同步發(fā)電機(jī)工作原理/調(diào)控/維護(hù)

柴油發(fā)電機(jī)組一般是采用同步發(fā)電機(jī)(也俗稱(chēng)電球)將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能。各種用電設(shè)備要依靠它發(fā)出的電力工作,因此對(duì)同步發(fā)電機(jī)的工作性能要求是很高的。

　　1同步發(fā)電機(jī)的工作原理

　　同步發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制造的。主要組成部分如圖1?，F(xiàn)代交流發(fā)電機(jī)通常由兩部分線圈構(gòu)成;為了提高磁場(chǎng)的強(qiáng)度,一部分線圈繞在一個(gè)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(gè)圓筒固定在機(jī)座上稱(chēng)為定子。定子內(nèi)的線圈可輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流,所以又稱(chēng)其為電樞。發(fā)電機(jī)的另一部分線圈則繞在定子圓筒內(nèi)的一導(dǎo)磁率強(qiáng)的金屬片疊成的圓柱體的凹槽內(nèi),稱(chēng)為轉(zhuǎn)子。一根軸穿過(guò)轉(zhuǎn)子中心并將其緊固在一起,軸兩端與機(jī)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(dòng)。這叫做旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)式結(jié)構(gòu)的無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)。

　　工作時(shí),轉(zhuǎn)子線圈通以直流電形成直流恒定磁場(chǎng),在柴油機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)子快速旋轉(zhuǎn),恒定磁場(chǎng)也隨之旋轉(zhuǎn),定子的線圈被磁場(chǎng)磁力線切割產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),發(fā)電機(jī)就發(fā)出電來(lái)。

　　1—前端蓋;2—出風(fēng)蓋板;3—軸承;4—定子;5—端子箱側(cè)板;6—電壓調(diào)節(jié)器;7—調(diào)節(jié)器支架;8—端子箱頂蓋;9—端子箱前后板;10—接線板;11—接線板支架;12—端子箱側(cè)板;13—吊攀;14—軸承蓋;15—進(jìn)風(fēng)蓋板;16—后端蓋;17—?jiǎng)?lì)磁定子;18—?jiǎng)?lì)磁定子固定螺栓;19—軸承;20—旋轉(zhuǎn)整流器;21—?jiǎng)?lì)磁電樞;22—接地牌;23—轉(zhuǎn)子;24—風(fēng)扇;25—永磁機(jī)機(jī)殼;26—永磁機(jī)轉(zhuǎn)軸;27—永磁機(jī)轉(zhuǎn)子;28—永磁機(jī)定子;29—永磁機(jī)定子固定螺栓;30—永磁機(jī)轉(zhuǎn)子固定螺栓;31—墊圈;32—永磁機(jī)蓋板

　　圖1雙軸承發(fā)電機(jī)剖視圖

　　轉(zhuǎn)子及其恒定磁場(chǎng)被柴油機(jī)帶動(dòng)快速旋轉(zhuǎn)時(shí),在轉(zhuǎn)子與定子之間小而均勻的間隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng),稱(chēng)為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)或主磁場(chǎng)。平常工作時(shí)發(fā)電機(jī)的定子線圈即電樞都接有負(fù)載,定子線圈被磁場(chǎng)磁力線切割后產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)負(fù)載形成感應(yīng)電流,此電流流過(guò)定子線圈也會(huì)在間隙中產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng),稱(chēng)為定子磁場(chǎng)或電樞磁場(chǎng)。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(chǎng)和定子磁場(chǎng),這兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用構(gòu)成一個(gè)合成磁場(chǎng)。發(fā)電機(jī)就是由合成磁場(chǎng)的磁力線切割定子線圈而發(fā)電的。由于定子磁場(chǎng)是由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(chēng)這種發(fā)電機(jī)為同步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)和電器性能上都具有許多優(yōu)點(diǎn)。

　　2同步發(fā)電機(jī)的調(diào)控

　　同步發(fā)電機(jī)在其額定負(fù)載范圍內(nèi)允許帶各種用電負(fù)荷。這些負(fù)荷的輸入特性會(huì)直接影響發(fā)電機(jī)的輸出電壓;當(dāng)負(fù)載為純電阻性時(shí),因?yàn)橥桨l(fā)電機(jī)的定子端電壓——電樞端電壓與負(fù)載電流是同相的,所以使得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的前一半被定子磁場(chǎng)削弱,而后一半又被定子磁場(chǎng)加強(qiáng),一周內(nèi)合成磁場(chǎng)平均值不變,發(fā)電機(jī)輸出電壓不變。負(fù)載呈現(xiàn)為純電感性時(shí),則因負(fù)載電流滯后電樞端電壓90°而使得定子磁場(chǎng)削弱了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng),合成磁場(chǎng)降低,造成發(fā)電機(jī)輸出電壓下降。若負(fù)載是純電容性的,負(fù)載電流就會(huì)超前電樞端電壓90°,從而使定子磁場(chǎng)加強(qiáng)了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng),合成磁場(chǎng)增大,發(fā)電機(jī)輸出電壓上升。可見(jiàn);合成磁場(chǎng)是使發(fā)電機(jī)性能變化的一個(gè)重要因素。而合成磁場(chǎng)中起主要作用的是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)即主磁場(chǎng),因此,調(diào)控轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就可以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓改善其帶負(fù)載能力,從而達(dá)到在額定負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)住發(fā)電機(jī)輸出電壓的目的。

　　(1)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁

　　所謂勵(lì)磁即是向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供直流電使其產(chǎn)生直流電磁場(chǎng)的過(guò)程。同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子凹槽內(nèi)的線圈就是由稱(chēng)做勵(lì)磁機(jī)的一個(gè)專(zhuān)門(mén)的設(shè)備為其供以直流電形成直流磁場(chǎng)的。早期的發(fā)電機(jī)是采用單獨(dú)的勵(lì)磁機(jī)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(jìn)步,現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)都是將發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)組裝在一起構(gòu)成一個(gè)完整的發(fā)電機(jī)。

　　勵(lì)磁機(jī)其實(shí)就是個(gè)小發(fā)電機(jī),它的工作原理與同步發(fā)電機(jī)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(jī)——主發(fā)電機(jī)正好相反;固定在主發(fā)電機(jī)定子旁的勵(lì)磁機(jī)的定子線圈通以直流電形成直流磁場(chǎng),而安裝在主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈成為輸出電動(dòng)勢(shì)的電樞。勵(lì)磁機(jī)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(chēng)為旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)的無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)。安裝在主發(fā)電機(jī)定子旁的勵(lì)磁機(jī)定子線圈的直流電,是由主發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝的勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子線圈在其定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)、切割磁力線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),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(jī)的轉(zhuǎn)子線圈使其產(chǎn)生直流轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。從而達(dá)到了對(duì)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈勵(lì)磁的要求。

　　(2)同步發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)控

　　調(diào)控的目的就是實(shí)現(xiàn)在同步發(fā)電機(jī)額定負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)住輸出電壓。調(diào)控技術(shù)的理念是實(shí)時(shí)地從主發(fā)電機(jī)電樞取得電壓和電流,經(jīng)整流和負(fù)反饋調(diào)理后供給勵(lì)磁機(jī)的定子線圈,使其產(chǎn)生變化規(guī)律與主發(fā)電機(jī)輸出電壓變化規(guī)律相反的直流電磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)也必然使勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞的輸出電壓及旋轉(zhuǎn)整流器供給主發(fā)電機(jī)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(shí)時(shí)調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)大小,使主發(fā)電機(jī)在額定負(fù)荷范圍內(nèi)保持良好輸出特性的作用。

　　對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)節(jié)過(guò)程,可以用以下的流程表示;

　　由于負(fù)荷增加使主發(fā)電機(jī)電樞電壓↓(降)→經(jīng)負(fù)反饋調(diào)理后勵(lì)磁機(jī)定子電流及磁場(chǎng)↑→勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞輸出電壓↑→旋轉(zhuǎn)整流器輸出電流↑→主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)↑→使主發(fā)電機(jī)電樞電壓↑

　　若主發(fā)電機(jī)電壓升高,則其反饋調(diào)控使以上各環(huán)節(jié)作用降低,導(dǎo)致電壓回到額定值。

　　可見(jiàn)通過(guò)勵(lì)磁機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)控主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的大小,就可以穩(wěn)住輸出電壓。這其中起重要作用的是負(fù)反饋調(diào)節(jié)單元,通常稱(chēng)其為恒壓勵(lì)磁裝置和自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器。

(3)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器

　　現(xiàn)代交流同步發(fā)電機(jī)常用自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器AVR這種電子部件調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。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(jī)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(kāi)關(guān)器件即三極管或場(chǎng)效應(yīng)管控制送入勵(lì)磁機(jī)定子線圈的電流的時(shí)間。從而使它的磁場(chǎng)強(qiáng)弱隨著主發(fā)電機(jī)輸出電壓的變化而相反變化;即輸出電壓升高則勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)減小,輸出電壓降低勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)增強(qiáng)。從而達(dá)到負(fù)反饋調(diào)控的目的。

　　圖2自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器電路原理方框圖

　　圖2是常用的一種AVR類(lèi)型。取樣自主發(fā)電機(jī)輸出電壓的信號(hào)從8、9兩端輸入到電壓測(cè)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UA送入脈沖寬度調(diào)制單元PWM,輸出電壓UC送入低頻保護(hù)單元。電壓測(cè)量比較單元的L、S、H是連接主發(fā)電機(jī)輸出電壓幅值調(diào)節(jié)電**的三個(gè)端子。

　　脈沖寬度調(diào)制器由穩(wěn)壓器輸出的直流電壓UCC作為工作電源,以確保其性能穩(wěn)定。它的輸出電壓UB控制調(diào)制管VT3。若由電壓測(cè)量比較單元送來(lái)的UA大,表明主發(fā)電機(jī)輸出電壓升高,則大的UA就會(huì)使脈沖寬度調(diào)制器輸出的脈沖UB的寬度變窄。窄的脈沖就會(huì)使VT3導(dǎo)通時(shí)間短,通過(guò)的電流少。反之,主發(fā)電機(jī)電壓降低UA變小,脈沖寬度調(diào)制器輸出的脈沖UB的寬度隨之變寬,從而使VT3導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng),通過(guò)的電流增多。

　　勵(lì)磁機(jī)定子線圈一端接在端子X(jué)1上,另一端接在XX1端子上。由主發(fā)電機(jī)電樞送來(lái)的EA、EB、Ec三相電壓,經(jīng)過(guò)三個(gè)二極管VD10、VD11、VD12整流后,電流從X1端流入勵(lì)磁機(jī)的定子線圈,由XX1流出,再經(jīng)過(guò)調(diào)制管VT3和XN端子流回主發(fā)電機(jī)電樞,形成勵(lì)磁機(jī)定子線圈的勵(lì)磁電流通路。VT3是這個(gè)通路上的開(kāi)關(guān),它導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng),則定子線圈流過(guò)電流時(shí)間長(zhǎng),定子磁場(chǎng)強(qiáng)度大;VT3導(dǎo)通時(shí)間短,定子線圈電流少,定子磁場(chǎng)強(qiáng)度小。

　　AVR就是這樣調(diào)控主發(fā)電機(jī)的電壓的;主發(fā)電機(jī)由于負(fù)荷原因輸出電壓升高,電壓測(cè)量比較單元輸出的UA隨著升高,受UA控制的脈寬調(diào)制器輸出脈沖UB寬度變窄,開(kāi)關(guān)管VT3導(dǎo)通時(shí)間短,勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)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(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流變小,則主發(fā)電機(jī)因其轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的減小而使輸出電壓降低。反之,AVR的負(fù)反饋調(diào)控功能就會(huì)使主發(fā)電機(jī)的輸出電壓升高。

　　在主發(fā)電機(jī)因負(fù)荷超出額定值而輸出極大電流時(shí),柴油發(fā)動(dòng)機(jī)也需隨之輸出巨大的動(dòng)力以致導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速低于額定值。低頻保護(hù)單元的作用就是在這種情況下限制勵(lì)磁機(jī)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(gè)低頻保護(hù)點(diǎn),當(dāng)主發(fā)電機(jī)負(fù)荷正常時(shí),從電壓測(cè)量單元來(lái)的UC小于低頻保護(hù)點(diǎn),則低頻保護(hù)單元輸出的電壓Ud高,二極管VD8被截止,Ud到不了脈寬調(diào)制器,起不了作用。若主發(fā)電機(jī)超載則Ud變低,VD8導(dǎo)通,Ud和UA就可同時(shí)作用于脈寬調(diào)制器,使其輸出的脈沖UB隨Ud的下降而變窄,調(diào)制管VT3導(dǎo)通時(shí)間隨之變短,勵(lì)磁電流減小勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)變?nèi)?從而導(dǎo)致主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)減小。發(fā)電機(jī)輸出電壓下降、電流減小。低頻保護(hù)單元起到了保護(hù)勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)的作用。

　　3同步發(fā)電機(jī)的維護(hù)

　　同步發(fā)電機(jī)是柴油發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部分。為柴油發(fā)電機(jī)組建立一個(gè)合適的工作環(huán)境,做好日常維護(hù)是十分必要的。

　　發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)的高溫、潮濕和空氣污染物是引起發(fā)電機(jī)故障的最常見(jiàn)因素。粉塵、灰塵和其它空氣污染物的積累會(huì)引起絕緣層的性能變壞,不僅易形成對(duì)地的導(dǎo)電通路,還會(huì)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(jī)內(nèi)形成對(duì)地的漏電通路,引起發(fā)電機(jī)故障。機(jī)房?jī)?nèi)溫度過(guò)高會(huì)使發(fā)電機(jī)組工作時(shí)產(chǎn)生的熱量難以散出,造成其輸出功率下降、機(jī)組過(guò)熱。所以機(jī)房的防塵、防潮濕、通風(fēng)降溫就必須引起足夠的重視。

　　無(wú)論是單軸承發(fā)電機(jī)還是雙軸承發(fā)電機(jī),它們的轉(zhuǎn)子軸與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主軸之間連接的同軸度要求很高。長(zhǎng)時(shí)期運(yùn)行后的機(jī)組有時(shí)同軸度可能降低,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)燥聲增大,溫度過(guò)高。應(yīng)定期檢查、維護(hù)以保持同軸度良好。

　　負(fù)荷超出發(fā)電機(jī)的額定負(fù)載范圍,或三相負(fù)荷很不平衡,也會(huì)造成發(fā)電機(jī)效率降低和過(guò)熱。