新聞主題	發(fā)電機交流繞組節距的定義和設計

 

摘要：發(fā)電機節距計算是指計算發(fā)電機中轉子上的磁極之間的距離，也稱(chēng)為極距。發(fā)電機的極距直接影響到發(fā)電機的性能和效率。正確的節距計算可以確保發(fā)電機的正常運行和高效發(fā)電。在發(fā)電機中，磁極是用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的部件，通常由永磁體或電磁鐵制成。磁極之間的距離決定了磁場(chǎng)的分布和強度。過(guò)小的節距會(huì )導致磁場(chǎng)不均勻，影響發(fā)電機的輸出功率和穩定性；而過(guò)大的節距則會(huì )增加磁場(chǎng)的漏磁量，造成能量浪費。柴油發(fā)電機組配備的電球節距通常分為三分之二節距和六分之五節距，康明斯公司在本文中對這兩種節距進(jìn)行了比較和分析。

 

一、發(fā)電機節距的計算方法和注意事項

 

      發(fā)電機節距計算是指在發(fā)電機轉子上的各個(gè)電樞之間的間距。準確計算發(fā)電機節距對于發(fā)電機的正常運行至關(guān)重要，因為節距的大小直接影響到發(fā)電機的電磁特性和發(fā)電效率。發(fā)電機節距的計算需要考慮多個(gè)因素，包括發(fā)電機的設計要求、轉子的直徑、磁極數和機械結構等。發(fā)電機基本結構外觀(guān)如圖1、圖2所示，下面將具體介紹幾種常見(jiàn)的發(fā)電機節距計算方法。

1、 等分法

       這是一種比較簡(jiǎn)單粗暴的計算方法，即將轉子的周長(cháng)等分為磁極的數量。例如，如果轉子的周長(cháng)為C，磁極的數量為N，那么每個(gè)磁極之間的節距為C/N。

2、 角度法

      這種方法是根據轉子的圓周角度來(lái)計算節距。首先需要知道轉子的直徑D和磁極數N，然后計算出每個(gè)磁極所占的角度為360/N。最后，將轉子的圓周角度360度除以磁極數N，得到每個(gè)磁極之間的角度，再乘以轉子的直徑D，就可以得到節距的長(cháng)度。

3、磁極寬度法

      這種方法是根據磁極的寬度來(lái)計算節距。首先需要知道磁極的寬度W和磁極數N，然后計算出每個(gè)磁極所占的寬度為W/N。最后，將磁極的寬度W除以磁極數N，得到每個(gè)磁極之間的寬度，就可以得到節距的長(cháng)度。

4、節距計算的注意事項

（1） 測量精度：測量轉子直徑時(shí)要保證精度，以免影響節距的計算結果。

（2）節距調整：節距的計算結果是理論值，實(shí)際應用中可能需要根據具體情況進(jìn)行調整。

（3）公差控制：在實(shí)際制造中，需要控制電樞之間的間距在一定的公差范圍內，以確保發(fā)電機的性能和可靠性。

（4）結構設計：發(fā)電機的結構設計也會(huì )影響節距的計算，例如轉子的形狀和電樞的布局等。

（4）高溫效應：在高溫環(huán)境下，發(fā)電機的節距可能會(huì )發(fā)生變化，需要進(jìn)行相應調整。

 

圖1  同步交流發(fā)電機上下二等角軸測圖

圖2  同步交流發(fā)電機俯視圖

 

二、不同節距發(fā)電機的對比

 

      發(fā)電機的轉子上有多個(gè)電樞，電樞之間的間距就是節距（如圖3所示）。節距的大小對于發(fā)電機的電磁特性產(chǎn)生重要影響。節距過(guò)小會(huì )導致電樞之間的相互干擾增加，電磁損耗增大，同時(shí)也會(huì )增加故障發(fā)生的概率；節距過(guò)大則會(huì )降低發(fā)電機的發(fā)電效率。因此，合理計算發(fā)電機節距是確保發(fā)電機正常運行的基礎。

      2/3節距交流發(fā)電機能抑制3次諧波電流在中性線(xiàn)流過(guò)，主要適用于低壓柴油發(fā)電機組；5/6節距交流發(fā)電機在無(wú)中性線(xiàn)的三線(xiàn)配電系統中采用，主要適用于高壓柴油發(fā)電機組（如圖4所示）。如果采取措施消除或減輕諧波電流在中性線(xiàn)中流動(dòng)的風(fēng)險，可以并聯(lián)不同節距的交流發(fā)電機。

      繞組節距和諧波，當交流發(fā)電機空載或帶線(xiàn)性負載運行時(shí)，產(chǎn)生的電壓波形形狀根據其工頻基波頻率和電壓幅度，以及諧波的電壓幅度及其頻率來(lái)描述。因為所有交流發(fā)電機都表現出一定程度的諧波電壓失真，因此上述描述是必要的，即使這些失真相對于可能由非線(xiàn)性負載引起的失真非常小，但在并聯(lián)應用中，它們可能仍然相當可觀(guān)。諧波電壓與工頻基波波形疊加，導致純正弦波的工頻基波形狀有些失真。在任何時(shí)間點(diǎn)所得到的電壓都將是工頻基波和所有的諧波之和。

      繞組節距是影響發(fā)電機輸出電壓波形諧波含量的幾個(gè)因素之一。稱(chēng)為短距系數（K_p）的參數定義了由于使用短節距（即小于全節距）繞組而導致諧波含量減少的比例。

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

式中，N為諧波次數；節距為分數（如2/3,5/6等）。

      對于全距繞組（節距＝1τ，τ為極距），短距系數對所有諧波為1，即沒(méi)有減少工頻基波或任何諧波的電壓幅值。2/3和5/6節距交流發(fā)電機的主要優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1   2/3和5/6節距交流發(fā)電機的繞組短距系數

 

       對于5/6和2/3節距的交流發(fā)電機，工頻基波的短距系數分別為0.97和0.87。這意味著(zhù)5/6節距交流發(fā)電機產(chǎn)生的基波電壓等于相同的全距交流發(fā)電機以相同的勵磁水平產(chǎn)生的基波電壓的97％。對于2/3節距交流發(fā)電機，這一比例由97％下降到87％。這表明具有5/6節距定子線(xiàn)圈的交流發(fā)電機比在相同的勵磁水平的2/3節距線(xiàn)圈能夠產(chǎn)生更高的基波電壓。

      同一交流發(fā)電機，用5/6節距線(xiàn)圈能夠比用2/3節距線(xiàn)圈輸出更大的功率，即使用相同量的材料可以產(chǎn)生更大的kVA輸出，因此更有效地利用了銅和鋼，這是5/6節距相比2/3節距交流發(fā)電機的主要優(yōu)點(diǎn)。

      從表1可以看出，2/3節距交流發(fā)電機的主要優(yōu)點(diǎn)是它沒(méi)有3次諧波含量，事實(shí)上，2/3節距的交流發(fā)電機不產(chǎn)生3次諧波。（術(shù)語(yǔ)3次諧波是指所有3次諧波的奇數倍，所以3，9.15和21次等屬于3次諧波。）

      重要的是盡量減少所有頻率的諧波電壓?？傊C波失真（THD）為所有頻率的諧波電壓的總和與工頻基波的百分比，是一個(gè)經(jīng)常應用的交流發(fā)電機參數。好的交流發(fā)電機設計可以實(shí)現2/3或5/6節距交流發(fā)電機均具有類(lèi)似的較小THD值。

      降低所有頻率的諧波電壓均是同等重要，四線(xiàn)的低壓電壓配電系統需要特別考慮3次諧波。（注意，術(shù)語(yǔ)“低電壓”在本文中是指其線(xiàn)電壓低于1000V。因為不同的地區有不同的中高壓定義，我們將使用術(shù)語(yǔ)“中壓或高電壓”或簡(jiǎn)稱(chēng)“MV/HV”表示線(xiàn)路電壓超過(guò)1000V），其中原因是在四線(xiàn)系統中，三相的所有3次諧波電流（實(shí)際上所有3次諧波的3倍電流）直接流經(jīng)中性線(xiàn)，這可以導致高水平的諧波失真和潛在中性線(xiàn)過(guò)熱風(fēng)險。單相負載特別是產(chǎn)生3次諧波的單相整流或開(kāi)關(guān)電源負載的電流總是需要流經(jīng)中性線(xiàn)。

      低壓三相整流（非線(xiàn)性）負載也產(chǎn)生3次諧波電流。正是由于這些原因，絕大部分低壓發(fā)電機組采用2/3節距。雖然5/6節距繞組能夠消除更多的5和7次諧波，但2/3節距交流發(fā)電機能夠消除低壓系統中的3次諧波更勝一籌。

      在中壓或高壓下，由于通常不使用中性線(xiàn)，所以較少考慮3次諧波的影響。對于MV/HV發(fā)電機組，通常使用變壓器進(jìn)行降壓。為了給單相負載提供中性線(xiàn)，變壓器的低壓繞組一般采用星形（丫）聯(lián)結。與發(fā)電機繞組直接連接變壓器的高壓繞組一般采用三角形接線(xiàn)法（DELTA）（Δ）聯(lián)結。3次諧波電流將在三角形聯(lián)結的高壓繞組中循環(huán)，并保持在變壓器的高壓側。雖然這些3次諧波電流也會(huì )產(chǎn)生渦流從而產(chǎn)生熱量（如所有諧波電流一樣），但遠遠不如直接流經(jīng)中性線(xiàn)中的3次諧波電流產(chǎn)生的發(fā)熱量那么大。

      對于大多數中壓和高壓系統，當負載性質(zhì)決定不需要中性線(xiàn)時(shí)，產(chǎn)生的3次諧波電壓基本可以忽略。在這些應用中，只要保持較低的總諧波失真，并且注意減少或消除并聯(lián)發(fā)電機組的中性點(diǎn)和接地點(diǎn)之間的環(huán)流，則通常適合使用5/6節距交流發(fā)電機。

 

圖3  發(fā)電機節距示意圖

圖4  六分之五節距發(fā)電機諧波波形

 

總結：

      除了上述內容外，我們需要注意的是不同類(lèi)型的發(fā)電機對節距的要求有所不同。例如，交流發(fā)電機的節距一般較小，通常在1-2毫米之間；而直流發(fā)電機的節距一般較大，通常在10-20毫米之間。此外，發(fā)電機的設計和制造標準也會(huì )對節距的要求進(jìn)行規定。發(fā)電機節距的計算是確保發(fā)電機正常運行和高效發(fā)電的重要步驟。選擇合適的節距計算方法，根據發(fā)電機的設計要求和實(shí)際情況進(jìn)行計算，可以提高發(fā)電機的性能和效率，減少能源的浪費。

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