同步發(fā)電機的工作原理、調(diào)控及維護
來源: royman
2015-07-15
柴油發(fā)電機組是常用的備用電源，由于它以柴油發(fā)動機燃燒柴油為動力，帶動發(fā)電機發(fā)出與市電同樣性質(zhì)的電力，所以在市電斷電后需要后備電源供電幾小時以上的場合，從性能價格比、對工作環(huán)境的要求、帶非線性負載能力方面考慮，采用柴油發(fā)電機組比使用很多大容量蓄電池的長延時UPS往往具有一定的優(yōu)勢。但是柴油發(fā)電機組在市電斷電后需要十秒鐘左右才能發(fā)出穩(wěn)定的電力，這就大不如UPS可不間斷供電的特點。因此，柴油發(fā)電機組和UPS通常是取其各自的優(yōu)勢構(gòu)成一個完善的、可靠的電源系統(tǒng)，以確保重要設(shè)備的不間斷供電。
同步發(fā)電機的工作原理
十九世紀英國科學(xué)家法拉第通過實驗發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象；導(dǎo)體與磁場的磁力線相對切割運動時，導(dǎo)體中會感應(yīng)出電動勢。如果將這根導(dǎo)體的兩端連接起來，則在這個閉合導(dǎo)體與磁場相對切割運動時，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種現(xiàn)象可以用多種實驗方式得以驗證；
插在副線圈B里面的原線圈A通以直流電，則線圈因有電流流過而產(chǎn)生直流磁場。在副線圈B的兩端接上電流表G，當線圈A突然從線圈B里面拉出時，電流表G的指針會隨之從中心點擺向一邊。將線圈A再推入到線圈B里面時，電流表G的指針會隨之擺向另一邊。這就是說；由線圈A的直流磁場的磁力線切割線圈B或著說線圈B內(nèi)的磁場發(fā)生變化時就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，而且線圈B中的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的方向還隨磁場變化的方向而變化。通過大量的電磁感應(yīng)實驗，科學(xué)家們總結(jié)出了恒定磁場與金屬導(dǎo)體相對切割運動時其導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電動勢為：
E=BLVsinθ
可見感應(yīng)電動勢E與恒定磁場的磁感應(yīng)強度B、導(dǎo)體和恒定磁場磁力線之間的相對切割運動速度V、導(dǎo)體在磁場中的長度L成正比，并且與導(dǎo)體和磁場的磁力線相對切割運動時的夾角θ有關(guān)。當導(dǎo)體的運動方向與磁力線夾角θ成90°時，電動勢勢為：
E=BLV
這表明；如果恒定磁場的磁感應(yīng)強度B越大、磁場中的導(dǎo)線L越長且與磁場相對運動速度V越快、夾角越接近90°，則導(dǎo)體上感應(yīng)的電動勢就越大。
現(xiàn)代交流發(fā)電機通常也由兩部分線圈構(gòu)成；為了提高磁場的強度，一部分線圈繞在一個導(dǎo)磁性能良好的金屬片疊成的圓筒內(nèi)壁的凹槽內(nèi)，這個圓筒固定在機座上稱為定子。定子內(nèi)的線圈可輸出感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，所以又稱其為電樞。發(fā)電機的另一部分線圈則繞在定子圓筒內(nèi)的一導(dǎo)磁率強的金屬片疊成的圓柱體的凹槽內(nèi)，稱為轉(zhuǎn)子。一根軸穿過轉(zhuǎn)子中心并將其緊固在一起，軸兩端與機座構(gòu)成軸承支撐。轉(zhuǎn)子與定子內(nèi)壁之間保持小而均勻的間隙且可靈活轉(zhuǎn)動。這叫做旋轉(zhuǎn)磁場式結(jié)構(gòu)的無刷同步發(fā)電機。
工作時，轉(zhuǎn)子線圈通以直流電形成直流恒定磁場，在柴油機的帶動下轉(zhuǎn)子快速旋轉(zhuǎn)，恒定磁場也隨之旋轉(zhuǎn)，定子的線圈被磁場磁力線切割產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，發(fā)電機就發(fā)出電來。
轉(zhuǎn)子及其恒定磁場被柴油機帶動快速旋轉(zhuǎn)時，在轉(zhuǎn)子與定子之間小而均勻的間隙中形成一個旋轉(zhuǎn)的磁場，稱為轉(zhuǎn)子磁場或主磁場。平常工作時發(fā)電機的定子線圈即電樞都接有負載，定子線圈被磁場磁力線切割后產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過負載形成感應(yīng)電流，此電流流過定子線圈也會在間隙中產(chǎn)生一個磁場，稱為定子磁場或電樞磁場。這樣在轉(zhuǎn)子、定子之間小而均勻的間隙中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場，這兩個磁場相互作用構(gòu)成一個合成磁場。發(fā)電機就是由合成磁場的磁力線切割定子線圈而發(fā)電的。由于定子磁場是由轉(zhuǎn)子磁場引起的，且它們之間總是保持著一先一后并且同速的同步關(guān)系，所以稱這種發(fā)電機為同步發(fā)電機。同步發(fā)電機在機械結(jié)構(gòu)和電器性能上都具有許多優(yōu)點。
2．同步發(fā)電機的調(diào)控
同步發(fā)電機在其額定負載范圍內(nèi)允許帶各種用電負荷。這些負荷的輸入特性會直接影響發(fā)電機的輸出電壓；當負載為純電阻性時，因為同步發(fā)電機的定子端電壓——電樞端電壓與負載電流是同相的，所以使得轉(zhuǎn)子磁場的前一半被定子磁場削弱，而后一半又被定子磁場加強，一周內(nèi)合成磁場平均值不變，發(fā)電機輸出電壓不變。負載呈現(xiàn)為純電感性時，則因負載電流滯后電樞端電壓90°而使得定子磁場削弱了轉(zhuǎn)子磁場，合成磁場降低，造成發(fā)電機輸出電壓下降。若負載是純電容性的，負載電流就會超前電樞端電壓90°，從而使定子磁場加強了轉(zhuǎn)子磁場，合成磁場增大，發(fā)電機輸出電壓上升?？梢?；合成磁場是使發(fā)電機性能變化的一個重要因素。而合成磁場中起主要作用的是轉(zhuǎn)子磁場即主磁場，因此，調(diào)控轉(zhuǎn)子磁場就可以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的輸出電壓改善其帶負載能力，從而達到在額定負荷范圍內(nèi)穩(wěn)住發(fā)電機輸出電壓的目的。
2．1同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁
所謂勵磁即是向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供直流電使其產(chǎn)生直流電磁場的過程。同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子凹槽內(nèi)的線圈就是由稱做勵磁機的一個專門的設(shè)備為其供以直流電形成直流磁場的。早期的發(fā)電機是采用單獨的勵磁機給轉(zhuǎn)子線圈提供直流電的，系統(tǒng)龐大而復(fù)雜。隨著技術(shù)的進步，現(xiàn)代同步發(fā)電機都是將發(fā)電機與勵磁機組裝在一起構(gòu)成一個完整的發(fā)電機。如圖二后半部分所示：
勵磁機其實就是個小發(fā)電機，它的工作原理與同步發(fā)電機一樣。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——主發(fā)電機正好相反；固定在主發(fā)電機定子旁的勵磁機的定子線圈通以直流電形成直流磁場，而安裝在主發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸上的勵磁機的轉(zhuǎn)子線圈成為輸出電動勢的電樞。勵磁機的轉(zhuǎn)子與定子內(nèi)壁之間也是保持著小而均勻的間隙。這也稱為旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)的無刷同步發(fā)電機。安裝在主發(fā)電機定子旁的勵磁機定子線圈的直流電，是由主發(fā)電機定子線圈即電樞的部分輸出電壓經(jīng)整流后而得到的。與主發(fā)電機轉(zhuǎn)子同軸安裝的勵磁機轉(zhuǎn)子線圈在其定子線圈產(chǎn)生的磁場內(nèi)旋轉(zhuǎn)、切割磁力線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，經(jīng)同軸安裝在它旁邊的整流器也就是旋轉(zhuǎn)整流器變成直流電流，輸?shù)街靼l(fā)電機的轉(zhuǎn)子線圈使其產(chǎn)生直流轉(zhuǎn)子磁場。從而達到了對主發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈勵磁的要求。
2.2同步發(fā)電機輸出電壓的調(diào)控
調(diào)控的目的就是實現(xiàn)在同步發(fā)電機額定負荷范圍內(nèi)穩(wěn)住輸出電壓。調(diào)控的技術(shù)方式隨著發(fā)電機額定功率的不同、每個時期技術(shù)發(fā)展程度的不同，有簡潔及完善的許多類型。但總的理念都是；實時從主發(fā)電機電樞取得電壓和電流，經(jīng)整流和負反饋調(diào)理后供給勵磁機的定子線圈，使其產(chǎn)生變化規(guī)律與主發(fā)電機輸出電壓變化規(guī)律相反的直流電磁場，這個磁場也必然使勵磁機轉(zhuǎn)子電樞的輸出電壓及旋轉(zhuǎn)整流器供給主發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈的直流電流按同樣的規(guī)律而變化。從而起到實時調(diào)節(jié)主發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場大小，使主發(fā)電機在額定負荷范圍內(nèi)保持良好輸出特性的作用。
對發(fā)電機輸出電壓的調(diào)節(jié)過程，可以用以下的流程表示；
由于負荷使主發(fā)電機電樞電壓↓（降）↑（升）
經(jīng)負反饋調(diào)理后勵磁機定子電流及磁場↑↓
勵磁機轉(zhuǎn)子電樞輸出電壓↑↓
旋轉(zhuǎn)整流器輸出電流↑↓
主發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場↑↓
使主發(fā)電機電樞電壓↑↓
可見；通過勵磁機實時調(diào)控主發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場的大小，就可以穩(wěn)住輸出電壓。這其中起重要作用的是負反饋調(diào)節(jié)單元，通常稱其為恒壓勵磁裝置和自動電壓調(diào)節(jié)器。
2.3自動電壓調(diào)節(jié)器
現(xiàn)代交流同步發(fā)電機常用自動電壓調(diào)節(jié)器AVR這種電子部件調(diào)節(jié)勵磁機定子磁場的強弱。雖然AVR的種類很多，但性能大同小異；都是實時采樣主發(fā)電機的輸出電壓值與預(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)控大功率開關(guān)器件即三極管或場效應(yīng)管控制送入勵磁機定子線圈的電流的時間。從而使它的磁場強弱隨著主發(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減小，輸出電壓降低勵磁機定子磁場增強。從而達到負反饋調(diào)控的目的。
取樣自主發(fā)電機輸出電壓的信號從8、9兩端輸入到電壓測量比較單元，與內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的電壓值（例如380V）相比較。比較結(jié)果以輸出電壓Va送入脈沖寬度調(diào)制單元PWM,輸出電壓Vc送入低頻保護單元。電壓測量比較單元的L、S、H是連接主發(fā)電機輸出電壓幅值調(diào)節(jié)電位器的三個端子。
脈沖寬度調(diào)制器由穩(wěn)壓器輸出的直流電壓Vcc作為工作電源，以確保其性能穩(wěn)定。它的輸出電壓Vb控制調(diào)制管TR3。若由電壓測量比較單元送來的Va大，表明主發(fā)電機輸出電壓升高，則大的Va就會使脈沖寬度調(diào)制器輸出的脈沖Vb的寬度變窄。窄的脈沖就會使TR3導(dǎo)通時間短，通過的電流少。反之，主發(fā)電機電壓降低Va變小，脈沖寬度調(diào)制器輸出的脈沖Vb的寬度隨之變寬，從而使TR3導(dǎo)通時間變長，通過的電流增多。
勵磁機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)電機電樞送來的Xa、Xb、Xc三相電壓，經(jīng)過三個二極管VD10、VD11、VD12整流后，其電流從X1端流入勵磁機的定子線圈，由XX1流出，再經(jīng)過調(diào)制管TR3和XN端子流回主發(fā)電機電樞，形成一個勵磁機定子線圈的勵磁電流通路。TR3是這個通路上的開關(guān)，它導(dǎo)通時間長，則定子線圈流過的電流時間長，定子磁場強度大。TR3導(dǎo)通時間短，定子線圈電流少，定子磁場強度小。
AVR就是這樣調(diào)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，電壓測量比較單元輸出的Va隨著升高，受Va控制的脈寬調(diào)制器輸出脈沖Vb寬度變窄，開關(guān)管TR3導(dǎo)通時間短，勵磁機定子磁場減弱，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)電機轉(zhuǎn)子的勵磁電流變小，則主發(fā)電機因其轉(zhuǎn)子磁場的減小而使輸出電壓降低。反之，AVR的負反饋調(diào)控功能就會使主發(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，柴油發(fā)動機也需隨之輸出巨大的動力以致導(dǎo)致其轉(zhuǎn)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)定一個低頻保護點，當主發(fā)電機負荷正常時，從電壓測量單元來的Vc小于低頻保護點，則低頻保護單元輸出的電壓Vd高，二極管VD8被截止，Vd到不了脈寬調(diào)制器，起不了作用。若主發(fā)電機超載則Vd變低，VD8導(dǎo)通，Vd和Va就可同時作用于脈寬調(diào)制器，使其輸出的脈沖Vb隨Vd的下降而變窄，調(diào)制管TR3導(dǎo)通時間隨之變短，勵磁電流減小勵磁機定子磁場變?nèi)?，從而?dǎo)致主發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場減小。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。
3.同步發(fā)電機的維護
同步發(fā)電機是柴油發(fā)電機組的關(guān)鍵部分。它輸出的電力性能的優(yōu)劣不僅表征了整個機組的技術(shù)、制造水平，而更重要的是關(guān)系到用電設(shè)備的正常運行。因此，為柴油發(fā)電機組建立一個合適的工作環(huán)境，做好日常維護是十分必要的。
發(fā)電機房內(nèi)的高溫、潮濕和空氣污染物是引起發(fā)電機故障的最常見因素。粉塵、灰塵和其它空氣污染物的積累會引起絕緣層的性能變壞，不僅易形成對地的導(dǎo)電通路，還會使轉(zhuǎn)子軸承部分的摩擦力增大而發(fā)熱。濕氣以及空氣污染物中的濕氣極易在發(fā)電機內(nèi)形成對地的漏電通路，引起發(fā)動機故障。機房內(nèi)溫度過高會使發(fā)電機組工作時產(chǎn)生的熱量難以散出，造成其輸出功率下降、機組過熱。所以機房的防塵、防潮濕、通風(fēng)降溫就必須引起足夠的重視。要根據(jù)所安裝的發(fā)電機隨機資料中要求的環(huán)境條件，為發(fā)電機建立一個合適的工作環(huán)境。
無論是單軸承發(fā)電機還是雙軸承發(fā)電機，它們的轉(zhuǎn)子軸與柴油發(fā)動機主軸之間連接的同軸度要求很高。長時期運行后的機組有時同軸度可能降低，導(dǎo)致發(fā)電機燥聲增大，溫度過高。應(yīng)定期檢查、維護以保持同軸度良好。
負荷超出發(fā)電機的額定負載范圍，或三相負荷很不平衡，也會造成發(fā)電機效率降低和過熱。這就要經(jīng)常檢查負荷的接人是否規(guī)范。應(yīng)保持在額定范圍內(nèi)三相負荷平衡，以確保發(fā)電機工作良好。
