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發電機(俗稱(chēng)電球)是将機械(xie)能轉變成交流(liu)電能的機器,是(shi)柴油發電機組(zu)的電能産生和(he)輸出的機器。
1、 發電機(jī)的基本結構
19世(shi)紀英國科學家(jia)法拉第通過實(shí)驗發現了電磁(ci)感應現象;導體(ti)☂️與磁場的磁力(li)線相對切割運(yùn)動時,導體中會(hui)感應出電動勢(shi)。如果将這根導(dǎo)體的兩端連接(jiē)起來,則在這個(ge)閉合導體與🔆磁(cí)場相對切割運(yun)動‼️時,導體中就(jiu)會産生感應電(dian)流。
原線圈A通以(yi)直流電,則線圈(quān)因有電流流過(guo)而産生直流磁(cí)場。在副線圈B的(de)兩端接上電流(liú)表G。當線圈A穿越(yue)線圈B的中😍間向(xiang)♋下運動時,電流(liu)💛表G的指針會随(suí)之從中心點擺(bai)向一邊。向🐇上運(yùn)動時,電流表G的(de)指針會随之擺(bǎi)向另一邊。這就(jiu)是說:由線圈A的(de)直流磁場的磁(cí)力線切割線圈(quan)B,或者說線圈B内(nèi)🔞的磁場從無到(dao)有或從小💚到大(da)發生變化時,它(ta)就會産生感應(ying)電動勢和感應(ying)電流。而且線圈(quan)B中的感應電動(dòng)勢和感應電流(liu)的方🍉向還随磁(cí)場方向的變化(hua)而變化。通過大(da)量的電磁感應(yīng)實驗,科學家總(zǒng)結出了恒定磁(cí)場與金屬導體(tǐ)線圈相對切割(gē)運動時線圈内(nei)的感應電🔞動勢(shì)為:e=-N*（ΔΦ/Δt）
式中,N代表線(xiàn)圈B共有多少圈(quān)(也稱匝)。ΔΦ/Δt是線圈(quān)B中的一圈在Δt時(shi)間内磁通(表示(shì)磁場的強弱)的(de)變化量ΔΦ。
B中的感應電(diàn)動勢e與線圈A穿(chuān)越其中間上下(xia)運動形成☔的磁(cí)通變🈲化有關。而(ér)且與其運動的(de)速度也有關,上(shàng)下運動越快☂️感(gǎn)應電動勢e越大(dà)。線圈繞的圈數(shù)N越多e也越⭐大。
法(fǎ)拉第定律告訴(sù)我們:金屬線圈(quān)穿過磁場切割(ge)磁力線,或者線(xiàn)圈不動而磁🈲場(chang)磁力線掃過它(tā),都會在金屬線(xian)圈的兩個端頭(tou)💁間産生電壓。發(fa)電機就是根據(ju)這個原理制造(zào)的。
按照發電機(jī)的基本結構,磁(ci)場固定,金屬線(xian)圈繞組做成可(ke)旋轉的以便切(qiē)割磁力線🛀,電壓(yā)從這個線圈繞(rao)組引出(稱為電(dian)樞繞組♻️),這種結(jié)構🚶的發電機叫(jiào)做旋轉電樞式(shì)發電機。因為‼️電(dian)樞是旋轉運動(dòng)的,電樞繞組的(de)電流🔴要靠活動(dòng)接觸的電刷和(hé)滑環引☔出才能(néng)供📧給負荷。因✏️此(ci)輸出電流和電(dian)壓都不能太大(dà),一般不超過500V,否(fǒu)則電刷和滑環(huan)之間将産生很(hěn)大的火花。這種(zhǒng)結構形式的🤟發(fā)電機已很少采(cǎi)用。
常用的同步(bu)發電機的結構(gou)形式是輸出電(diàn)壓、電流的繞組(zǔ)(即電樞)是固定(ding)的,而産生磁力(lì)線的線圈繞組(zǔ)是旋🐕轉的,其㊙️磁(ci)場自然也随之(zhi)旋轉,這種叫做(zuò)旋轉磁場式發(fā)🧑🏽🤝🧑🏻電機。發電機轉(zhuan)🌐子部分隻産生(shēng)直流磁場,而取(qǔ)消了滑🛀環和電(diàn)🌏刷。定子🧑🏽🤝🧑🏻部分有(yǒu)更多的空間嵌(qiàn)放電樞繞組和(hé)絕緣材料,電樞(shū)産生的電流可(kě)以直接輸💃🏻往負(fu)荷,其機械強度(du)和絕緣性能都(dōu)較好,可靠性也(yě)🌐大為提高。所以(yǐ)又稱為無刷同(tong)步發電機。
同步(bù)發電機的定子(zi)部分(1)按照120°的空(kong)間位置分布了(le)三個同樣的繞(rào)組,這就是定子(zǐ)繞組,發電機的(de)輸出電壓由它(ta)們通過發電機(jī)定子繞組(270)引出(chu)線接線端子給(gěi)出,所以把它們(men)也稱為電樞繞(rao)組。同步發電機(ji)轉子💰(4)上面安裝(zhuāng)着轉子繞組,它(ta)由同一軸上的(de)♋勵磁機電樞繞(rào)組(100)輸‼️出的交流(liú)電,經旋轉整流(liú)器(78)整流後的直(zhi)流電供電,并形(xíng)成主✂️磁場。主磁(cí)場和電樞磁場(chǎng)(共同形成一個(gè)合成磁場)的磁(cí)力線📧剛掃入電(diàn)樞繞組時,繞組(zǔ)兩端的電壓小(xiao),全部掃入時電(dian)壓*大,快掃過繞(rào)組時電壓也小(xiǎo)。所以說,繞組兩(liǎng)端的電壓是交(jiāo)流變化的,稱之(zhi)為交📞流電壓。這(zhe)樣,同步發電✔️機(jī)就可以産生彼(bi)此相差120°的三相(xiàng)交流電壓。如果(guǒ)按順序将這三(san)個電樞繞組編(bian)号為A、B、C,則它們各(ge)自的輸出電壓(yā)♈瞬時☁️值可表達(da)成
uB=Umsin(2πf t-120°)
uC=Umsin(2πf t+120°)
式中,(1)0°、-120°、+120°叫做初(chū)相角,它們是由(yóu)同步發電機的(de)結構決定的。
(3)Um是電壓的(de)*大值。它是由同(tóng)步發電機的勵(li)磁系統勵磁電(dian)流的🐅大小決定(ding)的,同步發電機(jī)的轉子磁場是(shi)由勵♻️磁電流流(liu)過轉子繞🛀組産(chan)生的,電流大則(ze)轉子磁場強,磁(ci)力線切割電樞(shū)繞組在繞組上(shàng)産生的感應電(diàn)動勢🈲就大。反之(zhī)❄️亦然,感應電動(dong)勢就小。同步發(fā)電機隻有一個(gè)勵磁系統,因此(cǐ)三個繞組輸出(chu)電壓的*大值Um都(dou)是一樣的。
根據(jù)設計,三個電樞(shu)繞組之間的電(diàn)壓(稱為線電壓(yā))為380～400V。由于這種同(tong)步發電🈲機在電(diàn)氣性能和機械(xie)性能方面都具(ju)有優點,因而被(bèi)柴油發電㊙️機組(zu)普遍采用。
3 、 轉子(zǐ)繞組的勵磁
所(suǒ)謂勵磁即是向(xiàng)同步發電機轉(zhuan)子繞組提供直(zhí)流電,使其産生(shēng)直流磁場的過(guò)程。早期的發電(dian)機是采用單獨(dú)的勵磁機給轉(zhuǎn)子線圈提供直(zhí)流電,系統龐大(da)而複雜。随着技(jì)術的進步,現代(dài)同步發電機都(dōu)是将❤️發電機與(yu)勵磁機組裝🧡在(zai)一起🌐構成一🏃♂️個(gè)完整的發電機(jī)。
勵磁機其實就(jiu)是個小發電機(ji),其工作原理與(yu)同步發電機一(yī)樣。所不同的是(shi)它的定子線圈(quān)和轉子線圈所(suǒ)起的作用與同(tóng)步發電機——主發(fa)電機正好相反(fǎn);勵磁機定子繞(rào)組(90)固定在主發(fa)電機定子旁,勵(li)🔅磁機的定子線(xiàn)🔱圈通以直流電(diàn)形成🙇♀️直流磁場(chang)。而安裝在主發(fā)電機🍓轉子軸上(shàng)的勵磁機的轉(zhuǎn)子線圈,勵磁機(ji)電樞繞組(100)成為(wei)輸出電壓的繞(rào)🥵組。勵磁機的☂️轉(zhuǎn)子與定子内壁(bi)之間也是保持(chí)着較小而均勻(yun)的間隙。勵磁機(jī)定子線圈的直(zhí)流電,是由主🔆發(fā)電機定子線圈(quān)即電樞的部分(fen)輸出電壓經整(zheng)流後而得到的(de)。它使勵磁機定(ding)子線圈産生直(zhí)流磁場,且該磁(ci)場是不動的。工(gōng)作時,與主發電(dian)機轉子同⛱️軸安(ān)裝的勵磁機轉(zhuǎn)子線圈在這個(gè)磁場内旋轉、切(qie)割磁力線産生(shēng)感應電動勢。該(gai)電勢經同軸安(an)裝在勵磁機電(diàn)樞繞組旁邊的(de)旋轉整流器(78)變(bian)☎️成直流電流,再(zài)輸到主發電機(jī)🧡的轉子繞組使(shǐ)其産生直流轉(zhuǎn)子磁場。從而達(dá)到了對主發電(diàn)機轉子繞組勵(li)磁的要求。
調(diao)控的目的就是(shì)實現在同步發(fā)電機額定範圍(wei)内的負荷,無論(lùn)其性質及大小(xiao)如何變化都能(neng)穩住輸出電壓(yā)。調控的💚技🈲術方(fang)式随着發電機(jī)額定功率的不(bu)同、每個時期技(jì)術發展程度的(de)不同,有簡潔及(ji)**的許多類🚶型。
但(dan)總的理念都是(shi):實時從主發電(dian)機電樞取得電(dian)壓和電流,經自(zi)動電壓💔調節器(qi)整流和負反饋(kui)調理後供給勵(li)磁機的定子線(xiàn)圈,使其産生變(biàn)化規🌈律與主發(fā)電機輸出電壓(ya)變化規律相反(fǎn)的直流電磁場(chang)。這個磁場也必(bi)然使勵磁機轉(zhuǎn)子電樞的輸出(chū)電壓以及旋轉(zhuǎn)整流器供給主(zhu)發電機轉子線(xiàn)圈的直流電流(liu)按同樣的規律(lǜ)而變化。從而起(qǐ)到實時調節主(zhu)💘發電機轉子磁(ci)場大🌈小,使主發(fā)電機在額定負(fù)荷範圍内保持(chi)良好輸出特性(xìng)的作用。
,自動(dong)電壓調節器起(qǐ)着重要作用。
5 、自動電(diàn)壓調節器
在柴(chai)油發電機組的(de)額定負荷範圍(wéi)之内,無論負荷(hé)是電阻、電容、電(diàn)感性或兼而有(you)之,也無論它們(men)的大小怎樣變(biàn)化,對柴油機的(de)主要要求是穩(wen)住轉速(通常柴(chái)油發動機的額(e)定轉速為每分(fèn)鐘1500轉)。而對同步(bu)發電機的主要(yào)要求👌則是穩住(zhù)輸出電壓。為此(cǐ),一般都采用以(yǐ)👣**電子裝置為核(hé)心的自動電壓(ya)✔️調控系統。
現代(dai)交流同步發電(diàn)機常用自動電(diàn)壓調節器(AVR)這種(zhǒng)電子部件,調節(jie)勵磁機定子磁(cí)場的強弱。進而(ér)達到穩住輸☎️出(chū)電壓的目的。雖(suī)然AVR的種類很多(duō),但性🛀🏻能大同小(xiao)異。都是實時采(cai)樣主發電機的(de)輸出電壓值與(yu)預先設定的值(zhi)相比較,用比較(jiào)的結果去調節(jie)脈沖寬度㊙️調制(zhì)器(PWM)。輸出電壓值(zhí)高則調制器輸(shu)出脈🐪沖寬度窄(zhai),反之則寬。然後(hou)再用這些脈👈沖(chòng)去調控大✔️功率(lǜ)半導體開關器(qì)件,控制送入勵(li)磁機定子線圈(quan)的電流的時間(jiān)及大小。從㊙️而使(shi)它的磁場強弱(ruo)随着主發電機(jī)輸出電壓的變(biàn)化而相反變💁化(huà)🥰。即輸出電壓升(shēng)高則勵磁機定(dìng)子磁場減小,輸(shu)出電壓降低則(ze)勵磁機定子磁(cí)場增強,從而達(da)到負反饋調控(kong)的目的。
采樣取(qǔ)自主發電機輸(shū)出的部分電壓(ya),從(8)、(9)兩端進入電(diàn)壓測量單元。經(jing)降壓、分壓、整流(liu)濾波後,得到🔅與(yu)發🤟電機輸出電(diàn)壓成正比的直(zhí)流電壓。它被R4、R5、PR1分(fen)壓後獲得電壓(yā)UA,并送入脈寬調(diao)制器。出廠前或(huo)者發電機帶載(zǎi)正常工作時,調(diao)節RHR外接電壓微(wei)調電位器使UA确(que)定一個值作為(wéi)基準。測量單元(yuan)輸出的電壓Uc則(ze)送入低⭕頻保護(hù)單元🔆。
脈沖寬度(dù)調制器(PWM)的輸出(chū)調寬脈沖UB控制(zhì)調制管VT3。若由電(diàn)壓測量單元送(sòng)來的🏃UA比⛷️基準電(diàn)壓大,表明主發(fā)電機輸出電壓(ya)升高,則大的UA就(jiù)會⛷️使脈沖寬度(du)調制器輸出的(de)脈沖電壓UB的寬(kuān)度變窄。窄的脈(mo)沖就會使VT3導通(tōng)時間短,通過的(de)電流小。反之,主(zhu)發電機輸出電(diàn)壓降低,UA變小,則(ze)脈🐇沖寬度調制(zhi)器輸出UB的寬度(dù)随之變寬,從而(er)使VT3導通時間變(bian)長,通過的電流(liú)增多。
勵磁機的(de)定子線圈一端(duan)接在端子X1上,另(lìng)一端接在XX1端子(zi)上。由主發電機(jī)電樞繞組取樣(yang)的XA、XB、Xc三相👉電壓(一(yī)般為36～45V),經過三個(ge)二極管VD10、VD11、VD12整流後(hou),其直流電⛷️流從(cong)🐅X1端流✂️入勵㊙️磁機(ji)👨❤️👨的定子線圈,由(you)XX1流出,再經過調(diào)制管VT3和XN端子流(liu)回主發電機電(diàn)樞🌈繞組,形成一(yī)個勵磁機定子(zi)線圈的勵磁電(dian)流通路。VT3是這個(gè)通路上的開關(guān),它🛀🏻導通時間長(zhǎng),則定子線圈🔴流(liú)過的電流大,勵(lì)磁機定子磁場(chang)強度變大。VT3導通(tōng)時間短,定子線(xian)圈電流少,定子(zi)磁場強度小。
AVR就是這(zhe)樣調控主發電(dian)機的電壓的。主(zhǔ)發電機由于負(fù)荷原因輸出電(diàn)壓升高,電壓測(cè)量單元輸出的(de)UA随着升高,受🐅UA控(kong)制的脈寬調制(zhì)器輸出脈沖電(diàn)壓UB寬度變窄,開(kāi)⛷️關管VT3導通時間(jiān)短,勵磁機定子(zǐ)繞組因電流少(shǎo)磁場減弱,勵磁(ci)機轉子電樞電(dian)壓及旋轉整流(liu)器輸出電流随(suí)之減小，導緻供(gòng)給主發電❌機轉(zhuǎn)子繞組♍的勵磁(ci)電流變小，則主(zhǔ)發電機因其轉(zhuǎn)子磁場☔的減🌈小(xiǎo)而使輸出電壓(yā)降低。反之，AVR的負(fu)反🔴饋調控功能(néng)就會使主發電(dian)機的輸🈲出電壓(yā)升高。
在主發電(dian)機因負荷超出(chū)額定值而輸出(chu)極大電流時,柴(chái)油發動機也需(xū)随之輸出巨大(dà)的動力導緻其(qí)轉速低💋于額定(ding)值。低頻保護單(dan)元的作用就是(shì)在這種㊙️情況🔴下(xià)限制勵磁機定(dìng)子線圈裡電流(liú)的超額增大。它(ta)以電☔阻和電容(rong)構成⭐的充放電(diàn)支路預先設定(ding)一個低頻保護(hu)點,當主發電機(ji)負荷正常時,從(cong)電壓測✨量單元(yuan)來的Uc小于低頻(pín)保護點,則低頻(pin)保護單元輸💛出(chu)的電壓UD高,二極(ji)管VD8被截止,UD到不(bú)了脈寬調制器(qi),起❗不了作用。若(ruò)主發電機超載(zǎi)則UD變低,VD8導通,UD和(he)UA就可同✉️時作用(yòng)于脈寬調制器(qi),使其輸出的UB随(sui)UD的下降而變窄(zhǎi),調制管VT3導通時(shi)間随之變短,勵(li)磁電流減小,勵(lì)磁機定子磁場(chang)變弱。從而導緻(zhì)主發電機轉子(zǐ)磁場減🤟小。發電(diàn)機輸出電壓下(xia)降、電流減小。低(dī)頻保護單元✊起(qǐ)到了保護勵磁(cí)機和主發電機(jī)的作用。
6 、同步發(fā)電機常用技術(shù)參數
理解同步(bù)發電機的技術(shù)參數,對管好用(yong)好柴油發電機(ji)組是十分必要(yào)的。常用的參數(shù)有：
額定電壓UH——同(tóng)步發電機正常(chang)工作時,定子内(nèi)的三相電樞繞(rao)組😄每組線⛷️端(每(měi)組的電壓輸出(chu)端)之間的線電(diàn)壓。單位是V或kV。一(yi)般UH值為🌈400V(線電壓(yā))或230V(相電壓)。
額定(dìng)電流IH——帶額定負(fù)荷正常工作時(shí),流過定子繞組(zu)的線電流,單位(wei)是A或者kA。
cosφH——同步發(fā)電機帶額定負(fu)荷正常工作時(shí),其每相定子繞(rao)組内的電壓與(yǔ)電流之間相角(jiao)差φH的餘弦函數(shù)值。一般🤩這個值(zhi)是根據電力系(xì)統的需要情況(kuàng)設計而定的。通(tōng)🈲常為0.8(滞後)。
額定(ding)容量SH——在額定負(fu)荷及額定功率(lǜ)因數情況下正(zheng)常運行時♊,同步(bu)發電機輸出的(de)視在功率。單位(wei)是kVA。有時也用有(yǒu)🈲功功率PH表‼️示,其(qi)單位為kW。兩者之(zhi)間的關系是PH=SHcosφH。額(é)定容量是同步(bu)發電機的重要(yao)參數之一,它表(biǎo)明該機的發電(dian)能力🏃。
fH——額定運行時,同(tóng)步發電機輸出(chū)電壓每秒鐘内(nei)交變❌的次🍓數。單(dān)位是Hz。我國制定(ding)的工業頻率為(wei)50Hz。
η——同步發電(dian)機輸出的有功(gong)功率與輸入的(de)有功功率(柴油(you)發動機💋對它做(zuo)的有功功率)的(de)比值。它是表征(zheng)同步發電機運(yùn)行經📐濟性的重(zhong)要參數,越高越(yue)好。
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