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新闻主题	三相发电机空载运行的特性

 

摘要：三相同步发电机的电枢绕组为三相对称绕组，感应的电势为三相对称电势，在对称负载下稳定运行是其主要运行方式，此时发电机的每相电压和电流是对称的。发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。此时发电机定子的三相绕组只有励磁电流感生出的空载电动势(三相对称)，其大小随励磁电流的增大而增加。但是，由于发电机磁路铁心有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势与励磁电流关系的曲线称为同步发电机空载特性，康明斯公司在本节中主要叙述对称负载时三相同步发电机的空载运行原理和特性。

一、空载磁场

 

      同步发电机被柴油机拖动到同步转速，转子的励磁绕组通以直流电流，而定子绕组开路时的运行称为空载运行。此时发电机气隙中唯一存在的磁场就是由直流励磁电流产生的励磁磁场，因为同步发电机处于空载状态，所以又称为空载磁场或主磁场。

      空载磁场分布如图1所示，图中既交链转子又交链定子的磁通称为主磁通，即空载时的气隙磁通，它的磁密波是沿气隙圆周空间分布的近似正弦波形。忽略高次谐波分量，主磁通基波每极磁通量用Φ₀表示。励磁电流建立的磁通还有一小部分仅交链励磁绕组本身，而不穿过气隙与定子绕组交链，称其为主极漏磁通，用Φ_f0表示，它不参与同步发电机的机电能量转换。主磁通所经路径称为主磁路。它由主极铁芯（转子N极）→气隙→电枢（定子）齿→电枢磁轭→电枢齿→气隙→另一主极铁芯（转子S极）→转子磁轭，形成闭合磁路。漏磁通的路径主要由空气和非磁性材料等组成，两者相比，主磁路的磁阻要小得多，所以在磁极磁势的作用下，主磁通远大于漏磁通。电枢工作过程如图2所示。

 

图1 凸极式同步发电机的空载磁场分布

图2  发电机电枢线圈工作原理

 

二、空载特性

 

      在柴油机驱动下，转子以同步速度n₁旋转，主磁通切割定子绕组，感应出频率为f的三相基波电势，感应电势的有效值为

E₀＝4.44fWK_w1Φ₀

式中，E₀——基波电势，V；

f——感应电势的频率，Hz；

W——每相定子绕组串联匝数；

K_w1——基波绕组系数；

Φ₀——主磁通基波每极磁通量，Wb。

      感应电势的频率f与极对数p以及同步转速n₁之间的关系为

f＝pn₁/60

      由于I＝0，同步发动机的电枢电压等于空载电势E₀，由三相基波感应电势的有效值公式E₀＝4.44fWK_w1Φ₀可知，电势E₀取决于空载气隙磁通Φ₀。Φ₀取决于励磁磁势或励磁电流I_f。因此，空载时的端电压或电势是励磁电流的函数，即E₀＝f（I_f），E₀与I_f的关系曲线称为同步发电机的空载特性（曲线），如图3中的曲线1。发电机空载试验电路如图4所示。

 

图3  同步发电机的空载特性曲线

图4  同步发电机空载试验电路

 

      由于E₀∝Φ₀，F_f∝I_f，因此在改换适当的比例尺后，空载特性曲线E₀＝f（I_f）即可表示主磁通Φ₀和励磁磁势F_f之间的函数关系［Φ₀＝f（F_f）］，Φ₀＝f（F_f）称为电机的磁化曲线。这就说明励磁磁势F_f和主磁通。之间具有内在联系。因此任何一台电机的空载特性实际上也反映了它的磁化特性。从图2可以看出，当磁通较小时，磁路不饱和，此时铁芯部分所消耗的磁势很小，可略去不计，磁化曲线近于直线。当磁通值较大时，磁路中的铁磁部分已饱和，因而所消耗的磁势较大，空载特性曲线就逐渐弯曲。在电机设计时，既要充分利用铁磁材料，又要考虑到不因过分饱和而增加励磁磁势，从而增加发电机的用铜量，所以使电机的空载额定电压运行于空载特性曲线的弯曲部分，如图3-17中的c点。若将空载特性曲线的直线部分延长得到图3-17中的直线2，这条直线称为气隙线。它表示气隙磁势F。与基波每极磁通Φ₀之间的关系。图中oa代表额定电压，ac表示产生额定电压所需要的磁势F_f0。

      F_δ为气隙磁势，F_fe为克服铁芯磁阻所需磁势，铁芯越饱和，F_fe增长得越快。当E₀＝U_N时，总磁势F_f0和气隙磁势F_δ之比称为电机磁路的饱和系数K_s，即

 

      由上式可得dc＝dn/Kg。式中，dc为额定电压；dn为在相同励磁磁势下，磁路未饱和时的励磁电势；一般空载额定电压时的K，值为1.1～1.25。可见在磁路饱和后，由励磁磁势所建立的磁通和它感应的电势都降低到未饱和时的1/K_s。

      发电机的空载特性曲线可用标幺值表示，以额定电压U_N、为电势的基值，I_f0为励磁电流的基值（I_f0为电机空载时E₀＝U_N的励磁电流）。不同的电机用标幺值绘出的空载特性都相差不大，由此可认为电机有一条标准的空载特性曲线存在。标准空载特性曲线的数据如表1所示。空载特性曲线很有实用价值，用它来对比已制造出来的电机试验数据，就可以看出该电机的磁路饱和情况、铁芯的质量以及材料的利用情况等。

表1 标准空载曲线数据表

      空载特性曲线是发电机中一条最基本的特性曲线，它的用途很广，通过空载特性还可以检验电机励磁系统的工作情况，电枢绕组连接是否正确。空载特性代表了电机中磁和电两方面的联系，表达了由励磁磁势产生感应电势的能力。在有负载的情况下，如果能获得磁路中的总磁势，也可利用这个特性来求取气隙磁通在电枢绕组中所感应的气隙电势。

 

三、对空载电势的要求

 

      现代交流同步发电机要求其产生的电势是三相对称；频率恒定；波形接近于正弦；具有一定的幅值。这几项要求标志着发电机输出电能的质量。另外，从设计和制造的角度考虑还要求：制造加工容易；节约材料；维修方便，保证发电机的运行性能等。然而对发电机输出电能质量上的要求和制造上的经济性有时会发生矛盾，因此必须从整体全面考虑，不能片面地强调某一方面。事实上要求电能质量绝对化，既是不可能的，而且也没有必要，反而会给发电机的制造带来困难，增加不必要的制造费用。根据国家标准GB/T 755-2019，允许电势波形和电势的不对称程度有一定范围的偏差。

1、对电势波形的要求

      同步发电机空载线电压的波形应在额定电压和额定转速情况下测定。空载线电压波形与正弦波形的偏差程度，一般用所谓电压波形正弦性畸变率来表示。根据国家标准GB/T755-2019的规定，电压波形正弦性畸变率K_u可按下式算出：

 

式中，u₁——基波电压有效值，也可用线电压的有效值来代替；

u_n——n次谐波电压的有效值。

      对于额定容量在300千伏安（kV·A）以上的发电机，K_u要求不超过5％；对于额定功率在10～300千伏安（kV·A）的发电机，K_u要求不超过10％。电压波形正弦性畸变率的数值可用专用测量仪测定；也可用示波器拍摄电压波形，然后用数学分析法确定各次谐波的数值，再按上式算出电压波形正弦性畸变率。当前采用计算机辅助设计编程来求电压波形正弦性畸变率是较好的方法。

      事实上，如果所拍摄电压波形曲线与其基波分量的最大瞬时偏差ΔE（如图5所示）不超过基波E_1m的5％时，即可认为其是正弦波形，如图6所示。

      如果电势波形正弦性畸变率太高，将产生许多不良后果。例如使发电机本身和由它所供电的电动机的损耗增加和效率降低等。因此对正弦波形畸变率应有足够重视。

图5  发电机电势基波分量的最大瞬时偏差与基波的比较

图6  发电机正弦交流电电压波形

 

2、在三相系统中对电势对称的要求

      在三相系统中电势要对称，即要求各相电势幅值相等而相位相差120°电气角度。这就要求三相绕组中每相应具有相同的匝数，并且安置在恰当的位置上。按照GB/T 755-2019规定：多相系统中，如电压的负序和零序分量均不超过正序分量的2％时，即称为实际对称电压系统。国家标准要求三相发电机的输出电压能满足实际对称系统的要求。

 

总结：

      针对三相同步交流发电机的空载饱和特性问题，可以通过有限元法建立同步发电机的二维电磁场物理模型。通过此模型对发电机定转子铁心的电磁场分布进行计算，并进一步对气隙中线磁场分布进行了谐波分析，以便更加详细地得到了发电机的空载饱和特性曲线。

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