發(fā)電機(俗稱(chēng)電球)是將機械能轉變成交流電能的機器,是柴油發(fā)電機組的電能產(chǎn)生和輸出的機器。

 1、 發(fā)電機的基本結構

19世紀英國科學(xué)家法拉第通過(guò)實(shí)驗發(fā)現了電磁感應現象;導體與磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)相對切割運動(dòng)時(shí),導體中會(huì )感應出電動(dòng)勢。如果將這根導體的兩端連接起來(lái),則在這個(gè)閉合導體與磁場(chǎng)相對切割運動(dòng)時(shí),導體中就會(huì )產(chǎn)生感應電流。

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

式中,N代表線(xiàn)圈B共有多少圈(也稱(chēng)匝)。ΔΦ/Δt是線(xiàn)圈B中的一圈在Δt時(shí)間內磁通(表示磁場(chǎng)的強弱)的變化量ΔΦ。

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

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

按照發(fā)電機的基本結構,磁場(chǎng)固定,金屬線(xiàn)圈繞組做成可旋轉的以便切割磁力線(xiàn),電壓從這個(gè)線(xiàn)圈繞組引出(稱(chēng)為電樞繞組),這種結構的發(fā)電機叫做旋轉電樞式發(fā)電機。因為電樞是旋轉運動(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。這種結構形式的發(fā)電機已很少采用。

常用的同步發(fā)電機的結構形式是輸出電壓、電流的繞組(即電樞)是固定的,而產(chǎn)生磁力線(xiàn)的線(xiàn)圈繞組是旋轉的,其磁場(chǎng)自然也隨之旋轉,這種叫做旋轉磁場(chǎng)式發(fā)電機。發(fā)電機轉子部分只產(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荷,其機械強度和絕緣性能都較好,可靠性也大為提高。所以又稱(chēng)為無(wú)刷同步發(fā)電機。

同步發(fā)電機的定子部分(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)電機的輸出電壓由它們通過(guò)發(fā)電機定子繞組(270)引出線(xiàn)接線(xiàn)端子給出,所以把它們也稱(chēng)為電樞繞組。同步發(fā)電機轉子(4)上面安裝著(zhù)轉子繞組,它由同一軸上的勵磁機電樞繞組(100)輸出的交流電,經(jīng)旋轉整流器(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(xiàn)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(chēng)之為交流電壓。這樣,同步發(fā)電機就可以產(chǎn)生彼此相差120°的三相交流電壓。如果按順序將這三個(gè)電樞繞組編號為A、B、C,則它們各自的輸出電壓瞬時(shí)值可表達成

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)電機的結構決定的。

(2) f 是電壓的頻率。它表示單位時(shí)間內,同步發(fā)電機轉子磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)切割電樞繞組的次數。f的大小實(shí)際上是由發(fā)電機組的柴油發(fā)動(dòng)機的轉速決定的,因為是它直接帶著(zhù)發(fā)電機轉子一起旋轉,轉速越快,則 f 越高。反之亦然, f 越低。對于同一臺同步發(fā)電機而言,顯然三個(gè)電壓的頻率 f 是一樣的。2πf 則是轉子磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)切割電樞繞組的角頻率,用ω表示。從三相電壓的表達式可知: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)電機的勵磁系統勵磁電流的大小決定的,同步發(fā)電機的轉子磁場(chǎng)是由勵磁電流流過(guò)轉子繞組產(chǎn)生的,電流大則轉子磁場(chǎng)強,磁力線(xiàn)切割電樞繞組在繞組上產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢就大。反之亦然,感應電動(dòng)勢就小。同步發(fā)電機只有一個(gè)勵磁系統,因此三個(gè)繞組輸出電壓的*大值Um都是一樣的。

根據設計,三個(gè)電樞繞組之間的電壓(稱(chēng)為線(xiàn)電壓)為380～400V。由于這種同步發(fā)電機在電氣性能和機械性能方面都具有優(yōu)點(diǎn),因而被柴油發(fā)電機組普遍采用。

3 、 轉子繞組的勵磁 

所謂勵磁即是向同步發(fā)電機轉子繞組提供直流電,使其產(chǎn)生直流磁場(chǎng)的過(guò)程。早期的發(fā)電機是采用單獨的勵磁機給轉子線(xiàn)圈提供直流電,系統龐大而復雜。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步,現代同步發(fā)電機都是將發(fā)電機與勵磁機組裝在一起構成一個(gè)完整的發(fā)電機。

勵磁機其實(shí)就是個(gè)小發(fā)電機,其工作原理與同步發(fā)電機一樣。所不同的是它的定子線(xiàn)圈和轉子線(xiàn)圈所起的作用與同步發(fā)電機——主發(fā)電機正好相反;勵磁機定子繞組(90)固定在主發(fā)電機定子旁,勵磁機的定子線(xiàn)圈通以直流電形成直流磁場(chǎng)。而安裝在主發(fā)電機轉子軸上的勵磁機的轉子線(xiàn)圈,勵磁機電樞繞組(100)成為輸出電壓的繞組。勵磁機的轉子與定子內壁之間也是保持著(zhù)較小而均勻的間隙。勵磁機定子線(xiàn)圈的直流電,是由主發(fā)電機定子線(xiàn)圈即電樞的部分輸出電壓經(jīng)整流后而得到的。它使勵磁機定子線(xiàn)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)電機轉子同軸安裝的勵磁機轉子線(xiàn)圈在這個(gè)磁場(chǎng)內旋轉、切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。該電勢經(jīng)同軸安裝在勵磁機電樞繞組旁邊的旋轉整流器(78)變成直流電流,再輸到主發(fā)電機的轉子繞組使其產(chǎn)生直流轉子磁場(chǎng)。從而達到了對主發(fā)電機轉子繞組勵磁的要求。

 4 、輸出電壓的調控 

調控的目的就是實(shí)現在同步發(fā)電機額定范圍內的負荷,無(wú)論其性質(zhì)及大小如何變化都能穩住輸出電壓。調控的技術(shù)方式隨著(zhù)發(fā)電機額定功率的不同、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(lèi)型。

但總的理念都是:實(shí)時(shí)從主發(fā)電機電樞取得電壓和電流,經(jīng)自動(dòng)電壓調節器整流和負反饋調理后供給勵磁機的定子線(xiàn)圈,使其產(chǎn)生變化規律與主發(fā)電機輸出電壓變化規律相反的直流電磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)也必然使勵磁機轉子電樞的輸出電壓以及旋轉整流器供給主發(fā)電機轉子線(xiàn)圈的直流電流按同樣的規律而變化。從而起到實(shí)時(shí)調節主發(fā)電機轉子磁場(chǎng)大小,使主發(fā)電機在額定負荷范圍內保持良好輸出特性的作用。

對發(fā)電機輸出電壓的調控過(guò)程,自動(dòng)電壓調節器起著(zhù)重要作用。

可見(jiàn),通過(guò)勵磁機實(shí)時(shí)調控主發(fā)電機轉子繞組磁場(chǎng)的大小,就可以穩住輸出電壓。這其中起重要作用的是具有負反饋功能的自動(dòng)電壓調節器。通常也稱(chēng)其為恒壓勵磁裝置。

 5 、自動(dòng)電壓調節器 

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

現代交流同步發(fā)電機常用自動(dòng)電壓調節器(AVR)這種電子部件,調節勵磁機定子磁場(chǎng)的強弱。進(jìn)而達到穩住輸出電壓的目的。雖然AVR的種類(lèi)很多,但性能大同小異。都是實(shí)時(shí)采樣主發(fā)電機的輸出電壓值與預先設定的值相比較,用比較的結果去調節脈沖寬度調制器(PWM)。輸出電壓值高則調制器輸出脈沖寬度窄,反之則寬。然后再用這些脈沖去調控大功率半導體開(kāi)關(guān)器件,控制送入勵磁機定子線(xiàn)圈的電流的時(shí)間及大小。從而使它的磁場(chǎng)強弱隨著(zhù)主發(fā)電機輸出電壓的變化而相反變化。即輸出電壓升高則勵磁機定子磁場(chǎng)減小,輸出電壓降低則勵磁機定子磁場(chǎng)增強,從而達到負反饋調控的目的。

采樣取自主發(fā)電機輸出的部分電壓,從(8)、(9)兩端進(jìn)入電壓測量單元。經(jīng)降壓、分壓、整流濾波后,得到與發(fā)電機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,并送入脈寬調制器。出廠(chǎng)前或者發(fā)電機帶載正常工作時(shí),調節RHR外接電壓微調電位器使UA確定一個(gè)值作為基準。測量單元輸出的電壓Uc則送入低頻保護單元。

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

勵磁機的定子線(xiàn)圈一端接在端子X1上,另一端接在XX1端子上。由主發(fā)電機電樞繞組取樣的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端流入勵磁機的定子線(xiàn)圈,由XX1流出,再經(jīng)過(guò)調制管VT3和XN端子流回主發(fā)電機電樞繞組,形成一個(gè)勵磁機定子線(xiàn)圈的勵磁電流通路。VT3是這個(gè)通路上的開(kāi)關(guān),它導通時(shí)間長(cháng),則定子線(xiàn)圈流過(guò)的電流大,勵磁機定子磁場(chǎng)強度變大。VT3導通時(shí)間短,定子線(xiàn)圈電流少,定子磁場(chǎng)強度小。

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

在主發(fā)電機因負荷超出額定值而輸出極大電流時(shí),柴油發(fā)動(dòng)機也需隨之輸出巨大的動(dòng)力導致其轉速低于額定值。低頻保護單元的作用就是在這種情況下限制勵磁機定子線(xiàn)圈里電流的超額增大。它以電阻和電容構成的充放電支路預先設定一個(gè)低頻保護點(diǎn),當主發(fā)電機負荷正常時(shí),從電壓測量單元來(lái)的Uc小于低頻保護點(diǎn),則低頻保護單元輸出的電壓UD高,二極管VD8被截止,UD到不了脈寬調制器,起不了作用。若主發(fā)電機超載則UD變低,VD8導通,UD和UA就可同時(shí)作用于脈寬調制器,使其輸出的UB隨UD的下降而變窄,調制管VT3導通時(shí)間隨之變短,勵磁電流減小,勵磁機定子磁場(chǎng)變弱。從而導致主發(fā)電機轉子磁場(chǎng)減小。發(fā)電機輸出電壓下降、電流減小。低頻保護單元起到了保護勵磁機和主發(fā)電機的作用。

 6 、同步發(fā)電機常用技術(shù)參數

理解同步發(fā)電機的技術(shù)參數,對管好用好柴油發(fā)電機組是十分必要的。常用的參數有：

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

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

額定功率因數cosφH——同步發(fā)電機帶額定負荷正常工作時(shí),其每相定子繞組內的電壓與電流之間相角差φH的余弦函數值。一般這個(gè)值是根據電力系統的需要情況設計而定的。通常為0.8(滯后)。

額定容量SH——在額定負荷及額定功率因數情況下正常運行時(shí),同步發(fā)電機輸出的視在功率。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)電機的重要參數之一,它表明該機的發(fā)電能力。

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

效率η——同步發(fā)電機輸出的有功功率與輸入的有功功率(柴油發(fā)動(dòng)機對它做的有功功率)的比值。它是表征同步發(fā)電機運行經(jīng)濟性的重要參數,越高越好。

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