同步发电机原理、构造及种类划分

摘要：同步电机除了用于电动机，详细用作发电机，它作为各种各种发电装置的交流电源，全世界的主要电源皆由同步发电机发出。其中，运用于企业后备电源设备，同步发电机是康明斯发电机组的三大结构部分（发动机、交流发电机和控制机构）之一。因此，为了更好地了解发电机作业原理，学习并掌握同步发电机的特征曲线、电动势产生机理等方面知识，以及发电机构造形式和类别区分方式至关重要。 

      图1所示为同步发电机基础外形图，图2所示为同步发电机的构造原理图。

      同步发电机利用电磁感应的原理来产生电能。当发电机的转子与定子相对旋转时，会在定子的线圈中产生磁场，这个磁场会穿过线圈，致使线圈内的导体产生感应电流。

      发电机的转子上一般有一组励磁线圈，当这些线圈通过电流时，会在转子上发生一个磁场。这个磁场与定子上的磁场相互功用，导致转子相对定子旋转。

      当转子旋转并且频率与电源频率相匹配时，转子上的励磁磁场与定子的磁场同步。这个同步状态允许电能从转子传输到定子，发生输出电能。

      总的来说，同步发电机的作业机理是利用电磁感应和磁场相互作用，将机械能转化为电能。通过控制励磁电流和转子的旋转速度，可以调整发电机的输出电压和频率。

      一般三相同步发电机的定子是电枢，转子是磁极，当转子励磁绕组通以直流电后，即建立恒定的磁场。转子转动时，定子导体因为与此磁场有相对运动而感应交流电动势。电机具有p对磁极时，转子旋转一周，感应电动势变化p次。设转子每秒转速为n，则转子每秒旋转n/60转，因此感应电动势每秒变化pn/60次，即电动势的频率为

      由此可见，当同步发电机的磁极对数p、转速n一定期，发电机的交流电动势的频率是一定的。也就是说，同步发电机的优势是具有转子转速和交流电频率之间保持严格不变的关系。在恒定频率下，转子速度恒定而与负载大小无关，发电机转子的转速恒等于发电机空气隙中（定子）旋转磁场的转速。同步发电机即由此得名。

      在我国的电力装置中，规定工频交流电的额定频率为50Hz。因此，对某一台*的同步发电机而言，其转速总为一固定值。例如：磁极对数为1对（二极）的同步发电机的转速为3000r/min；磁极对数为2对（四极）的同步发电机的转速为1500r/min；依此类推，同步发电机的转速还有1000r/min、750r/min、600r/min、500r/min和375r/min等。为了保持交流电动势的频率不变，拖动发电机转子旋转的原动机必须具有调速机构，使发电机在输出不同的有功功率时都能维持速度不变。

      同步发电机可按发电机的结构形式、励磁方式和相数等进行类型。

      按发电机的组成优点进行区分，同步发电机可分为旋转电枢式（简称转枢式）和旋转磁极式（简称转磁式）两种形式。

      旋转磁极式同步发电机的组成如图3所示。其磁极是旋转的，电枢是固定的，电枢绕组的感应电势不通过集电环和电刷而直接送往外电路，故而其绝缘能力和机械强度好，且安全可靠。现代交流发电机常采用无刷结构的同步发电机，发电机省略了集电环和电刷，无滑动接触部分，保养简易，工作可靠性高。在旋转磁极式同步发电机中，按磁极的形状又可分为凸极式同步发电机和隐极式同步发电机两种形式，不同特征如表1所列发电机故障图标。

① 从图3（a）可以看出，凸极式转子的磁极是突出的，气隙不均匀，极弧顶部气隙较小，两极尖部分气隙较大。励磁绕组采用集中绕组套在磁极上。这种转子构造大概、制造方便，故柴油发电机组通常都选用凸极式。

② 从图3（b）可以看出，隐极式转子的气隙是均匀的，转子成圆柱形。励磁绕组分布在转子表面的铁芯槽中。

 表1    旋转磁极式同步发电机的类型和优势

转子选取具有良好导磁性能的、高强度的整块合金钢锻成，在转子的两个极距下约2/3部分都铣有凹槽，嵌放励磁绕组。定子铁心由0.5 mm或其他厚度的硅钢片迭成，沿轴向迭成多段形式，各段间留有通气槽。

转子磁极由厚度为1～2 mm的钢板冲片迭成，磁极两端有磁极压板，磁极与磁极轭部选择T形或鸽尾形连接。定子铁心由扇形硅钢片迭成，定子铁心中留有径向通风沟。

发电机转子圆周线速度高，为了减少高速旋转致使的离心力，转子做成细长的隐极式圆柱体。隐极式构造和加工工艺较为复杂，大部分运用离心力大的大型发电机。

极数多，直径大，轴向长度短。凸极式结构和加工工艺较为简易，大部分应用离心力小的中、小型发电机。

      旋转电枢式同步发电机的结构如图4所示。其电枢是转动的康明斯柴油发电机故障代码，磁极是固定的，电枢电势通过集电环和碳刷引出与外电路连接。旋转电枢式只实用于小功率的同步发电机，由于采取碳刷和集电环引出市电流比较困难，容易产生火花和磨耗；电机定子内腔的空间限制了电机的容量；发电机的组成复杂，成本较高；电机运行转速受到离心力及机械震动的限制。于是目前只有交流同步无刷发电机的励磁机操作旋转电枢构成的同步发电机。

      按相数来区分，同步发电机又可分为单相同步发电机和三相同步发电机。单相同步发电机的容量不大，通常不大于6kW；而三相同步发电机的功率可达几千千瓦。

      同步发电机可分为永磁发电机和励磁发电机柴油发电机维修保养，永磁发电机与励磁发电机的较大差异在于永磁机的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的结构部分。本文以斯坦福发电机为例，外观如图5、图6所示，具体阐释永磁发电机的原理和优点。

      永磁式发电机是一种只有永磁体的发电机，也叫永磁同步发电机，它不需要外部电源来启动，而是利用磁铁和转子上的永磁体之间的磁力功能，使转子从停止状态迅速旋转起来，并产生电流。永磁式发电机由定子、转子和定转子之间的磁性材料（永磁体）结构。它的作业原理是，当定子产生交流电流时，定子线圈内的磁场随之改变，随即在转子上产生磁场，使转子发生转动，从而实现发电功能。

      空载特性指发电机空载并保持额定转速不变，空载电压U?与励磁电流I的关系，即n=nv，I=0时，Uo=f（I）。

（1）空载试验：在空载的状况下，原动机把发电机拖动到同步速度，并维持不变。然后增加励磁电流If直到空载电压等于1.3倍额定电压为止。

② 下降分支：逐步降低励磁电流，记取对应的电压U?和励磁电流If值。由于电机有剩磁，当If减到零时，空载电压不为零，其值即为剩磁电压。

      在做试验时，我们从表计反应的电压、电流值，可以得到机组的空载励磁电压和电流值，若此值超过常规数值，即可能是定子铁芯有片间短路或转子绕组有匝间短路。

      空载特性曲线为上升和下降的两条分支的平均值，如图7中虚线所示。往往将虚线右移使之过原点，作为适合的空载特性曲线所示。将空载特点的直线段延长后所得直线）称为气隙线。

      空载特征曲线表明了电机磁路的饱和情况，具有磁化曲线的优势。起始部分是直线，铁心未饱和；弯曲部分，表明铁心已有不同程度的饱和；其后段，铁心已达到深度饱和。

      短路特征指同步发电机保持额定转速下，定子三相绕组的出线端持续稳态短路时，定子相电流I（即稳态短路电流）与励磁电流If的关系，即n=ny，U=0时，I=f（If）。

（1）三相短路试验：      先将定子三相绕组的出线端短接，维持额定速度不变，调整励磁电流I

使定子短路电流I从零逐渐增加，直到短路电流等于1.25倍的额定电流为止。记取对应的I和If做出短路特征曲线I=f（I

）。（2）短路特征曲线      如图9中直线所示，短路特点曲线为一条直线是由于定子绕组短路时，端电压U=0，限制短路电流的仅是发电机的内部阻抗。由于定子绕组电阻远小于同步电抗，于是短路电流可以认为是纯感性的，故电枢磁动势是起去磁功用的，气隙合成磁动势就很小，它所发生的气隙磁通也就很小，故磁路处于不饱和状态，于是短路特性曲线是一条直线）短路比

      利用空载特点和短路特点，从而可以确定同步电抗的不饱和值和短路比。同步电抗：

）=Ku/Xd 。短路比大，则同步电抗小，负载电流引起的端电压的波动幅度较小；但短路电流则较大，且发电机的静态稳定极限就越高。43、调节特性      调整特性是指发电机保持额定速度不变，端电压和负载的容量因数恒定时，励磁电流If与负载电流I的关系，即n=n

，U=常数，cos =常数时，If=f（I）。对应于不一样的负载功率因数有不一样的调节特点，如图10所示。

（1）感性和阻性负载      对于感性和纯阻性负载，为了补偿负载电流所发生的电枢反应去磁用途，保持发电机端电压U不变，必须随负荷电流I的增大相应地增大励增电流If。因此图中调整特性曲线的曲线）容性负载

      对于容性负荷，为了抵消电枢反应的助磁作用，保持发电机端电压不变，必须随负荷电流的增加相应地减少励磁电流。因此图中调节特征曲线的曲线所示。

      外特点指发电机在保持额定速度不变，额定励磁电流If和负荷的功率因数不变时，发电机端电压U与负荷电流I的关系曲线，即n=n

=常数，容量因数=常数时，U=f（I）。对应于不一样的负荷容量因数有不同的外特性，如图11所示。

      在容性负载cos（-）=0.8时，电枢反应为助磁功用，气隙磁通增加，端电压U上升，外特点是上升的，如12图中cos（-）=0.8的曲线所示。 

      综上所述，除了要熟悉发电机的作业原理，其特性也是非常重要的。在生产实践中，空载特点，仅用来判断空载励磁电压和电流与布置使用手册是否相符；短路特征和空载特点并用，从而求得发电机的一些重要数据；外特点和调整特点，则反应出定子电压、负载电流及励磁电流三者之间的一些变化曲势，从而帮助我们来剖析在运行中一些量的变化，会危害到哪些量的变化，较终选用何种补救办法来维持康明斯发电机组的稳定。