發◊電◊機(俗稱電球(Qiú))是将機械▲能▲(Néng)轉變成交流電能的(De)機器,是[Shì]柴油發電機組的電能[Néng]産生和輸出的機器。

 1、 ▲發▲電機的基◊本◊[Běn]結[Jié]構

19世紀英國[Guó]科學家法拉第通過[Guò]實[Shí]驗發現(Xiàn)了電磁感應現象;導體(Tǐ)與磁◊場◊的磁力線相對切割運動時,導[Dǎo]體中會感(Gǎn)應出電(Diàn)動勢。如果将(Jiāng)這根導體的兩[Liǎng]端連接起來,則在這個閉合(Hé)導體與磁場相∆對∆(Duì)切割運動時,導體中就會産▿生▿[Shēng]感應電(Diàn)流。

原線圈A通以直流電[Diàn],則線圈因[Yīn]有電流流過而産[Chǎn]生直流磁場。在副線圈B的兩端▾接▾(Jiē)上[Shàng]電流表G。當線圈A穿越線圈B的中間向下運動時,電流表[Biǎo]G的◇指◇[Zhǐ]針會随之從中心點擺向一邊。向上運動時,▲電▲流表(Biǎo)G的指針會(Huì)随之擺向另一邊。這就(Jiù)是說:由(Yóu)線圈A的直[Zhí]流磁場的磁力線切割線圈B,或者說(Shuō)線圈B内的磁場從無到有或從小到大◇發◇生▿變▿化時,它▽就▽會産●生●感應電動勢和感應電流。而且線圈B中的感(Gǎn)應[Yīng]電動勢和感應電∇流∇的方向[Xiàng]還随磁場方向的變◆化◆而變化。通過大量的電磁感應實驗,科[Kē]學家總結[Jié]出了恒定磁[Cí]場與金(Jīn)屬導體線圈相對切[Qiē]割運動時(Shí)線圈内(Nèi)的感應電動勢為:e=-N*（ΔΦ/Δt）

式中(Zhōng),N代表線(Xiàn)圈B共有多少圈(也稱匝(Zā))。ΔΦ/Δt是線圈B中[Zhōng]的一圈[Quān]在Δt時間内磁▽通▽(表◆示◆磁場的強○弱○)的變化量ΔΦ。

可見線[Xiàn]▾圈▾B中的感應電動勢[Shì]e與線圈A穿越其中間上下運動形成[Chéng]的[De]磁通變化有關。而且與其[Qí]運動的速度也有關,上下(Xià)運動越快感應[Yīng]電[Diàn]動勢e越大(Dà)。線圈繞的圈數N越多e也越大。

法拉第定律告訴我們:金屬∆線∆○圈○穿過磁場切割磁力線,○或○[Huò]者線圈不⋄動⋄而磁場磁力線[Xiàn]掃過它,都[Dōu]會在金屬線圈的兩個▿端▿(Duān)頭間∇産∇生電壓。發電[Diàn]機就是根據[Jù]這個原[Yuán]理制造●的●。

按照發▿電▿機的基本結構,磁場固定,金屬線圈繞∇組∇(Zǔ)做成可旋轉的以便切割磁力線,電∇壓∇從[Cóng]這個線圈繞組引[Yǐn]出(稱為電樞繞組),這種結構的發電機叫做[Zuò]旋轉電樞式發電機(Jī)。因為◆電◆樞是▾旋▾轉運動的,電樞繞組的電[Diàn]流要靠活動接觸∆的∆[De]電刷和滑環引(Yǐn)出[Chū]◈才◈能供給負荷。因此輸出(Chū)○電○(Diàn)流和電壓都不能太大,一◊般◊不超過500V,否則電刷和滑環之間将産生很大的火花。這種結構形式的(De)發電機已很少采[Cǎi]用[Yòng]。

常用的同步發(Fā)電▾機▾[Jī]的結構形式是輸出電壓、電[Diàn]∇流∇的繞組(即[Jí]電樞)是固定的,而産[Chǎn]生磁力線的線圈繞組是旋轉[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(Zhuǎn)子◊部◊分隻産生直流磁場,而取消了滑環和電刷。定子部分有更多的空間嵌放電樞繞組和絕緣材料,電樞産生的電流可以直接輸往負荷,其機械強度和(Hé)絕緣(Yuán)性能都較好,可靠性也大為提高。所以又稱為(Wéi)▿無▿(Wú)刷同步發電機。

同[Tóng]步發電機[Jī]的定子部分(1)按照120°的空間位置[Zhì]分布了三個(Gè)同樣◇的◇繞組,這就是定子繞組,發電機的輸出電壓由它們[Men]通過發電(Diàn)∇機∇定子繞組(270)引出線[Xiàn]接線端子給出,所以把它們▾也▾[Yě]稱為電樞繞組。同步發電機[Jī]轉子(4)上面安裝着轉▽子▽◊繞◊組,它[Tā]由同一軸上的勵磁◈機◈電樞繞⋄組⋄(100)輸出的交流(Liú)電,經旋(Xuán)轉∆整∆流器(78)整流後▽的▽直流電供[Gòng]電,并形(Xíng)成主磁場。主磁[Cí]場和電(Diàn)樞磁▽場▽(共(Gòng)同形成一[Yī]個合成磁場)▲的▲磁力線▽剛▽掃⋄入⋄電樞繞▲組▲時,繞組[Zǔ]兩端的電[Diàn]壓小,全部掃[Sǎo]入時電壓*大,快掃過繞組時電∇壓∇也小。所以[Yǐ]說,繞組兩端的電壓是交流變化的,稱之為交流[Liú]電壓(Yā)。這[Zhè]樣,同步發電機就可以産生彼此[Cǐ]相差120°的三相交流電壓。如果按順序将這三個電樞(Shū)繞[Rào]組編号為A、B、C,則它們各自的輸出電壓(Yā)瞬時值可表(Biǎo)達成

uA=Umsin(2πf t+0°)

uB=Umsin(2πf t-120°)

uC=Umsin(2πf t+120°)

式中,(1)0°、-120°、+120°叫做初相[Xiàng]角(Jiǎo),它們是由同步發(Fā)電機的結構決⋄定⋄的(De)。

(2) f 是電壓的頻率。它▿表▿示○單○位時間内,同步發∇電∇機轉子磁場◆的◆磁力線∇切∇(Qiē)割電樞繞組的次數。f的大小[Xiǎo]實際上是由發電機組的柴油發動機的轉速決定的,因[Yīn]為是它直接帶着發電機○轉○子一起旋轉,轉速越快,則 f 越高。◈反◈之亦然, f 越低。對于同一台▽同▽步發電機而言,顯然三個電壓的頻率 f 是一樣的。2πf 則(Zé)是轉子磁場的磁力線切割電樞繞組的角頻率,用ω表示(Shì)。從三相電壓的(De)表達式[Shì]可知:2πf t+φi(φi=0°、-120°、+120°)是(Shì)正弦量變化▽的▽核心,它反[Fǎn]映了正弦量[Liàng]随時間t變化的進程。

(3)Um是(Shì)電壓的*大值[Zhí]。它(Tā)是由同步發電[Diàn]機的勵磁系統(Tǒng)勵[Lì]磁電流的大小決(Jué)定的,同步發電機的轉子[Zǐ]磁場是由勵[Lì]磁電流流過轉子繞組産▲生▲的,電流大則轉子磁場強,磁力線◇切◇(Qiē)割電樞繞組在繞組(Zǔ)▽上▽(Shàng)産生的感應電動勢就大。反之亦然,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(Rào)組輸出電壓的*大值Um都是一樣的。

根據設計,三個電樞繞組◇之◇(Zhī)間的電壓(稱▲為▲線(Xiàn)電(Diàn)壓)為380～400V。由于[Yú]這種同步發電機在電氣性能和機械性(Xìng)能方面都具有優點,因而被柴(Chái)油◊發◊[Fā]電機組∆普∆(Pǔ)遍▽采▽[Cǎi]用(Yòng)。

3 、 轉子[Zǐ]繞組的勵磁 

所謂勵磁即▽是▽向同(Tóng)步發電機[Jī]轉子[Zǐ]繞組提供直流電(Diàn),使[Shǐ]其産生直流磁場的過∇程∇。早期的發電機是◇采◇(Cǎi)用單獨的勵磁機給[Gěi]轉子線圈提供直◇流◇(Liú)電,系統龐大而複雜。随着○技○術的進步,現代同步發電機(Jī)都是将發[Fā]電機與[Yǔ]勵磁機組(Zǔ)裝在一起構[Gòu]成一個完整的發電機。

勵磁機其實就是個(Gè)▲小▲(Xiǎo)發電機,其工作原理與⋄同⋄步發電機一樣。所不同▲的▲是[Shì]它的▾定▾子線圈和(Hé)轉⋄子⋄線▲圈▲[Quān]所起的作(Zuò)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(Fā)電機定子旁,勵磁機的定子線圈通以直∇流∇電形成直流磁場[Chǎng]。而安裝[Zhuāng]在主發電機轉子軸上的勵磁機的[De]轉子線圈,勵磁機電(Diàn)樞繞組(100)成為(Wéi)輸出電壓的繞組。勵磁機的轉子與定子内壁之間也是保(Bǎo)持▲着▲(Zhe)較小而均勻的間隙。勵磁機[Jī]定(Dìng)子線圈的直流電,是由主[Zhǔ]發電機定(Dìng)子線[Xiàn]圈即電樞的部分輸出電壓經整流[Liú]後而得到的。它使勵磁機定子線○圈○産生直流磁場,且該磁(Cí)場是不(Bú)動的。工作時,與主發電機轉子同軸[Zhóu]安裝的勵磁機轉子線圈(Quān)在這個磁場内旋轉、切割磁[Cí]力線産[Chǎn]生感應電[Diàn]動勢。該電勢經同軸安裝在▲勵▲磁機電樞繞組[Zǔ]旁邊[Biān]的旋轉整[Zhěng]流器(78)變成(Chéng)直流電流,再(Zài)輸到(Dào)◈主◈[Zhǔ]發電機的轉子[Zǐ]繞組使(Shǐ)其産生直流轉子磁場。從而[ér]達到了對主發電機轉子繞組勵磁的要求。

 4 、輸出電[Diàn]壓的(De)調控 

調控的目(Mù)的就是實現在同步發電機額定範[Fàn]圍[Wéi]内(Nèi)的負荷,無論其性質及▿大▿[Dà]小如[Rú]何變化○都○能穩住輸出電壓。調控的(De)技術方式随着[Zhe]發(Fā)電機(Jī)額定功率的不同、每個時期技術發展程度的∇不∇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(Zì)動電壓調節器整流○和○(Hé)負反饋調理▿後▿供給勵磁機的定子線圈,使其産生變化規律與主[Zhǔ]發電機輸[Shū]出◈電◈▲壓▲變化規律∆相∆反的(De)直流電磁場。這個磁場也必然使勵[Lì]磁機轉子電樞[Shū]的輸出電壓以[Yǐ]及旋轉整流器供給主發電機轉子線圈[Quān]的直流電(Diàn)流按同▽樣▽的規律而變化。從而起到[Dào]實時調節主發電機[Jī]轉子[Zǐ]磁場大小[Xiǎo],使主發(Fā)電(Diàn)機在額定負荷[Hé]範▲圍▲[Wéi]内保持∆良∆好輸出特[Tè]性(Xìng)的作用。

對發電機輸出電壓的調控過[Guò]程,自[Zì]動○電○壓調節器起着重要作用。

可見,通過勵磁機實時(Shí)調控主發電機轉子繞組磁場的大[Dà]小,就可以穩住輸出電壓。這其中▾起▾重要◆作◆用的是具有負反饋功能的自動電壓調節器。通常也[Yě]稱其為恒壓[Yā]勵磁裝置。

 5 、自動電壓調節[Jiē]器 

在(Zài)柴(Chái)油發電(Diàn)機組的額定負荷範圍之内,無(Wú)論負(Fù)荷是電阻、電容、電感性◆或◆(Huò)兼而●有●之,也無論它們的大小怎樣變(Biàn)化,對柴油機的主要◈要◈求是穩住轉速(通常柴油發動機的額定(Dìng)轉速為每分(Fèn)鐘1500轉)。而對同步發電機的主(Zhǔ)要要求則[Zé]是穩住(Zhù)輸(Shū)出電壓。為此,一般都采用以**電子裝(Zhuāng)置為(Wéi)核心的自[Zì]動電壓調控系統。

現[Xiàn]代交流同步發∆電∆(Diàn)機常用自動[Dòng]電壓調節器(AVR)這種電(Diàn)子部件[Jiàn],調節勵磁機定子磁場的強(Qiáng)弱(Ruò)。進(Jìn)而達到穩住輸出電壓的目▿的▿。◇雖◇◊然◊AVR的種類很多,但性能大同小異。都是實時采樣主發電機的輸出▾電▾壓值與[Yǔ]預先設定的值相比▲較▲(Jiào),用(Yòng)比較(Jiào)的(De)結果去調節[Jiē]脈(Mò)沖寬(Kuān)度調制器(PWM)。輸▽出▽(Chū)電壓值高則(Zé)調制器輸出脈沖寬度窄,反之▽則▽寬。然[Rán]後再用這些脈沖去調控大功率半[Bàn]導體開關器件,控制送入勵[Lì]磁機定子線圈的電流[Liú]的時間◈及◈大小。從而使它的◈磁◈場強弱随着主發電機輸[Shū]出電[Diàn]壓的變化(Huà)而相反變化。即輸○出○[Chū]電壓升高則勵磁機定子磁場[Chǎng]減小(Xiǎo),輸出電壓降低則勵磁機定子磁場增強,從而達到負(Fù)∆反∆饋調控的[De]目的。

采樣取自主發(Fā)電機輸出的部分電壓,從(8)、(9)兩端進入⋄電⋄壓測量單元。經降壓、分(Fèn)壓、整流濾波後,得到(Dào)與發電機輸出電壓成正比[Bǐ]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工作時,調節RHR外接(Jiē)電壓微調電位器使UA确定一個(Gè)值作●為●(Wéi)基準。測量單元輸(Shū)出的電壓Uc則送入低(Dī)頻保護單元。

脈[Mò]沖寬度調[Diào]制器(PWM)的輸[Shū]⋄出⋄調寬脈沖UB控[Kòng]制調制管VT3。若由電壓測量[Liàng]單元送來的UA比基準電壓大,表(Biǎo)明主發電機輸出電壓升高,▿則▿(Zé)大的UA就會使脈沖[Chòng]寬度調制器輸出的[De]脈沖電(Diàn)壓UB的寬度變窄(Zhǎi)。窄的脈沖就○會○使VT3導通時間⋄短⋄,通過的電流小。反之,主(Zhǔ)發電機(Jī)輸出電壓降低,UA變▽小▽,則[Zé]脈沖寬(Kuān)度調(Diào)制器[Qì]輸出UB的寬度随之變寬,▽從▽而使VT3導通時間變長,通過的電流增多。

勵磁機的定子◆線◆圈一端[Duān]接在端子X1上,另一[Yī]端接(Jiē)在XX1端子上(Shàng)。由主發電[Diàn]機(Jī)電樞繞組取樣的XA、XB、Xc三相電壓(Yā)(一般為36～45V),經過三個二[èr]極管VD10、VD11、VD12整流後(Hòu),其直流(Liú)電流從X1端流入勵磁機(Jī)的定[Dìng]∆子∆線圈,由XX1流出[Chū],再[Zài]經過調制管VT3和[Hé]XN端[Duān]◇子◇流回主發電◆機◆電樞繞組,形成◊一◊個勵◈磁◈機定◊子◊(Zǐ)線圈的勵磁電流通路。VT3是▿這▿個通路上的(De)開(Kāi)關,它導通時▿間▿長,則定子[Zǐ]線圈流過的電流大,勵磁機定子磁場強度∆變∆(Biàn)大。VT3導通時間◆短◆,定子線圈電流(Liú)少,定子磁場強度小。

AVR就是[Shì]這樣(Yàng)調控主發電機[Jī]的電壓的。主發電機由于負荷原因輸出[Chū]電壓升高,電壓測量(Liàng)單元輸出的UA随着◈升◈高,受UA控[Kòng]制的脈寬調制器輸出(Chū)脈沖◊電◊壓UB寬度變窄,開關管VT3◊導◊(Dǎo)通時間短,○勵○磁機定子繞組因電流少磁場減弱,勵磁機轉子(Zǐ)電樞電壓及旋轉整(Zhěng)流器(Qì)輸出(Chū)▽電▽流随之[Zhī]減小，◊導◊緻供給主發電機[Jī]轉子繞組的勵磁電流◈變◈(Biàn)小，則主發電機因其轉子磁[Cí]場(Chǎng)的減小而使輸出電壓降低。反之，AVR的負(Fù)反饋[Kuì]調控功能就▾會▾使主發◆電◆機的輸出電壓升高。

在主發電機因∆負∆荷超出額定值(Zhí)而輸出極大電流時,柴油(Yóu)發動[Dòng]機也▽需▽随之輸出∆巨∆大的動力導緻其轉速低于額定值。低頻[Pín]保護單◆元◆的作用就是在這◊種◊情[Qíng]◈況◈下限制勵磁機(Jī)定子線圈(Quān)裡電流的超額(é)增大。它以(Yǐ)電阻和電容構成的充放電支路預[Yù]先設定一個∆低∆頻[Pín]保護點,當主發電機負荷正(Zhèng)常時,從電壓測量單元來的Uc小于低頻保護(Hù)▿點▿,則低頻(Pín)保護單元輸出的電壓UD高,二極管VD8被截止,UD到不了脈寬調制器,起不了作用。若主[Zhǔ]發電(Diàn)機超載則UD變低,VD8導通,UD和UA就可▿同▿[Tóng]時作用于脈▲寬▲調制[Zhì]器,◊使◊其輸出的UB随UD的下降而變窄[Zhǎi],調制管VT3導通時間随之變◊短◊(Duǎn),勵磁電流減小,勵磁機定子磁場變弱。從而(ér)導緻[Zhì]◇主◇發電機轉子磁●場●減(Jiǎn)小。發電機輸出電壓下降、電▿流▿減小。低頻保護單元起到了保護○勵○磁機和主發電[Diàn]機的作用。

 6 、同步發電機常用技術參數

理解同步發[Fā]電機的技術參數,對管好用好柴∇油∇發電機組是◊十◊(Shí)分必要的。常用的參數∆有∆(Yǒu)：

額定電壓UH——同步發電機正(Zhèng)常[Cháng]工作時,定子内●的●三相[Xiàng]電樞繞組每組[Zǔ]線端(每組(Zǔ)的電壓輸出端)之間(Jiān)的線電壓[Yā]。單∆位∆是V或kV。一般UH值◈為◈(Wéi)400V(線電壓)或230V(相電壓)。

額定電流IH——帶額定◇負◇▾荷▾[Hé]○正○常工作時(Shí),流過定(Dìng)子(Zǐ)繞組的線電流,單位是A或者kA。

額定功率因數cosφH——同步發電機帶(Dài)額定負荷正常工作時,其每相定子繞組内▾的▾電壓與電流之(Zhī)間相角○差○φH的餘弦函數值。一般這個值是根據電力系統的需[Xū]要情況設計而定的(De)。通常為0.8(滞後)。

額定容量SH——在額定負荷及額(é)定功率(Lǜ)因數情況下正[Zhèng]常運行時,同步發[Fā]電機(Jī)輸出[Chū]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[Shì]PH=SHcosφH。額定[Dìng]容◆量◆是同步發電機的重要參數之一,它表明該機[Jī]的(De)發電能力。

額定◇頻◇率fH——額定[Dìng]運行時,同步發電機輸出電壓每秒鐘内交變的次數。單位是Hz。我國制定的工業頻率為50Hz。

效率η——同[Tóng]步發[Fā]電機輸出的有(Yǒu)功功率與輸入的有功功率(柴油發動機[Jī]對它做▿的▿有功功∇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[Hǎo]。

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