发电机(俗称电球)是将机械能转变成交流电能的机器,是柴油发电机组的电能产生和输出的机器。

 1、 发电机的基本结构

19世纪英国科学家法拉第通过实验发现了电磁感应现象;导体与磁场的磁力线相对切割运动时,导体中会感应出电动势。如果将这根导体的两端连接起来,则在这个闭合导体与磁场相对切割运动时,导体中就会产生感应电流。

原线圈A通以直流电,则线圈因有电流流过而产生直流磁场。在副线圈B的两端接上电流表G。当线圈A穿越线圈B的中间向下运动时,电流表G的指针会随之从中心点摆向一边。向上运动时,电流表G的指针会随之摆向另一边。这就是说:由线圈A的直流磁场的磁力线切割线圈B,或者说线圈B内的磁场从无到有或从小到大发生变化时,它就会产生感应电动势和感应电流。而且线圈B中的感应电动势和感应电流的方向还随磁场方向的变化而变化。通过大量的电磁感应实验,科学家总结出了恒定磁场与金属导体线圈相对切割运动时线圈内的感应电动势为:e=-N*（ΔΦ/Δt）

式中,N代表线圈B共有多少圈(也称匝)。ΔΦ/Δt是线圈B中的一圈在Δt时间内磁通(表示磁场的强弱)的变化量ΔΦ。

可见线圈B中的感应电动势e与线圈A穿越其中间上下运动形成的磁通变化有关。而且与其运动的速度也有关,上下运动越快感应电动势e越大。线圈绕的圈数N越多e也越大。

法拉第定律告诉我们:金属线圈穿过磁场切割磁力线,或者线圈不动而磁场磁力线扫过它,都会在金属线圈的两个端头间产生电压。发电机就是根据这个原理制造的。

按照发电机的基本结构,磁场固定,金属线圈绕组做成可旋转的以便切割磁力线,电压从这个线圈绕组引出(称为电枢绕组),这种结构的发电机叫做旋转电枢式发电机。因为电枢是旋转运动的,电枢绕组的电流要靠活动接触的电刷和滑环引出才能供给负荷。因此输出电流和电压都不能太大,一般不超过500V,否则电刷和滑环之间将产生很大的火花。这种结构形式的发电机已很少采用。

常用的同步发电机的结构形式是输出电压、电流的绕组(即电枢)是固定的,而产生磁力线的线圈绕组是旋转的,其磁场自然也随之旋转,这种叫做旋转磁场式发电机。发电机转子部分只产生直流磁场,而取消了滑环和电刷。定子部分有更多的空间嵌放电枢绕组和绝缘材料,电枢产生的电流可以直接输往负荷,其机械强度和绝缘性能都较好,可靠性也大为提高。所以又称为无刷同步发电机。

同步发电机的定子部分(1)按照120°的空间位置分布了三个同样的绕组,这就是定子绕组,发电机的输出电压由它们通过发电机定子绕组(270)引出线接线端子给出,所以把它们也称为电枢绕组。同步发电机转子(4)上面安装着转子绕组,它由同一轴上的励磁机电枢绕组(100)输出的交流电,经旋转整流器(78)整流后的直流电供电,并形成主磁场。主磁场和电枢磁场(共同形成一个合成磁场)的磁力线刚扫入电枢绕组时,绕组两端的电压小,全部扫入时电压*大,快扫过绕组时电压也小。所以说,绕组两端的电压是交流变化的,称之为交流电压。这样,同步发电机就可以产生彼此相差120°的三相交流电压。如果按顺序将这三个电枢绕组编号为A、B、C,则它们各自的输出电压瞬时值可表达成

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,它们是由同步发电机的结构决定的。

(2) f 是电压的频率。它表示单位时间内,同步发电机转子磁场的磁力线切割电枢绕组的次数。f的大小实际上是由发电机组的柴油发动机的转速决定的,因为是它直接带着发电机转子一起旋转,转速越快,则 f 越高。反之亦然, f 越低。对于同一台同步发电机而言,显然三个电压的频率 f 是一样的。2πf 则是转子磁场的磁力线切割电枢绕组的角频率,用ω表示。从三相电压的表达式可知:2πf t+φi(φi=0°、-120°、+120°)是正弦量变化的核心,它反映了正弦量随时间t变化的进程。

(3)Um是电压的*大值。它是由同步发电机的励磁系统励磁电流的大小决定的,同步发电机的转子磁场是由励磁电流流过转子绕组产生的,电流大则转子磁场强,磁力线切割电枢绕组在绕组上产生的感应电动势就大。反之亦然,感应电动势就小。同步发电机只有一个励磁系统,因此三个绕组输出电压的*大值Um都是一样的。

根据设计,三个电枢绕组之间的电压(称为线电压)为380～400V。由于这种同步发电机在电气性能和机械性能方面都具有优点,因而被柴油发电机组普遍采用。

3 、 转子绕组的励磁 

所谓励磁即是向同步发电机转子绕组提供直流电,使其产生直流磁场的过程。早期的发电机是采用单独的励磁机给转子线圈提供直流电,系统庞大而复杂。随着技术的进步,现代同步发电机都是将发电机与励磁机组装在一起构成一个完整的发电机。

励磁机其实就是个小发电机,其工作原理与同步发电机一样。所不同的是它的定子线圈和转子线圈所起的作用与同步发电机——主发电机正好相反;励磁机定子绕组(90)固定在主发电机定子旁,励磁机的定子线圈通以直流电形成直流磁场。而安装在主发电机转子轴上的励磁机的转子线圈,励磁机电枢绕组(100)成为输出电压的绕组。励磁机的转子与定子内壁之间也是保持着较小而均匀的间隙。励磁机定子线圈的直流电,是由主发电机定子线圈即电枢的部分输出电压经整流后而得到的。它使励磁机定子线圈产生直流磁场,且该磁场是不动的。工作时,与主发电机转子同轴安装的励磁机转子线圈在这个磁场内旋转、切割磁力线产生感应电动势。该电势经同轴安装在励磁机电枢绕组旁边的旋转整流器(78)变成直流电流,再输到主发电机的转子绕组使其产生直流转子磁场。从而达到了对主发电机转子绕组励磁的要求。

 4 、输出电压的调控 

调控的目的就是实现在同步发电机额定范围内的负荷,无论其性质及大小如何变化都能稳住输出电压。调控的技术方式随着发电机额定功率的不同、每个时期技术发展程度的不同,有简洁及**的许多类型。

但总的理念都是:实时从主发电机电枢取得电压和电流,经自动电压调节器整流和负反馈调理后供给励磁机的定子线圈,使其产生变化规律与主发电机输出电压变化规律相反的直流电磁场。这个磁场也必然使励磁机转子电枢的输出电压以及旋转整流器供给主发电机转子线圈的直流电流按同样的规律而变化。从而起到实时调节主发电机转子磁场大小,使主发电机在额定负荷范围内保持良好输出特性的作用。

对发电机输出电压的调控过程,自动电压调节器起着重要作用。

可见,通过励磁机实时调控主发电机转子绕组磁场的大小,就可以稳住输出电压。这其中起重要作用的是具有负反馈功能的自动电压调节器。通常也称其为恒压励磁装置。

 5 、自动电压调节器 

在柴油发电机组的额定负荷范围之内,无论负荷是电阻、电容、电感性或兼而有之,也无论它们的大小怎样变化,对柴油机的主要要求是稳住转速(通常柴油发动机的额定转速为每分钟1500转)。而对同步发电机的主要要求则是稳住输出电压。为此,一般都采用以**电子装置为核心的自动电压调控系统。

现代交流同步发电机常用自动电压调节器(AVR)这种电子部件,调节励磁机定子磁场的强弱。进而达到稳住输出电压的目的。虽然AVR的种类很多,但性能大同小异。都是实时采样主发电机的输出电压值与预先设定的值相比较,用比较的结果去调节脉冲宽度调制器(PWM)。输出电压值高则调制器输出脉冲宽度窄,反之则宽。然后再用这些脉冲去调控大功率半导体开关器件,控制送入励磁机定子线圈的电流的时间及大小。从而使它的磁场强弱随着主发电机输出电压的变化而相反变化。即输出电压升高则励磁机定子磁场减小,输出电压降低则励磁机定子磁场增强,从而达到负反馈调控的目的。

采样取自主发电机输出的部分电压,从(8)、(9)两端进入电压测量单元。经降压、分压、整流滤波后,得到与发电机输出电压成正比的直流电压。它被R4、R5、PR1分压后获得电压UA,并送入脉宽调制器。出厂前或者发电机带载正常工作时,调节RHR外接电压微调电位器使UA确定一个值作为基准。测量单元输出的电压Uc则送入低频保护单元。

脉冲宽度调制器(PWM)的输出调宽脉冲UB控制调制管VT3。若由电压测量单元送来的UA比基准电压大,表明主发电机输出电压升高,则大的UA就会使脉冲宽度调制器输出的脉冲电压UB的宽度变窄。窄的脉冲就会使VT3导通时间短,通过的电流小。反之,主发电机输出电压降低,UA变小,则脉冲宽度调制器输出UB的宽度随之变宽,从而使VT3导通时间变长,通过的电流增多。

励磁机的定子线圈一端接在端子X1上,另一端接在XX1端子上。由主发电机电枢绕组取样的XA、XB、Xc三相电压(一般为36～45V),经过三个二极管VD10、VD11、VD12整流后,其直流电流从X1端流入励磁机的定子线圈,由XX1流出,再经过调制管VT3和XN端子流回主发电机电枢绕组,形成一个励磁机定子线圈的励磁电流通路。VT3是这个通路上的开关,它导通时间长,则定子线圈流过的电流大,励磁机定子磁场强度变大。VT3导通时间短,定子线圈电流少,定子磁场强度小。

AVR就是这样调控主发电机的电压的。主发电机由于负荷原因输出电压升高,电压测量单元输出的UA随着升高,受UA控制的脉宽调制器输出脉冲电压UB宽度变窄,开关管VT3导通时间短,励磁机定子绕组因电流少磁场减弱,励磁机转子电枢电压及旋转整流器输出电流随之减小，导致供给主发电机转子绕组的励磁电流变小，则主发电机因其转子磁场的减小而使输出电压降低。反之，AVR的负反馈调控功能就会使主发电机的输出电压升高。

在主发电机因负荷超出额定值而输出极大电流时,柴油发动机也需随之输出巨大的动力导致其转速低于额定值。低频保护单元的作用就是在这种情况下限制励磁机定子线圈里电流的超额增大。它以电阻和电容构成的充放电支路预先设定一个低频保护点,当主发电机负荷正常时,从电压测量单元来的Uc小于低频保护点,则低频保护单元输出的电压UD高,二极管VD8被截止,UD到不了脉宽调制器,起不了作用。若主发电机超载则UD变低,VD8导通,UD和UA就可同时作用于脉宽调制器,使其输出的UB随UD的下降而变窄,调制管VT3导通时间随之变短,励磁电流减小,励磁机定子磁场变弱。从而导致主发电机转子磁场减小。发电机输出电压下降、电流减小。低频保护单元起到了保护励磁机和主发电机的作用。

 6 、同步发电机常用技术参数

理解同步发电机的技术参数,对管好用好柴油发电机组是十分必要的。常用的参数有：

额定电压UH——同步发电机正常工作时,定子内的三相电枢绕组每组线端(每组的电压输出端)之间的线电压。单位是V或kV。一般UH值为400V(线电压)或230V(相电压)。

额定电流IH——带额定负荷正常工作时,流过定子绕组的线电流,单位是A或者kA。

额定功率因数cosφH——同步发电机带额定负荷正常工作时,其每相定子绕组内的电压与电流之间相角差φH的余弦函数值。一般这个值是根据电力系统的需要情况设计而定的。通常为0.8(滞后)。

额定容量SH——在额定负荷及额定功率因数情况下正常运行时,同步发电机输出的视在功率。单位是kVA。有时也用有功功率PH表示,其单位为kW。两者之间的关系是PH=SHcosφH。额定容量是同步发电机的重要参数之一,它表明该机的发电能力。

额定频率fH——额定运行时,同步发电机输出电压每秒钟内交变的次数。单位是Hz。我国制定的工业频率为50Hz。

效率η——同步发电机输出的有功功率与输入的有功功率(柴油发动机对它做的有功功率)的比值。它是表征同步发电机运行经济性的重要参数,越高越好。

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