三相發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行的原理和特性
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三相發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行的特性
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(kāi)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(guò)氣隙與定子繞組交鏈，稱其為主極漏磁通，用φf0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(guò)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＝4.44fwkw1φ0
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)；
kw1——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＝4.44fwkw1φ0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if。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（if），e0與if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。
圖3 同步發(fā)電機(jī)的空載特性曲線
由于e0∝φ0，ff∝if，因此在改換適當(dāng)?shù)谋壤吆螅蛰d特性曲線e0＝f（if）即可表示主磁通φ0和勵(lì)磁磁勢(shì)ff之間的函數(shù)關(guān)系［φ0＝f（ff）］，φ0＝f（ff）稱為電機(jī)的磁化曲線。這就說(shuō)明勵(lì)磁磁勢(shì)ff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(guò)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)ff0。
fδ為氣隙磁勢(shì)，ffe為克服鐵芯磁阻所需磁勢(shì)，鐵芯越飽和，ffe增長(zhǎng)得越快。當(dāng)e0＝un時(shí)，總磁勢(shì)ff0和氣隙磁勢(shì)fδ之比稱為電機(jī)磁路的飽和系數(shù)ks，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(jiàn)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/ks。
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un、為電勢(shì)的基值，if0為勵(lì)磁電流的基值（if0為電機(jī)空載時(shí)e0＝un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(lái)對(duì)比已制造出來(lái)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
勵(lì)磁電流1f*
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
空載電勢(shì)e0*
0.58
1.0
1.21
1.33
1.40
1.46
1.51
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(guò)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。空載特性代表了電機(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(lái)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(méi)有必要，反而會(huì)給發(fā)電機(jī)的制造帶來(lái)困難，增加不必要的制造費(fèi)用。根據(jù)國(guó)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。空載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(lái)表示。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t755-2019的規(guī)定，電壓波形正弦性畸變率ku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(lái)代替；
un——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)，ku要求不超過(guò)5％；對(duì)于額定功率在10～300千伏安（kv·a）的發(fā)電機(jī)，ku要求不超過(guò)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(lái)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4所示）不超過(guò)基波e1m的5％時(shí)，即可認(rèn)為其是正弦波形，如圖5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4 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5 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
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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(kāi)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(guò)氣隙與定子繞組交鏈，稱其為主極漏磁通，用φf0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(guò)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＝4.44fwkw1φ0
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)；
kw1——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＝4.44fwkw1φ0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if。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（if），e0與if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。
圖3 同步發(fā)電機(jī)的空載特性曲線
由于e0∝φ0，ff∝if，因此在改換適當(dāng)?shù)谋壤吆螅蛰d特性曲線e0＝f（if）即可表示主磁通φ0和勵(lì)磁磁勢(shì)ff之間的函數(shù)關(guān)系［φ0＝f（ff）］，φ0＝f（ff）稱為電機(jī)的磁化曲線。這就說(shuō)明勵(lì)磁磁勢(shì)ff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(guò)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)ff0。
fδ為氣隙磁勢(shì)，ffe為克服鐵芯磁阻所需磁勢(shì)，鐵芯越飽和，ffe增長(zhǎng)得越快。當(dāng)e0＝un時(shí)，總磁勢(shì)ff0和氣隙磁勢(shì)fδ之比稱為電機(jī)磁路的飽和系數(shù)ks，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(jiàn)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/ks。
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un、為電勢(shì)的基值，if0為勵(lì)磁電流的基值（if0為電機(jī)空載時(shí)e0＝un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(lái)對(duì)比已制造出來(lái)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
勵(lì)磁電流1f*
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
空載電勢(shì)e0*
0.58
1.0
1.21
1.33
1.40
1.46
1.51
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(guò)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。空載特性代表了電機(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(lái)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(méi)有必要，反而會(huì)給發(fā)電機(jī)的制造帶來(lái)困難，增加不必要的制造費(fèi)用。根據(jù)國(guó)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。空載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(lái)表示。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t755-2019的規(guī)定，電壓波形正弦性畸變率ku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(lái)代替；
un——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)，ku要求不超過(guò)5％；對(duì)于額定功率在10～300千伏安（kv·a）的發(fā)電機(jī)，ku要求不超過(guò)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(lái)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4所示）不超過(guò)基波e1m的5％時(shí)，即可認(rèn)為其是正弦波形，如圖5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4 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5 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
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