新聞主題	同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理

 

摘要：同步發(fā)電機(jī)和直流電機(jī)、異步電機(jī)一樣，是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是一種交流電機(jī)，從原理上講其工作是可逆的，它不僅可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。同步發(fā)電機(jī)的另一種特殊運(yùn)行方式為同步調(diào)相機(jī)，或稱同步補(bǔ)償機(jī)，專門用來向電網(wǎng)發(fā)送滯后無功功率，以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。

 

一、電磁感應(yīng)與右手定則

 

      由《電工學(xué)》所學(xué)知識(shí)可知，當(dāng)導(dǎo)體與磁場間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而使兩者相互切割時(shí)，就會(huì)在該導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。如果該導(dǎo)體是閉合的，在感應(yīng)電動(dòng)勢的作用下，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生電流，這個(gè)電流稱為感應(yīng)電流。如圖1所示。將一根導(dǎo)線放在兩個(gè)磁極的均勻磁場內(nèi)，并在導(dǎo)線的兩端接上一只電壓表，當(dāng)導(dǎo)線在垂直于磁力線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(zhuǎn)。以上現(xiàn)象說明導(dǎo)線與磁場發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互切割后，在其內(nèi)部已產(chǎn)生出感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流。

      導(dǎo)線在磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的方向可以用右手定則來確定。如圖2所示。將右手平伸，掌心迎著磁極N，并使磁力線垂直穿過手掌，拇指和其余四指伸直。這時(shí)拇指所指的方向?yàn)閷?dǎo)線的運(yùn)動(dòng)方向，其余四指的指向就是感應(yīng)電動(dòng)勢方向。從上述試驗(yàn)可知，導(dǎo)線在均勻磁場內(nèi)沿著與磁力線垂直的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與導(dǎo)線在磁場中的有效長度l、磁場的磁通密度B以及導(dǎo)線在磁場中的運(yùn)動(dòng)速度v成正比，即

e＝Blv

式中， e——感應(yīng)電動(dòng)勢，V；

B——磁通密度，T；

l——導(dǎo)線在磁場中的有效長度，m；

v——導(dǎo)線垂直于磁力線方向上運(yùn)動(dòng)的速度，m/s。

如果導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向與磁力線方向的夾角為任意角度a時(shí)，則

e＝Blusina

      若將導(dǎo)線與外負(fù)載接成閉合回路，導(dǎo)線中就會(huì)產(chǎn)生電流并輸出電功率，而同步發(fā)電機(jī)就是根據(jù)這一原理來制造的。

 

圖1 發(fā)電機(jī)電磁感應(yīng)現(xiàn)象示意圖

圖2 發(fā)電機(jī)右手定則

 

二、正弦交流電

 

      在現(xiàn)代社會(huì)，交流電被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)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(diào)、電冰箱、電視機(jī)和計(jì)算機(jī)等家用電器同樣離不開交流電。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(guī)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(dǎo)線在兩極均勻磁場內(nèi)做等速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢。由以上分析可知，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小取決于磁場的磁通密度、導(dǎo)線在磁場中的有效長度、導(dǎo)線切割磁力線的速度以及導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向與磁力線方向的夾角α。而感應(yīng)電動(dòng)勢的方向則取決于導(dǎo)線切割磁力線的方向。因此，當(dāng)長度不變的導(dǎo)線在均勻磁場內(nèi)按一定方向做等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢數(shù)值將只與導(dǎo)線切割磁力線時(shí)的角度有關(guān)。

      由圖3可見，當(dāng)導(dǎo)線處于位置1時(shí)，由于導(dǎo)線的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁力線平行，所以并未切割磁力線，也就不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢；當(dāng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)至位置2時(shí)，導(dǎo)線與磁力線間的夾角比較小，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也較小；當(dāng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)至位置3時(shí)，與磁力線的夾角有所增大，所以它產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也相應(yīng)增大；當(dāng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)到位置4時(shí)，導(dǎo)線與磁力線相垂直，這時(shí)導(dǎo)線切割磁力線的角度為最大，正好處于磁極的中央位置，因而它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也最大。經(jīng)過位置4以后，導(dǎo)線與磁力線的夾角又逐漸減小，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也就漸次減小。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到位置7時(shí)，導(dǎo)線的感應(yīng)電動(dòng)勢減到零。

      導(dǎo)線經(jīng)過位置7以后就進(jìn)入磁場的另一個(gè)磁極下面。這時(shí)，由于導(dǎo)線切割磁力線的方向與前半轉(zhuǎn)時(shí)的方向相反，所以它產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢方向也隨之相反。當(dāng)導(dǎo)線相繼轉(zhuǎn)動(dòng)至位置8和9時(shí)，隨著導(dǎo)線切割反方向磁力線角度的變化又逐漸使感應(yīng)電動(dòng)勢增大；在導(dǎo)線處于位置10時(shí)，將達(dá)到反方向感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值；隨著導(dǎo)線切割磁力線角度的相繼減小，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也隨之逐漸減??；當(dāng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)至起點(diǎn)位置1時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢又回落到零。若導(dǎo)線繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，則該導(dǎo)線內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢數(shù)值將重復(fù)以上的變化。

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

 

圖3 發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線所產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢

圖4 發(fā)電機(jī)交流電的正弦曲線

 

 

 

2、交流電的周期和頻率

      交變電壓或電流完成正負(fù)變化一個(gè)循環(huán)所需要的時(shí)間稱為周期，并用符號(hào)T表示。在單位時(shí)間每秒內(nèi)變化的周期數(shù)即為頻率，以符號(hào)f表示。不難看出，頻率f與周期T是互為倒數(shù)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，通常簡寫為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(shù)值，這個(gè)不同的值稱之為瞬時(shí)值，并規(guī)定用小寫字母表示。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(nèi)的最大瞬時(shí)值稱為最大值，并規(guī)定用大寫字母表示，同時(shí)還應(yīng)在字母的右下角標(biāo)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來表示時(shí)間，再從這根直線上引出垂直線的高度，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(nèi)的變化完整地反映出來。但實(shí)際上正弦交流電是一種連續(xù)的波形，它并沒有確定的起點(diǎn)和終點(diǎn)。不過，為了說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)及與它由零值開始上升時(shí)形成的角度稱為初相角，或稱為起始相位，并用符號(hào)Ψ表示。

      與此同時(shí)，也可以用旋轉(zhuǎn)相量來表示正弦波。這時(shí)，相量的長度用來表示正弦電壓或正弦電流的最大值，而旋轉(zhuǎn)相量與水平線之間的夾角表示為相角，并且規(guī)定以逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為相角的正方向，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為相角的負(fù)方向；而大于180°的相角，可以改用較小的負(fù)值相角來取代原來大于180°的相角。圖5（a）所示表示導(dǎo)線已轉(zhuǎn)過中性線0角時(shí)的位置，也即為計(jì)算交變電動(dòng)勢時(shí)的起點(diǎn)；圖5（b）所示為用正弦曲線表示的交變電動(dòng)勢；圖5（c）所示為旋轉(zhuǎn)矢量所表示的正弦波。

      旋轉(zhuǎn)矢量常用來表示幾個(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(jī)電樞上嵌繞有相同的兩個(gè)線圈U和V，兩者幾何位置相差90°。根據(jù)電樞的旋轉(zhuǎn)方向可以看出，線圈U的位置要超前于線圈V的角度為90°；圖6（b）所示為U和V兩個(gè)線圈所產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的正弦曲線。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，則線圈U的相角應(yīng)為0°，線圈V的相角則為90°；圖6（c）所示為這兩個(gè)線圈所產(chǎn)生交變電動(dòng)勢的矢量圖，由于這兩個(gè)線圈用同樣的角速度旋轉(zhuǎn)，因此兩個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量間將始終保持相差90°相角。

      由此可知，當(dāng)電樞在磁場中以不變的角速度ω逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)線圈都將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，并且其頻率相同、最大值相等。但因兩個(gè)線圈所處的空間位置不同，從而導(dǎo)致它們的初相角不相等，以致不能同時(shí)達(dá)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，稱它們?yōu)椴煌嗟恼伊?；?dāng)兩正弦量的相位差φ等于零時(shí)，稱為同相的正弦量。

 

圖5 發(fā)電機(jī)正弦交流電的相量圖

圖6 發(fā)電機(jī)兩個(gè)線圈所產(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(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子上布置有三個(gè)相位互差120°電氣角度的線圈。當(dāng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)在電樞線圈內(nèi)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，圖中以U相繞組的電動(dòng)勢從零值開始上升時(shí)來作為起始相位；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(jī)本身結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，它所產(chǎn)生的電動(dòng)勢在通常情況下是對(duì)稱的三相正弦電動(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(jī)示意圖。而在實(shí)際應(yīng)用中，三相交流發(fā)電機(jī)的三套繞組是按設(shè)計(jì)規(guī)定的接法進(jìn)行內(nèi)部連接，并將三相繞組的6根首、尾線端引出，然后按星形或三角形接法連接的。下面將分別簡述這兩種接法。

1、三角形（Δ）接法

      如將三相繞組的首、尾線端依次相連接，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(fù)載相接，這種接法稱為三角形接法。如圖8所示。從圖中可以明顯看出，三角形接法時(shí)其線電壓等于相電壓。由于三相交流發(fā)電機(jī)的合成電動(dòng)勢在許多情況下不可能絕對(duì)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(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，致使繞組發(fā)熱，這種發(fā)熱對(duì)發(fā)電機(jī)顯然是極為不利的。因此，在中小型三相交流發(fā)電機(jī)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(jī)繞組，其線電流與流過每相繞組的相電流，在三相負(fù)載對(duì)稱的條件下有著以下關(guān)系：

 

式中，I_u、I_v、I_w——U、V、W相的線電流；

I_uu、I_vv、I_ww——U、V、W相的相電流。

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

 

 

圖7 發(fā)電機(jī)三相正弦交流發(fā)電機(jī)示意圖

圖8  三相交流發(fā)電機(jī)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（或稱端線）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，稱為中性線（或稱零線）。如圖9所示，這種接法稱為星形（Y）接法。

      如圖10所示，當(dāng)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(shù)值應(yīng)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（即相線之間電壓）稱為線電壓。從測量中可知，繞組三個(gè)線電壓的數(shù)值大小也相等。經(jīng)實(shí)踐和分析證明，三相繞組在對(duì)稱條件下，其相電壓與線電壓之間的相互關(guān)系為：

 

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

 

圖9  發(fā)電機(jī)三相四線發(fā)電機(jī)的星形接法

圖10  發(fā)電機(jī)星形接法時(shí)的相電壓和線電壓

 

總結(jié)：

      同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)的主要區(qū)別在于它們的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是否與電網(wǎng)的頻率同步。同步發(fā)電機(jī)需要與電網(wǎng)同步運(yùn)行，而異步發(fā)電機(jī)則需要通過調(diào)整其轉(zhuǎn)速來匹配電網(wǎng)的頻率。此外，同步發(fā)電機(jī)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、效率高、功率密度大、噪音低、維護(hù)簡單、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因此在大型電力設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

 

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