發(fā)電機(jī)(俗稱電球)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成交流電能的機(jī)器,是柴油發(fā)電機(jī)組的電能產(chǎn)生和輸出的機(jī)器。

 1、 發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

19世紀(jì)英國(guó)科學(xué)家法拉第通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象;導(dǎo)體與磁場(chǎng)的磁力線相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體中會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。如果將這根導(dǎo)體的兩端連接起來(lái),則在這個(gè)閉合導(dǎo)體與磁場(chǎng)相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

原線圈A通以直流電,則線圈因有電流流過(guò)而產(chǎn)生直流磁場(chǎng)。在副線圈B的兩端接上電流表G。當(dāng)線圈A穿越線圈B的中間向下運(yùn)動(dòng)時(shí),電流表G的指針會(huì)隨之從中心點(diǎn)擺向一邊。向上運(yùn)動(dòng)時(shí),電流表G的指針會(huì)隨之?dāng)[向另一邊。這就是說(shuō):由線圈A的直流磁場(chǎng)的磁力線切割線圈B,或者說(shuō)線圈B內(nèi)的磁場(chǎng)從無(wú)到有或從小到大發(fā)生變化時(shí),它就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。而且線圈B中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流的方向還隨磁場(chǎng)方向的變化而變化。通過(guò)大量的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn),科學(xué)家總結(jié)出了恒定磁場(chǎng)與金屬導(dǎo)體線圈相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)時(shí)線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:e=-N*（ΔΦ/Δt）

式中,N代表線圈B共有多少圈(也稱匝)。ΔΦ/Δt是線圈B中的一圈在Δt時(shí)間內(nèi)磁通(表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱)的變化量ΔΦ。

可見(jiàn)線圈B中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與線圈A穿越其中間上下運(yùn)動(dòng)形成的磁通變化有關(guān)。而且與其運(yùn)動(dòng)的速度也有關(guān),上下運(yùn)動(dòng)越快感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e越大。線圈繞的圈數(shù)N越多e也越大。

法拉第定律告訴我們:金屬線圈穿過(guò)磁場(chǎng)切割磁力線,或者線圈不動(dòng)而磁場(chǎng)磁力線掃過(guò)它,都會(huì)在金屬線圈的兩個(gè)端頭間產(chǎn)生電壓。發(fā)電機(jī)就是根據(jù)這個(gè)原理制造的。

按照發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),磁場(chǎng)固定,金屬線圈繞組做成可旋轉(zhuǎn)的以便切割磁力線,電壓從這個(gè)線圈繞組引出(稱為電樞繞組),這種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)叫做旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)。因?yàn)殡姌惺切D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的,電樞繞組的電流要靠活動(dòng)接觸的電刷和滑環(huán)引出才能供給負(fù)荷。因此輸出電流和電壓都不能太大,一般不超過(guò)500V,否則電刷和滑環(huán)之間將產(chǎn)生很大的火花。這種結(jié)構(gòu)形式的發(fā)電機(jī)已很少采用。

常用的同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式是輸出電壓、電流的繞組(即電樞)是固定的,而產(chǎn)生磁力線的線圈繞組是旋轉(zhuǎn)的,其磁場(chǎng)自然也隨之旋轉(zhuǎn),這種叫做旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)式發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分只產(chǎn)生直流磁場(chǎng),而取消了滑環(huán)和電刷。定子部分有更多的空間嵌放電樞繞組和絕緣材料,電樞產(chǎn)生的電流可以直接輸往負(fù)荷,其機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能都較好,可靠性也大為提高。所以又稱為無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)。

同步發(fā)電機(jī)的定子部分(1)按照120°的空間位置分布了三個(gè)同樣的繞組,這就是定子繞組,發(fā)電機(jī)的輸出電壓由它們通過(guò)發(fā)電機(jī)定子繞組(270)引出線接線端子給出,所以把它們也稱為電樞繞組。同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(4)上面安裝著轉(zhuǎn)子繞組,它由同一軸上的勵(lì)磁機(jī)電樞繞組(100)輸出的交流電,經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器(78)整流后的直流電供電,并形成主磁場(chǎng)。主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)(共同形成一個(gè)合成磁場(chǎng))的磁力線剛掃入電樞繞組時(shí),繞組兩端的電壓小,全部掃入時(shí)電壓*大,快掃過(guò)繞組時(shí)電壓也小。所以說(shuō),繞組兩端的電壓是交流變化的,稱之為交流電壓。這樣,同步發(fā)電機(jī)就可以產(chǎn)生彼此相差120°的三相交流電壓。如果按順序?qū)⑦@三個(gè)電樞繞組編號(hào)為A、B、C,則它們各自的輸出電壓瞬時(shí)值可表達(dá)成

uA=Umsin(2πf t+0°)

uB=Umsin(2πf t-120°)

uC=Umsin(2πf t+120°)

式中,(1)0°、-120°、+120°叫做初相角,它們是由同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定的。

(2) f 是電壓的頻率。它表示單位時(shí)間內(nèi),同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的磁力線切割電樞繞組的次數(shù)。f的大小實(shí)際上是由發(fā)電機(jī)組的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的,因?yàn)槭撬苯訋еl(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速越快,則 f 越高。反之亦然, f 越低。對(duì)于同一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)而言,顯然三個(gè)電壓的頻率 f 是一樣的。2πf 則是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的磁力線切割電樞繞組的角頻率,用ω表示。從三相電壓的表達(dá)式可知:2πf t+φi(φi=0°、-120°、+120°)是正弦量變化的核心,它反映了正弦量隨時(shí)間t變化的進(jìn)程。

(3)Um是電壓的*大值。它是由同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁電流的大小決定的,同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是由勵(lì)磁電流流過(guò)轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的,電流大則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng),磁力線切割電樞繞組在繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就大。反之亦然,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就小。同步發(fā)電機(jī)只有一個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng),因此三個(gè)繞組輸出電壓的*大值Um都是一樣的。

根據(jù)設(shè)計(jì),三個(gè)電樞繞組之間的電壓(稱為線電壓)為380～400V。由于這種同步發(fā)電機(jī)在電氣性能和機(jī)械性能方面都具有優(yōu)點(diǎn),因而被柴油發(fā)電機(jī)組普遍采用。

3 、 轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁 

所謂勵(lì)磁即是向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供直流電,使其產(chǎn)生直流磁場(chǎng)的過(guò)程。早期的發(fā)電機(jī)是采用單獨(dú)的勵(lì)磁機(jī)給轉(zhuǎn)子線圈提供直流電,系統(tǒng)龐大而復(fù)雜。隨著技術(shù)的進(jìn)步,現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)都是將發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)組裝在一起構(gòu)成一個(gè)完整的發(fā)電機(jī)。

勵(lì)磁機(jī)其實(shí)就是個(gè)小發(fā)電機(jī),其工作原理與同步發(fā)電機(jī)一樣。所不同的是它的定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈所起的作用與同步發(fā)電機(jī)——主發(fā)電機(jī)正好相反;勵(lì)磁機(jī)定子繞組(90)固定在主發(fā)電機(jī)定子旁,勵(lì)磁機(jī)的定子線圈通以直流電形成直流磁場(chǎng)。而安裝在主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈,勵(lì)磁機(jī)電樞繞組(100)成為輸出電壓的繞組。勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子內(nèi)壁之間也是保持著較小而均勻的間隙。勵(lì)磁機(jī)定子線圈的直流電,是由主發(fā)電機(jī)定子線圈即電樞的部分輸出電壓經(jīng)整流后而得到的。它使勵(lì)磁機(jī)定子線圈產(chǎn)生直流磁場(chǎng),且該磁場(chǎng)是不動(dòng)的。工作時(shí),與主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝的勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子線圈在這個(gè)磁場(chǎng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)、切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該電勢(shì)經(jīng)同軸安裝在勵(lì)磁機(jī)電樞繞組旁邊的旋轉(zhuǎn)整流器(78)變成直流電流,再輸?shù)街靼l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組使其產(chǎn)生直流轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。從而達(dá)到了對(duì)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁的要求。

 4 、輸出電壓的調(diào)控 

調(diào)控的目的就是實(shí)現(xiàn)在同步發(fā)電機(jī)額定范圍內(nèi)的負(fù)荷,無(wú)論其性質(zhì)及大小如何變化都能穩(wěn)住輸出電壓。調(diào)控的技術(shù)方式隨著發(fā)電機(jī)額定功率的不同、每個(gè)時(shí)期技術(shù)發(fā)展程度的不同,有簡(jiǎn)潔及**的許多類型。

但總的理念都是:實(shí)時(shí)從主發(fā)電機(jī)電樞取得電壓和電流,經(jīng)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器整流和負(fù)反饋調(diào)理后供給勵(lì)磁機(jī)的定子線圈,使其產(chǎn)生變化規(guī)律與主發(fā)電機(jī)輸出電壓變化規(guī)律相反的直流電磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)也必然使勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞的輸出電壓以及旋轉(zhuǎn)整流器供給主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的直流電流按同樣的規(guī)律而變化。從而起到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)大小,使主發(fā)電機(jī)在額定負(fù)荷范圍內(nèi)保持良好輸出特性的作用。

對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)控過(guò)程,自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器起著重要作用。

可見(jiàn),通過(guò)勵(lì)磁機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)控主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組磁場(chǎng)的大小,就可以穩(wěn)住輸出電壓。這其中起重要作用的是具有負(fù)反饋功能的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器。通常也稱其為恒壓勵(lì)磁裝置。

 5 、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器 

在柴油發(fā)電機(jī)組的額定負(fù)荷范圍之內(nèi),無(wú)論負(fù)荷是電阻、電容、電感性或兼而有之,也無(wú)論它們的大小怎樣變化,對(duì)柴油機(jī)的主要要求是穩(wěn)住轉(zhuǎn)速(通常柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為每分鐘1500轉(zhuǎn))。而對(duì)同步發(fā)電機(jī)的主要要求則是穩(wěn)住輸出電壓。為此,一般都采用以**電子裝置為核心的自動(dòng)電壓調(diào)控系統(tǒng)。

現(xiàn)代交流同步發(fā)電機(jī)常用自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)這種電子部件,調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)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(shí)時(shí)采樣主發(fā)電機(jī)的輸出電壓值與預(yù)先設(shè)定的值相比較,用比較的結(jié)果去調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制器(PWM)。輸出電壓值高則調(diào)制器輸出脈沖寬度窄,反之則寬。然后再用這些脈沖去調(diào)控大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件,控制送入勵(lì)磁機(jī)定子線圈的電流的時(shí)間及大小。從而使它的磁場(chǎng)強(qiáng)弱隨著主發(fā)電機(jī)輸出電壓的變化而相反變化。即輸出電壓升高則勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)減小,輸出電壓降低則勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)增強(qiáng),從而達(dá)到負(fù)反饋調(diào)控的目的。

采樣取自主發(fā)電機(jī)輸出的部分電壓,從(8)、(9)兩端進(jìn)入電壓測(cè)量單元。經(jīng)降壓、分壓、整流濾波后,得到與發(fā)電機(jī)輸出電壓成正比的直流電壓。它被R4、R5、PR1分壓后獲得電壓UA,并送入脈寬調(diào)制器。出廠前或者發(fā)電機(jī)帶載正常工作時(shí),調(diào)節(jié)RHR外接電壓微調(diào)電位器使UA確定一個(gè)值作為基準(zhǔn)。測(cè)量單元輸出的電壓Uc則送入低頻保護(hù)單元。

脈沖寬度調(diào)制器(PWM)的輸出調(diào)寬脈沖UB控制調(diào)制管VT3。若由電壓測(cè)量單元送來(lái)的UA比基準(zhǔn)電壓大,表明主發(fā)電機(jī)輸出電壓升高,則大的UA就會(huì)使脈沖寬度調(diào)制器輸出的脈沖電壓UB的寬度變窄。窄的脈沖就會(huì)使VT3導(dǎo)通時(shí)間短,通過(guò)的電流小。反之,主發(fā)電機(jī)輸出電壓降低,UA變小,則脈沖寬度調(diào)制器輸出UB的寬度隨之變寬,從而使VT3導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng),通過(guò)的電流增多。

勵(lì)磁機(jī)的定子線圈一端接在端子X1上,另一端接在XX1端子上。由主發(fā)電機(jī)電樞繞組取樣的XA、XB、Xc三相電壓(一般為36～45V),經(jīng)過(guò)三個(gè)二極管VD10、VD11、VD12整流后,其直流電流從X1端流入勵(lì)磁機(jī)的定子線圈,由XX1流出,再經(jīng)過(guò)調(diào)制管VT3和XN端子流回主發(fā)電機(jī)電樞繞組,形成一個(gè)勵(lì)磁機(jī)定子線圈的勵(lì)磁電流通路。VT3是這個(gè)通路上的開(kāi)關(guān),它導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng),則定子線圈流過(guò)的電流大,勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)強(qiáng)度變大。VT3導(dǎo)通時(shí)間短,定子線圈電流少,定子磁場(chǎng)強(qiáng)度小。

AVR就是這樣調(diào)控主發(fā)電機(jī)的電壓的。主發(fā)電機(jī)由于負(fù)荷原因輸出電壓升高,電壓測(cè)量單元輸出的UA隨著升高,受UA控制的脈寬調(diào)制器輸出脈沖電壓UB寬度變窄,開(kāi)關(guān)管VT3導(dǎo)通時(shí)間短,勵(lì)磁機(jī)定子繞組因電流少磁場(chǎng)減弱,勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞電壓及旋轉(zhuǎn)整流器輸出電流隨之減小，導(dǎo)致供給主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流變小，則主發(fā)電機(jī)因其轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的減小而使輸出電壓降低。反之，AVR的負(fù)反饋調(diào)控功能就會(huì)使主發(fā)電機(jī)的輸出電壓升高。

在主發(fā)電機(jī)因負(fù)荷超出額定值而輸出極大電流時(shí),柴油發(fā)動(dòng)機(jī)也需隨之輸出巨大的動(dòng)力導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速低于額定值。低頻保護(hù)單元的作用就是在這種情況下限制勵(lì)磁機(jī)定子線圈里電流的超額增大。它以電阻和電容構(gòu)成的充放電支路預(yù)先設(shè)定一個(gè)低頻保護(hù)點(diǎn),當(dāng)主發(fā)電機(jī)負(fù)荷正常時(shí),從電壓測(cè)量單元來(lái)的Uc小于低頻保護(hù)點(diǎn),則低頻保護(hù)單元輸出的電壓UD高,二極管VD8被截止,UD到不了脈寬調(diào)制器,起不了作用。若主發(fā)電機(jī)超載則UD變低,VD8導(dǎo)通,UD和UA就可同時(shí)作用于脈寬調(diào)制器,使其輸出的UB隨UD的下降而變窄,調(diào)制管VT3導(dǎo)通時(shí)間隨之變短,勵(lì)磁電流減小,勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)變?nèi)?。從而?dǎo)致主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)減小。發(fā)電機(jī)輸出電壓下降、電流減小。低頻保護(hù)單元起到了保護(hù)勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)的作用。

 6 、同步發(fā)電機(jī)常用技術(shù)參數(shù)

理解同步發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù),對(duì)管好用好柴油發(fā)電機(jī)組是十分必要的。常用的參數(shù)有：

額定電壓UH——同步發(fā)電機(jī)正常工作時(shí),定子內(nèi)的三相電樞繞組每組線端(每組的電壓輸出端)之間的線電壓。單位是V或kV。一般UH值為400V(線電壓)或230V(相電壓)。

額定電流IH——帶額定負(fù)荷正常工作時(shí),流過(guò)定子繞組的線電流,單位是A或者kA。

額定功率因數(shù)cosφH——同步發(fā)電機(jī)帶額定負(fù)荷正常工作時(shí),其每相定子繞組內(nèi)的電壓與電流之間相角差φH的余弦函數(shù)值。一般這個(gè)值是根據(jù)電力系統(tǒng)的需要情況設(shè)計(jì)而定的。通常為0.8(滯后)。

額定容量SH——在額定負(fù)荷及額定功率因數(shù)情況下正常運(yùn)行時(shí),同步發(fā)電機(jī)輸出的視在功率。單位是kVA。有時(shí)也用有功功率PH表示,其單位為kW。兩者之間的關(guān)系是PH=SHcosφH。額定容量是同步發(fā)電機(jī)的重要參數(shù)之一,它表明該機(jī)的發(fā)電能力。

額定頻率fH——額定運(yùn)行時(shí),同步發(fā)電機(jī)輸出電壓每秒鐘內(nèi)交變的次數(shù)。單位是Hz。我國(guó)制定的工業(yè)頻率為50Hz。

效率η——同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率與輸入的有功功率(柴油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)它做的有功功率)的比值。它是表征同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù),越高越好。

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