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新闻主题	发电机交流绕组节距的定义和设计

 

摘要：发电机节距计算是指计算发电机中转子上的磁极之间的距离，也称为极距。发电机的极距直接影响到发电机的性能和效率。正确的节距计算可以确保发电机的正常运行和高效发电。在发电机中，磁极是用于产生磁场的部件，通常由永磁体或电磁铁制成。磁极之间的距离决定了磁场的分布和强度。过小的节距会导致磁场不均匀，影响发电机的输出功率和稳定性；而过大的节距则会增加磁场的漏磁量，造成能量浪费。柴油发电机组配备的电球节距通常分为三分之二节距和六分之五节距，康明斯公司在本文中对这两种节距进行了比较和分析。

 

一、发电机节距的计算方法和注意事项

 

      发电机节距计算是指在发电机转子上的各个电枢之间的间距。准确计算发电机节距对于发电机的正常运行至关重要，因为节距的大小直接影响到发电机的电磁特性和发电效率。发电机节距的计算需要考虑多个因素，包括发电机的设计要求、转子的直径、磁极数和机械结构等。发电机基本结构外观如图1、图2所示，下面将具体介绍几种常见的发电机节距计算方法。

1、 等分法

       这是一种比较简单粗暴的计算方法，即将转子的周长等分为磁极的数量。例如，如果转子的周长为C，磁极的数量为N，那么每个磁极之间的节距为C/N。

2、 角度法

      这种方法是根据转子的圆周角度来计算节距。首先需要知道转子的直径D和磁极数N，然后计算出每个磁极所占的角度为360/N。最后，将转子的圆周角度360度除以磁极数N，得到每个磁极之间的角度，再乘以转子的直径D，就可以得到节距的长度。

3、磁极宽度法

      这种方法是根据磁极的宽度来计算节距。首先需要知道磁极的宽度W和磁极数N，然后计算出每个磁极所占的宽度为W/N。最后，将磁极的宽度W除以磁极数N，得到每个磁极之间的宽度，就可以得到节距的长度。

4、节距计算的注意事项

（1） 测量精度：测量转子直径时要保证精度，以免影响节距的计算结果。

（2）节距调整：节距的计算结果是理论值，实际应用中可能需要根据具体情况进行调整。

（3）公差控制：在实际制造中，需要控制电枢之间的间距在一定的公差范围内，以确保发电机的性能和可靠性。

（4）结构设计：发电机的结构设计也会影响节距的计算，例如转子的形状和电枢的布局等。

（4）高温效应：在高温环境下，发电机的节距可能会发生变化，需要进行相应调整。

 

图1  同步交流发电机上下二等角轴测图

图2  同步交流发电机俯视图

 

二、不同节距发电机的对比

 

      发电机的转子上有多个电枢，电枢之间的间距就是节距（如图3所示）。节距的大小对于发电机的电磁特性产生重要影响。节距过小会导致电枢之间的相互干扰增加，电磁损耗增大，同时也会增加故障发生的概率；节距过大则会降低发电机的发电效率。因此，合理计算发电机节距是确保发电机正常运行的基础。

      2/3节距交流发电机能抑制3次谐波电流在中性线流过，主要适用于低压柴油发电机组；5/6节距交流发电机在无中性线的三线配电系统中采用，主要适用于高压柴油发电机组（如图4所示）。如果采取措施消除或减轻谐波电流在中性线中流动的风险，可以并联不同节距的交流发电机。

      绕组节距和谐波，当交流发电机空载或带线性负载运行时，产生的电压波形形状根据其工频基波频率和电压幅度，以及谐波的电压幅度及其频率来描述。因为所有交流发电机都表现出一定程度的谐波电压失真，因此上述描述是必要的，即使这些失真相对于可能由非线性负载引起的失真非常小，但在并联应用中，它们可能仍然相当可观。谐波电压与工频基波波形叠加，导致纯正弦波的工频基波形状有些失真。在任何时间点所得到的电压都将是工频基波和所有的谐波之和。

      绕组节距是影响发电机输出电压波形谐波含量的几个因素之一。称为短距系数（K_p）的参数定义了由于使用短节距（即小于全节距）绕组而导致谐波含量减少的比例。

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

式中，N为谐波次数；节距为分数（如2/3,5/6等）。

      对于全距绕组（节距＝1τ，τ为极距），短距系数对所有谐波为1，即没有减少工频基波或任何谐波的电压幅值。2/3和5/6节距交流发电机的主要优缺点见表1。

表1   2/3和5/6节距交流发电机的绕组短距系数

 

       对于5/6和2/3节距的交流发电机，工频基波的短距系数分别为0.97和0.87。这意味着5/6节距交流发电机产生的基波电压等于相同的全距交流发电机以相同的励磁水平产生的基波电压的97％。对于2/3节距交流发电机，这一比例由97％下降到87％。这表明具有5/6节距定子线圈的交流发电机比在相同的励磁水平的2/3节距线圈能够产生更高的基波电压。

      同一交流发电机，用5/6节距线圈能够比用2/3节距线圈输出更大的功率，即使用相同量的材料可以产生更大的kVA输出，因此更有效地利用了铜和钢，这是5/6节距相比2/3节距交流发电机的主要优点。

      从表1可以看出，2/3节距交流发电机的主要优点是它没有3次谐波含量，事实上，2/3节距的交流发电机不产生3次谐波。（术语3次谐波是指所有3次谐波的奇数倍，所以3，9.15和21次等属于3次谐波。）

      重要的是尽量减少所有频率的谐波电压。总谐波失真（THD）为所有频率的谐波电压的总和与工频基波的百分比，是一个经常应用的交流发电机参数。好的交流发电机设计可以实现2/3或5/6节距交流发电机均具有类似的较小THD值。

      降低所有频率的谐波电压均是同等重要，四线的低压电压配电系统需要特别考虑3次谐波。（注意，术语“低电压”在本文中是指其线电压低于1000V。因为不同的地区有不同的中高压定义，我们将使用术语“中压或高电压”或简称“MV/HV”表示线路电压超过1000V），其中原因是在四线系统中，三相的所有3次谐波电流（实际上所有3次谐波的3倍电流）直接流经中性线，这可以导致高水平的谐波失真和潜在中性线过热风险。单相负载特别是产生3次谐波的单相整流或开关电源负载的电流总是需要流经中性线。

      低压三相整流（非线性）负载也产生3次谐波电流。正是由于这些原因，绝大部分低压发电机组采用2/3节距。虽然5/6节距绕组能够消除更多的5和7次谐波，但2/3节距交流发电机能够消除低压系统中的3次谐波更胜一筹。

      在中压或高压下，由于通常不使用中性线，所以较少考虑3次谐波的影响。对于MV/HV发电机组，通常使用变压器进行降压。为了给单相负载提供中性线，变压器的低压绕组一般采用星形（丫）联结。与发电机绕组直接连接变压器的高压绕组一般采用三角形接线法（DELTA）（Δ）联结。3次谐波电流将在三角形联结的高压绕组中循环，并保持在变压器的高压侧。虽然这些3次谐波电流也会产生涡流从而产生热量（如所有谐波电流一样），但远远不如直接流经中性线中的3次谐波电流产生的发热量那么大。

      对于大多数中压和高压系统，当负载性质决定不需要中性线时，产生的3次谐波电压基本可以忽略。在这些应用中，只要保持较低的总谐波失真，并且注意减少或消除并联发电机组的中性点和接地点之间的环流，则通常适合使用5/6节距交流发电机。

 

图3  发电机节距示意图

图4  六分之五节距发电机谐波波形

 

总结：

      除了上述内容外，我们需要注意的是不同类型的发电机对节距的要求有所不同。例如，交流发电机的节距一般较小，通常在1-2毫米之间；而直流发电机的节距一般较大，通常在10-20毫米之间。此外，发电机的设计和制造标准也会对节距的要求进行规定。发电机节距的计算是确保发电机正常运行和高效发电的重要步骤。选择合适的节距计算方法，根据发电机的设计要求和实际情况进行计算，可以提高发电机的性能和效率，减少能源的浪费。

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