电流达到额定值时，气隙电动势Eδ值仅为额定电压的10%～20%，故发电机磁路处于不饱和状态。此时的励磁磁动势E′与直轴电枢反应电动势E′ad相加后得出气隙电动势E′δ=-E′σ。此E′是根据气隙电动势Eδ=AC的饱和程度，由OC延长线上查出为E′=BD而并非If=OB在发电机空载时所生的励磁电动势E=BF。
在进行短路试验时，应测出拖动同步发电机所需的功率，即为发电机的短路损耗pk，它包括机械损耗、电枢绕组基本铜耗和短路杂散损耗，后两者之和称为短路负载损耗。测出不同短路电流Ik时的短路损耗pk值，然后减去机械损耗，即可得到短路负载损耗随电枢电流变化的曲线，再从额定电流下的短路负载损耗减去电枢基本铜耗pcu1=mI2NRa后即为发电机的负载杂散损耗pad，Ra为电枢绕组的直流电阻。
由空载试验算出机械损耗pmec和铁耗pFe，再由短路试验算出Ik=IN时的定子铜耗pcu1和负载杂散损耗pad。此外在额定负载下测定出额定励磁电流IfN数值并算出励磁绕组铜耗pcuf=I2fNRf，再由励磁机效率算出同轴励磁机的输入功率，即可算出整个发电机的总损耗。
当转速为同步转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系曲线，称为发电机的效率特性。
3、负载运行特性
（1）零功率因数负载特性
同步发电机的负载特性是指转速为同步速度，负载电流和功率因数为常值时，发电机的端电压与励磁电流之间的关系曲线U＝f（If）。负载特性是恒电流特性，其中最有意义的是IN＝常数、cosφ=0时的零功率因数负载特性。
零功率因数负载特性由电枢绕组接到可变的三相纯电感对称负载，使cosφ≈0，同时调节励磁电流和负载电抗，使负载电流保持为一常值得到。当电机容量较大时，可将电机并入电网作空载过励运行，使电枢输出的无功电流为I＝IN，得到零功率因数负载特性上U＝UN点。接着再作此发电机的三相对称稳态短路试验，测出对应Ik＝IN的励磁电流Ifk，得到零功率因数负载特性上U＝0点。
（2）外特性
外特性是当转速为额定值、励磁电流和负载功率因数为常数时，发电机端电压 U 与负载电流 I 之间的关系，特性曲线如图5所示。调整特性是转速和端电压为额定值、负载功率因数为常数时，励磁电流 If 与负载电流之间的关系。还有电阻性、电容性和电感性 3 种负载的情况。由于电枢反应磁场影响的不同，三者的曲线也不一样。在外特性中，从空载到额定负载时电压的变化程度称为电压变化率△U。所谓发电机的外特性，就是指励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，变更定子负荷电流时，端电压U的变化曲线，即U=f(I)曲线。
在滞后的功率因数情况下cos(θ)，当定子电流增加时，电压降落较大，就是由于此时电枢反应是去磁的。在超前的功率因数的情况下[cos(-θ)]，定子电流增加时，电压反而升高，这是由于电枢反应是助磁的。在cos(θ)=1，电压降落较小。外特性可以用来分析发电机运行中的电压波动情况，借以提出对自动调节励磁装置调节范围的要求。
（3）调整特性
所谓发电机的调整特性，系指电压、转速、功率因数为常数的条件下，变更定子负荷电流时，励磁电流的变化曲线。特性曲线如图6所示。不同功率因数下的调整特性可以看出，在滞后的功率因数情况下，负荷增加，励增电流也必须增加。这是因为此时去磁作用加强，要维持气隙磁通；必须增加转子磁势。在超前的功率回数下，负荷增加，励磁电流一般还要降低。这是因为电枢反应有助磁作用的缘故。调整特性可以使运行人员了解：在某一功率因数时，定子电流到多少而不使励磁电流超过制造厂的规定值，并能维持额定电压。利用这此曲线，可使电力系统无功功率更合理一些。
发电机电压变化率约为 20～40％。一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变。为此， 随着负载电流的增大，必须相应地调整励磁电流。有 3 种不同性质负载下的调整特性。虽然调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和纯电阻性负载，它是上升的，而在容性负载下， 一般是下降的。
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图5 同步发电机的外特性曲线图 |
图6 发电机的调整特性 |
总结：
值得注意的是，柴油发电机组配备的同步发电机通常具备自我保护能力，即在一定的转速范围内，它可以自动限制输出电流，以避免过载。这种自我保护机制使得发电机能够在有限的条件下安全地工作。综上所述，交流发电机的三大工作特性分别是空载特性、输出特性和外特性，它们各自反映了发电机在不同工作条件下的性能表现，对于正确使用和维护发电机至关重要。
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