新聞主題	三相發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行的特性

 

摘要：三相同步發(fā)電機(jī)的電樞繞組為三相對(duì)稱繞組，感應(yīng)的電勢(shì)為三相對(duì)稱電勢(shì)，在對(duì)稱負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行是其主要運(yùn)行方式，此時(shí)發(fā)電機(jī)的每相電壓和電流是對(duì)稱的。發(fā)電機(jī)不接負(fù)載時(shí)，電樞電流為零，稱為空載運(yùn)行。此時(shí)發(fā)電機(jī)定子的三相繞組只有勵(lì)磁電流感生出的空載電動(dòng)勢(shì)(三相對(duì)稱)，其大小隨勵(lì)磁電流的增大而增加。但是，由于發(fā)電機(jī)磁路鐵心有飽和現(xiàn)象，所以兩者不成正比。反映空載電動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁電流關(guān)系的曲線稱為同步發(fā)電機(jī)空載特性，康明斯公司在本節(jié)中主要敘述對(duì)稱負(fù)載時(shí)三相同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行原理和特性。

一、空載磁場(chǎng)

 

      同步發(fā)電機(jī)被柴油機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組通以直流電流，而定子繞組開路時(shí)的運(yùn)行稱為空載運(yùn)行。此時(shí)發(fā)電機(jī)氣隙中唯一存在的磁場(chǎng)就是由直流勵(lì)磁電流產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)，因?yàn)橥桨l(fā)電機(jī)處于空載狀態(tài)，所以又稱為空載磁場(chǎng)或主磁場(chǎng)。

      空載磁場(chǎng)分布如圖1所示，圖中既交鏈轉(zhuǎn)子又交鏈定子的磁通稱為主磁通，即空載時(shí)的氣隙磁通，它的磁密波是沿氣隙圓周空間分布的近似正弦波形。忽略高次諧波分量，主磁通基波每極磁通量用Φ₀表示。勵(lì)磁電流建立的磁通還有一小部分僅交鏈勵(lì)磁繞組本身，而不穿過氣隙與定子繞組交鏈，稱其為主極漏磁通，用Φ_f0表示，它不參與同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。主磁通所經(jīng)路徑稱為主磁路。它由主極鐵芯（轉(zhuǎn)子N極）→氣隙→電樞（定子）齒→電樞磁軛→電樞齒→氣隙→另一主極鐵芯（轉(zhuǎn)子S極）→轉(zhuǎn)子磁軛，形成閉合磁路。漏磁通的路徑主要由空氣和非磁性材料等組成，兩者相比，主磁路的磁阻要小得多，所以在磁極磁勢(shì)的作用下，主磁通遠(yuǎn)大于漏磁通。電樞工作過程如圖2所示。

 

圖1 凸極式同步發(fā)電機(jī)的空載磁場(chǎng)分布

圖2  發(fā)電機(jī)電樞線圈工作原理

 

二、空載特性

 

      在柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)子以同步速度n₁旋轉(zhuǎn)，主磁通切割定子繞組，感應(yīng)出頻率為f的三相基波電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)的有效值為

E₀＝4.44fWK_w1Φ₀

式中，E₀——基波電勢(shì)，V；

f——感應(yīng)電勢(shì)的頻率，Hz；

W——每相定子繞組串聯(lián)匝數(shù)；

K_w1——基波繞組系數(shù)；

Φ₀——主磁通基波每極磁通量，Wb。

      感應(yīng)電勢(shì)的頻率f與極對(duì)數(shù)p以及同步轉(zhuǎn)速n₁之間的關(guān)系為

f＝pn₁/60

      由于I＝0，同步發(fā)動(dòng)機(jī)的電樞電壓等于空載電勢(shì)E₀，由三相基波感應(yīng)電勢(shì)的有效值公式E₀＝4.44fWK_w1Φ₀可知，電勢(shì)E₀取決于空載氣隙磁通Φ₀。Φ₀取決于勵(lì)磁磁勢(shì)或勵(lì)磁電流I_f。因此，空載時(shí)的端電壓或電勢(shì)是勵(lì)磁電流的函數(shù)，即E₀＝f（I_f），E₀與I_f的關(guān)系曲線稱為同步發(fā)電機(jī)的空載特性（曲線），如圖3中的曲線1。發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)電路如圖4所示。

 

圖3  同步發(fā)電機(jī)的空載特性曲線

圖4  同步發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)電路

 

      由于E₀∝Φ₀，F(xiàn)_f∝I_f，因此在改換適當(dāng)?shù)谋壤吆螅蛰d特性曲線E₀＝f（I_f）即可表示主磁通Φ₀和勵(lì)磁磁勢(shì)F_f之間的函數(shù)關(guān)系［Φ₀＝f（F_f）］，Φ₀＝f（F_f）稱為電機(jī)的磁化曲線。這就說明勵(lì)磁磁勢(shì)F_f和主磁通。之間具有內(nèi)在聯(lián)系。因此任何一臺(tái)電機(jī)的空載特性實(shí)際上也反映了它的磁化特性。從圖2可以看出，當(dāng)磁通較小時(shí)，磁路不飽和，此時(shí)鐵芯部分所消耗的磁勢(shì)很小，可略去不計(jì)，磁化曲線近于直線。當(dāng)磁通值較大時(shí)，磁路中的鐵磁部分已飽和，因而所消耗的磁勢(shì)較大，空載特性曲線就逐漸彎曲。在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，既要充分利用鐵磁材料，又要考慮到不因過分飽和而增加勵(lì)磁磁勢(shì)，從而增加發(fā)電機(jī)的用銅量，所以使電機(jī)的空載額定電壓運(yùn)行于空載特性曲線的彎曲部分，如圖3-17中的c點(diǎn)。若將空載特性曲線的直線部分延長(zhǎng)得到圖3-17中的直線2，這條直線稱為氣隙線。它表示氣隙磁勢(shì)F。與基波每極磁通Φ₀之間的關(guān)系。圖中oa代表額定電壓，ac表示產(chǎn)生額定電壓所需要的磁勢(shì)F_f0。

      F_δ為氣隙磁勢(shì)，F(xiàn)_fe為克服鐵芯磁阻所需磁勢(shì)，鐵芯越飽和，F(xiàn)_fe增長(zhǎng)得越快。當(dāng)E₀＝U_N時(shí)，總磁勢(shì)F_f0和氣隙磁勢(shì)F_δ之比稱為電機(jī)磁路的飽和系數(shù)K_s，即

 

      由上式可得dc＝dn/Kg。式中，dc為額定電壓；dn為在相同勵(lì)磁磁勢(shì)下，磁路未飽和時(shí)的勵(lì)磁電勢(shì)；一般空載額定電壓時(shí)的K，值為1.1～1.25。可見在磁路飽和后，由勵(lì)磁磁勢(shì)所建立的磁通和它感應(yīng)的電勢(shì)都降低到未飽和時(shí)的1/K_s。

      發(fā)電機(jī)的空載特性曲線可用標(biāo)幺值表示，以額定電壓U_N、為電勢(shì)的基值，I_f0為勵(lì)磁電流的基值（I_f0為電機(jī)空載時(shí)E₀＝U_N的勵(lì)磁電流）。不同的電機(jī)用標(biāo)幺值繪出的空載特性都相差不大，由此可認(rèn)為電機(jī)有一條標(biāo)準(zhǔn)的空載特性曲線存在。標(biāo)準(zhǔn)空載特性曲線的數(shù)據(jù)如表1所示。空載特性曲線很有實(shí)用價(jià)值，用它來對(duì)比已制造出來的電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，就可以看出該電機(jī)的磁路飽和情況、鐵芯的質(zhì)量以及材料的利用情況等。

表1 標(biāo)準(zhǔn)空載曲線數(shù)據(jù)表

      空載特性曲線是發(fā)電機(jī)中一條最基本的特性曲線，它的用途很廣，通過空載特性還可以檢驗(yàn)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的工作情況，電樞繞組連接是否正確?？蛰d特性代表了電機(jī)中磁和電兩方面的聯(lián)系，表達(dá)了由勵(lì)磁磁勢(shì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的能力。在有負(fù)載的情況下，如果能獲得磁路中的總磁勢(shì)，也可利用這個(gè)特性來求取氣隙磁通在電樞繞組中所感應(yīng)的氣隙電勢(shì)。

 

三、對(duì)空載電勢(shì)的要求

 

      現(xiàn)代交流同步發(fā)電機(jī)要求其產(chǎn)生的電勢(shì)是三相對(duì)稱；頻率恒定；波形接近于正弦；具有一定的幅值。這幾項(xiàng)要求標(biāo)志著發(fā)電機(jī)輸出電能的質(zhì)量。另外，從設(shè)計(jì)和制造的角度考慮還要求：制造加工容易；節(jié)約材料；維修方便，保證發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能等。然而對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電能質(zhì)量上的要求和制造上的經(jīng)濟(jì)性有時(shí)會(huì)發(fā)生矛盾，因此必須從整體全面考慮，不能片面地強(qiáng)調(diào)某一方面。事實(shí)上要求電能質(zhì)量絕對(duì)化，既是不可能的，而且也沒有必要，反而會(huì)給發(fā)電機(jī)的制造帶來困難，增加不必要的制造費(fèi)用。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 755-2019，允許電勢(shì)波形和電勢(shì)的不對(duì)稱程度有一定范圍的偏差。

1、對(duì)電勢(shì)波形的要求

      同步發(fā)電機(jī)空載線電壓的波形應(yīng)在額定電壓和額定轉(zhuǎn)速情況下測(cè)定?？蛰d線電壓波形與正弦波形的偏差程度，一般用所謂電壓波形正弦性畸變率來表示。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T755-2019的規(guī)定，電壓波形正弦性畸變率K_u可按下式算出：

 

式中，u₁——基波電壓有效值，也可用線電壓的有效值來代替；

u_n——n次諧波電壓的有效值。

      對(duì)于額定容量在300千伏安（kV·A）以上的發(fā)電機(jī)，K_u要求不超過5％；對(duì)于額定功率在10～300千伏安（kV·A）的發(fā)電機(jī)，K_u要求不超過10％。電壓波形正弦性畸變率的數(shù)值可用專用測(cè)量?jī)x測(cè)定；也可用示波器拍攝電壓波形，然后用數(shù)學(xué)分析法確定各次諧波的數(shù)值，再按上式算出電壓波形正弦性畸變率。當(dāng)前采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程來求電壓波形正弦性畸變率是較好的方法。

      事實(shí)上，如果所拍攝電壓波形曲線與其基波分量的最大瞬時(shí)偏差ΔE（如圖5所示）不超過基波E_1m的5％時(shí)，即可認(rèn)為其是正弦波形，如圖6所示。

      如果電勢(shì)波形正弦性畸變率太高，將產(chǎn)生許多不良后果。例如使發(fā)電機(jī)本身和由它所供電的電動(dòng)機(jī)的損耗增加和效率降低等。因此對(duì)正弦波形畸變率應(yīng)有足夠重視。

圖5  發(fā)電機(jī)電勢(shì)基波分量的最大瞬時(shí)偏差與基波的比較

圖6  發(fā)電機(jī)正弦交流電電壓波形

 

2、在三相系統(tǒng)中對(duì)電勢(shì)對(duì)稱的要求

      在三相系統(tǒng)中電勢(shì)要對(duì)稱，即要求各相電勢(shì)幅值相等而相位相差120°電氣角度。這就要求三相繞組中每相應(yīng)具有相同的匝數(shù)，并且安置在恰當(dāng)?shù)奈恢蒙?。按照GB/T 755-2019規(guī)定：多相系統(tǒng)中，如電壓的負(fù)序和零序分量均不超過正序分量的2％時(shí)，即稱為實(shí)際對(duì)稱電壓系統(tǒng)。國家標(biāo)準(zhǔn)要求三相發(fā)電機(jī)的輸出電壓能滿足實(shí)際對(duì)稱系統(tǒng)的要求。

 

總結(jié)：

      針對(duì)三相同步交流發(fā)電機(jī)的空載飽和特性問題，可以通過有限元法建立同步發(fā)電機(jī)的二維電磁場(chǎng)物理模型。通過此模型對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心的電磁場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)一步對(duì)氣隙中線磁場(chǎng)分布進(jìn)行了諧波分析，以便更加詳細(xì)地得到了發(fā)電機(jī)的空載飽和特性曲線。

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