新聞主題	同步發(fā)電機的基本工作原理

 

摘要：同步發(fā)電機和直流電機、異步電機一樣，是根據電磁感應原理工作的一種旋轉電機。它是一種交流電機，從原理上講其工作是可逆的，它不僅可以作為發(fā)電機運行，也可以作為電動(dòng)機運行。同步發(fā)電機的另一種特殊運行方式為同步調相機，或稱(chēng)同步補償機，專(zhuān)門(mén)用來(lái)向電網(wǎng)發(fā)送滯后無(wú)功功率，以改善電網(wǎng)的功率因數。

 

一、電磁感應與右手定則

 

      由《電工學(xué)》所學(xué)知識可知，當導體與磁場(chǎng)間有相對運動(dòng)，而使兩者相互切割時(shí)，就會(huì )在該導體內產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，這種現象稱(chēng)為電磁感應。如果該導體是閉合的，在感應電動(dòng)勢的作用下，導體內就會(huì )產(chǎn)生電流，這個(gè)電流稱(chēng)為感應電流。如圖1所示。將一根導線(xiàn)放在兩個(gè)磁極的均勻磁場(chǎng)內，并在導線(xiàn)的兩端接上一只電壓表，當導線(xiàn)在垂直于磁力線(xiàn)方向以一定速度移動(dòng)時(shí)，電壓表的指針就會(huì )發(fā)生偏轉。以上現象說(shuō)明導線(xiàn)與磁場(chǎng)發(fā)生相對運動(dòng)和相互切割后，在其內部已產(chǎn)生出感應電動(dòng)勢和感應電流。

      導線(xiàn)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢的方向可以用右手定則來(lái)確定。如圖2所示。將右手平伸，掌心迎著(zhù)磁極N，并使磁力線(xiàn)垂直穿過(guò)手掌，拇指和其余四指伸直。這時(shí)拇指所指的方向為導線(xiàn)的運動(dòng)方向，其余四指的指向就是感應電動(dòng)勢方向。從上述試驗可知，導線(xiàn)在均勻磁場(chǎng)內沿著(zhù)與磁力線(xiàn)垂直的方向運動(dòng)時(shí)，它所產(chǎn)生感應電動(dòng)勢的大小與導線(xiàn)在磁場(chǎng)中的有效長(cháng)度l、磁場(chǎng)的磁通密度B以及導線(xiàn)在磁場(chǎng)中的運動(dòng)速度v成正比，即

e＝Blv

式中， e——感應電動(dòng)勢，V；

B——磁通密度，T；

l——導線(xiàn)在磁場(chǎng)中的有效長(cháng)度，m；

v——導線(xiàn)垂直于磁力線(xiàn)方向上運動(dòng)的速度，m/s。

如果導線(xiàn)運動(dòng)方向與磁力線(xiàn)方向的夾角為任意角度a時(shí)，則

e＝Blusina

      若將導線(xiàn)與外負載接成閉合回路，導線(xiàn)中就會(huì )產(chǎn)生電流并輸出電功率，而同步發(fā)電機就是根據這一原理來(lái)制造的。

 

圖1 發(fā)電機電磁感應現象示意圖

圖2 發(fā)電機右手定則

 

二、正弦交流電

 

      在現代社會(huì )，交流電被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、交通運輸和信息通信等各個(gè)方面。人們的日常生活，如電風(fēng)扇、空調、電冰箱、電視機和計算機等家用電器同樣離不開(kāi)交流電。因此，交流電在生產(chǎn)、生活中占有極其重要的地位。我們平時(shí)所用的交流電都是按正弦規律變化。正弦交流電是一種大小和方向隨時(shí)間做周期性變化的電流。

1、正弦交流電的產(chǎn)生

      如圖3所示為一根直導線(xiàn)在兩極均勻磁場(chǎng)內做等速旋轉時(shí)所產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢。由以上分析可知，旋轉導線(xiàn)中感應電動(dòng)勢的大小取決于磁場(chǎng)的磁通密度、導線(xiàn)在磁場(chǎng)中的有效長(cháng)度、導線(xiàn)切割磁力線(xiàn)的速度以及導線(xiàn)運動(dòng)方向與磁力線(xiàn)方向的夾角α。而感應電動(dòng)勢的方向則取決于導線(xiàn)切割磁力線(xiàn)的方向。因此，當長(cháng)度不變的導線(xiàn)在均勻磁場(chǎng)內按一定方向做等速旋轉時(shí)，它所產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢數值將只與導線(xiàn)切割磁力線(xiàn)時(shí)的角度有關(guān)。

      由圖3可見(jiàn)，當導線(xiàn)處于位置1時(shí)，由于導線(xiàn)的轉動(dòng)方向與磁力線(xiàn)平行，所以并未切割磁力線(xiàn)，也就不會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢；當導線(xiàn)轉動(dòng)至位置2時(shí)，導線(xiàn)與磁力線(xiàn)間的夾角比較小，所以產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢也較??；當導線(xiàn)轉動(dòng)至位置3時(shí)，與磁力線(xiàn)的夾角有所增大，所以它產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢也相應增大；當導線(xiàn)轉動(dòng)到位置4時(shí)，導線(xiàn)與磁力線(xiàn)相垂直，這時(shí)導線(xiàn)切割磁力線(xiàn)的角度為最大，正好處于磁極的中央位置，因而它所產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢也最大。經(jīng)過(guò)位置4以后，導線(xiàn)與磁力線(xiàn)的夾角又逐漸減小，它所產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢也就漸次減小。當轉動(dòng)到位置7時(shí)，導線(xiàn)的感應電動(dòng)勢減到零。

      導線(xiàn)經(jīng)過(guò)位置7以后就進(jìn)入磁場(chǎng)的另一個(gè)磁極下面。這時(shí)，由于導線(xiàn)切割磁力線(xiàn)的方向與前半轉時(shí)的方向相反，所以它產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢方向也隨之相反。當導線(xiàn)相繼轉動(dòng)至位置8和9時(shí)，隨著(zhù)導線(xiàn)切割反方向磁力線(xiàn)角度的變化又逐漸使感應電動(dòng)勢增大；在導線(xiàn)處于位置10時(shí)，將達到反方向感應電動(dòng)勢的最大值；隨著(zhù)導線(xiàn)切割磁力線(xiàn)角度的相繼減小，它所產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢也隨之逐漸減??；當導線(xiàn)轉動(dòng)至起點(diǎn)位置1時(shí)，感應電動(dòng)勢又回落到零。若導線(xiàn)繼續旋轉，則該導線(xiàn)內的感應電動(dòng)勢數值將重復以上的變化。

      如果將導線(xiàn)在圓周上旋轉的各點(diǎn)位置展開(kāi)，用一根直線(xiàn)來(lái)表示導線(xiàn)在圓周上移動(dòng)的角度位置，而在垂直方向按比例畫(huà)出導線(xiàn)在這些位置上所產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢，并規定一個(gè)方向的感應電動(dòng)勢為正，相反方向的感應電動(dòng)勢則為負。這樣，就可以依照這些感應電動(dòng)勢的大小繪出一條按一定規律變化的曲線(xiàn)，如圖4所示。這條波動(dòng)起伏的曲線(xiàn)在數學(xué)上稱(chēng)之為正弦曲線(xiàn)，而按這種正弦規律變化的交流電源，稱(chēng)為正弦交流電。

 

圖3 發(fā)電機旋轉導線(xiàn)所產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢

圖4 發(fā)電機交流電的正弦曲線(xiàn)

 

 

 

2、交流電的周期和頻率

      交變電壓或電流完成正負變化一個(gè)循環(huán)所需要的時(shí)間稱(chēng)為周期，并用符號T表示。在單位時(shí)間每秒內變化的周期數即為頻率，以符號f表示。不難看出，頻率f與周期T是互為倒數的關(guān)系。即

 

      周期的單位為秒（s），頻率的單位為赫茲（Hz）。我國交流電的供電頻率為50赫茲，通常簡(jiǎn)寫(xiě)為f＝50Hz。

3、交流電的瞬時(shí)值和最大值

（1）電動(dòng)勢瞬時(shí)值

      由于交流電壓或電流的大小和方向總是隨時(shí)間而不斷變化，因而它在每一瞬間均具有不同的數值，這個(gè)不同的值稱(chēng)之為瞬時(shí)值，并規定用小寫(xiě)字母表示。一般用i表示電流的瞬時(shí)值；v表示電壓的瞬時(shí)值；而用e表示電動(dòng)勢的瞬時(shí)值。

（2）電動(dòng)勢最大值

      電流、電壓或電動(dòng)勢在一周期內的最大瞬時(shí)值稱(chēng)為最大值，并規定用大寫(xiě)字母表示，同時(shí)還應在字母的右下角標以m字樣。例如，我們通常用I_m表示電流最大值，U_m表示電壓最大值，而用E_m表示電動(dòng)勢最大值。

4、交流電的相位和相位差

      由以上所述可知，交變電動(dòng)勢或交變電流均可用一根水平方向的直線(xiàn)來(lái)表示時(shí)間，再從這根直線(xiàn)上引出垂直線(xiàn)的高度，以表示其電壓或電流的瞬時(shí)值。如圖5所示。這種方法能將正弦交流電在一周內的變化完整地反映出來(lái)。但實(shí)際上正弦交流電是一種連續的波形，它并沒(méi)有確定的起點(diǎn)和終點(diǎn)。不過(guò)，為了說(shuō)明正弦波全面而真實(shí)的情形，還是有必要為正弦波選定一個(gè)起點(diǎn)。正弦波的起點(diǎn)及與它由零值開(kāi)始上升時(shí)形成的角度稱(chēng)為初相角，或稱(chēng)為起始相位，并用符號Ψ表示。

      與此同時(shí)，也可以用旋轉相量來(lái)表示正弦波。這時(shí)，相量的長(cháng)度用來(lái)表示正弦電壓或正弦電流的最大值，而旋轉相量與水平線(xiàn)之間的夾角表示為相角，并且規定以逆時(shí)針?lè )较蛐D為相角的正方向，順時(shí)針?lè )较蛐D為相角的負方向；而大于180°的相角，可以改用較小的負值相角來(lái)取代原來(lái)大于180°的相角。圖5（a）所示表示導線(xiàn)已轉過(guò)中性線(xiàn)0角時(shí)的位置，也即為計算交變電動(dòng)勢時(shí)的起點(diǎn)；圖5（b）所示為用正弦曲線(xiàn)表示的交變電動(dòng)勢；圖5（c）所示為旋轉矢量所表示的正弦波。

      旋轉矢量常用來(lái)表示幾個(gè)頻率相同但相位不同的電壓或電流及其相互間的關(guān)系。如圖6（a）所示，在發(fā)電機電樞上嵌繞有相同的兩個(gè)線(xiàn)圈U和V，兩者幾何位置相差90°。根據電樞的旋轉方向可以看出，線(xiàn)圈U的位置要超前于線(xiàn)圈V的角度為90°；圖6（b）所示為U和V兩個(gè)線(xiàn)圈所產(chǎn)生感應電動(dòng)勢的正弦曲線(xiàn)。從圖中可以看出，若以圖6（a）所示的位置作為正弦波的起始相位，則線(xiàn)圈U的相角應為0°，線(xiàn)圈V的相角則為90°；圖6（c）所示為這兩個(gè)線(xiàn)圈所產(chǎn)生交變電動(dòng)勢的矢量圖，由于這兩個(gè)線(xiàn)圈用同樣的角速度旋轉，因此兩個(gè)旋轉矢量間將始終保持相差90°相角。

      由此可知，當電樞在磁場(chǎng)中以不變的角速度ω逆時(shí)針旋轉時(shí)，兩個(gè)線(xiàn)圈都將會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，并且其頻率相同、最大值相等。但因兩個(gè)線(xiàn)圈所處的空間位置不同，從而導致它們的初相角不相等，以致不能同時(shí)達到最大值或零值。它們的電動(dòng)勢分別為

e_u＝E_musinΨ_u

e_v＝E_mvsinψ_v

式中，ψ_u，ψ_v為電動(dòng)勢e_u、e_v的初相角。

      若已知電動(dòng)勢的最大值E_m和初相角ψ，則任意時(shí)刻t的電動(dòng)勢瞬時(shí)值e為

e＝E_msin(ωt＋ψ)(V)

      兩個(gè)同頻率的正弦量初相角之差（或相位角之差）稱(chēng)為相位差，用φ表示。e_u和e_v在任意時(shí)刻t的相位差為

φ＝(ωt＋ψ_u)－(ωt＋ψ_v)=ψ_u－ψ_v

      如果兩個(gè)正弦量存在相位差，稱(chēng)它們?yōu)椴煌嗟恼伊?；當兩正弦量的相位?phi;等于零時(shí)，稱(chēng)為同相的正弦量。

 

圖5 發(fā)電機正弦交流電的相量圖

圖6 發(fā)電機兩個(gè)線(xiàn)圈所產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢

 

 

三、三相正弦交流電的產(chǎn)生

 

      三相正弦交流電就是三個(gè)頻率相同，但相位互差120°電氣角度，并且其每相繞組均能在運轉時(shí)產(chǎn)生按正弦變化的交流電動(dòng)勢。如圖7所示。

      如圖7（a）所示的交流發(fā)電機轉子上布置有三個(gè)相位互差120°電氣角度的線(xiàn)圈。當發(fā)電機旋轉時(shí)，就會(huì )在電樞線(xiàn)圈內產(chǎn)生三相交流電動(dòng)勢，而三相間的相位差為互差120°。如圖7（b）所示為該三相正弦交變電動(dòng)勢的變化曲線(xiàn)，圖中以U相繞組的電動(dòng)勢從零值開(kāi)始上升時(shí)來(lái)作為起始相位；V相繞組的電動(dòng)勢比U相滯后120°，W相繞組的電動(dòng)勢又比V相滯后120°（也即W相繞組電動(dòng)勢比U相滯后240°或比U相超前120°）。就是這樣，U、V、W三相繞組依次產(chǎn)生按正弦變化的電動(dòng)勢。由于發(fā)電機本身結構是對稱(chēng)的，它所產(chǎn)生的電動(dòng)勢在通常情況下是對稱(chēng)的三相正弦電動(dòng)勢，若以圖7（b）中U相電動(dòng)勢經(jīng)零位向正值增加的瞬間作為起點(diǎn)，這時(shí)U相電動(dòng)勢的瞬時(shí)值為

e_u＝E_msinωt(V)

      V相電動(dòng)勢的瞬時(shí)值比U相滯后120°電氣角度，即為

e_v＝E_msin(ωt－120°)(V)

      W相電動(dòng)勢的瞬時(shí)值比V相滯后120°電氣角度，即比U相滯后240°電氣角度（或者說(shuō)是比U相超前120°電氣角度）。即為

e_w＝E_msin(ωt－240°)(V)

      圖7所示為三相正弦交流發(fā)電機示意圖。而在實(shí)際應用中，三相交流發(fā)電機的三套繞組是按設計規定的接法進(jìn)行內部連接，并將三相繞組的6根首、尾線(xiàn)端引出，然后按星形或三角形接法連接的。下面將分別簡(jiǎn)述這兩種接法。

1、三角形（Δ）接法

      如將三相繞組的首、尾線(xiàn)端依次相連接，以形成一個(gè)自行閉合的三角形回路，并以三相的首端U、V、W與負載相接，這種接法稱(chēng)為三角形接法。如圖8所示。從圖中可以明顯看出，三角形接法時(shí)其線(xiàn)電壓等于相電壓。由于三相交流發(fā)電機的合成電動(dòng)勢在許多情況下不可能絕對為零值，所以三相繞組中存在的電動(dòng)勢差值將會(huì )在這個(gè)閉合三角形回路內產(chǎn)生環(huán)流，致使繞組發(fā)熱，這種發(fā)熱對發(fā)電機顯然是極為不利的。因此，在中小型三相交流發(fā)電機繞組中極少采用三角形接法。 

      按三角形連接的三相發(fā)電機繞組，其線(xiàn)電流與流過(guò)每相繞組的相電流，在三相負載對稱(chēng)的條件下有著(zhù)以下關(guān)系：

 

式中，I_u、I_v、I_w——U、V、W相的線(xiàn)電流；

I_uu、I_vv、I_ww——U、V、W相的相電流。

      即三相交流發(fā)電機繞組三角形接法時(shí)，其線(xiàn)電流等于相電流的√3倍。

 

 

圖7 發(fā)電機三相正弦交流發(fā)電機示意圖

圖8  三相交流發(fā)電機的三角形接法

 

2、星形（Y）接法

      將三相繞組的3根首端直接作為相線(xiàn)（或稱(chēng)端線(xiàn)）輸出，而把三相繞組另外的3根尾端并接在一起作為各相繞組的公共回路，稱(chēng)為中性線(xiàn)（或稱(chēng)零線(xiàn)）。如圖9所示，這種接法稱(chēng)為星形（Y）接法。

      如圖10所示，當繞組采用星形接法時(shí)，用電壓表測出的每相繞組首端與尾端之間的電壓稱(chēng)為相電壓。從測量中可以看出，在正常情況下，三個(gè)相電壓的數值應大小相等。而用電壓表所測出的各相繞組首端與首端之間的電壓（即相線(xiàn)之間電壓）稱(chēng)為線(xiàn)電壓。從測量中可知，繞組三個(gè)線(xiàn)電壓的數值大小也相等。經(jīng)實(shí)踐和分析證明，三相繞組在對稱(chēng)條件下，其相電壓與線(xiàn)電壓之間的相互關(guān)系為：

 

      即三相對稱(chēng)繞組若按星形接法連接時(shí)，其線(xiàn)電壓為相電壓的√3倍。如果它們所連接的三相負載也是平衡對稱(chēng)的，其線(xiàn)電流等于相電流。

 

圖9  發(fā)電機三相四線(xiàn)發(fā)電機的星形接法

圖10  發(fā)電機星形接法時(shí)的相電壓和線(xiàn)電壓

 

總結：

      同步發(fā)電機和異步發(fā)電機的主要區別在于它們的轉子轉速是否與電網(wǎng)的頻率同步。同步發(fā)電機需要與電網(wǎng)同步運行，而異步發(fā)電機則需要通過(guò)調整其轉速來(lái)匹配電網(wǎng)的頻率。此外，同步發(fā)電機具有穩定性強、效率高、功率密度大、噪音低、維護簡(jiǎn)單、環(huán)保節能等優(yōu)點(diǎn)，因此在大型電力設備中得到了廣泛應用。

 

----------------
以上信息來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)新聞，特此聲明！
若有違反相關(guān)法律或者侵犯版權，請通知我們！
溫馨提示：未經(jīng)我方許可，請勿隨意轉載信息！
如果希望了解更多有關(guān)柴油發(fā)電機組技術(shù)數據與產(chǎn)品資料，請電話(huà)聯(lián)系銷(xiāo)售宣傳部門(mén)或訪(fǎng)問(wèn)我們官網(wǎng)：http://www.aticodonostia.com