同步發電機的工作原理以及維護分析

根據江門發電機出租公司-雅通電力(www.25lm.com)訊：
柴油發電機組是常用的備用電源，由于它以柴油發動機燃燒柴油為動力，帶動發電機發出與市電同樣性質的電力，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、對工作環境的要求、帶非線性負載能力方面考慮，采用柴油發電機組比使用很多大容量蓄電池的長延時UPS往往具有一定的優勢。但是柴油發電機組在市電斷電后需要十秒鐘左右才能發出穩定的電力，這就大不如UPS可不間斷供電的特點。因此，柴油發電機組和UPS通常是取其各自的優勢構成一個完善的、可靠的電源系統，以確保重要設備的不間斷供電。
　　　　
　　同步發電機的工作原理
　　
　　 十九世紀英國科學家法拉第通過實驗發現了電磁感應現象；導體與磁場的磁力線相對切割運動時，導體中會感應出電動勢。如果將這根導體的兩端連接起來，則在這個閉合導體與磁場相對切割運動時，導體中就會產生感應電流。這種現象可以用多種實驗方式得以驗證；例如圖一所示的實驗；

圖1原線圈A運動時在副線圈B產生感應電動勢和感應電流
　　 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內的磁場發生變化時就會產生感應電動勢和感應電流，而且線圈B中的感應電動勢和感應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實驗，科學家們總結出了恒定磁場與金屬導體相對切割運動時其導體內的感應電動勢為：
　　
　　E=BLVsinθ
　　
　　可見感應電動勢E與恒定磁場的磁感應強度B、導體和恒定磁場磁力線之間的相對切割運動速度V、導體在磁場中的長度L成正比，并且與導體和磁場的磁力線相對切割運動時的夾角θ有關。當導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強度B越大、磁場中的導線L越長且與磁場相對運動速度V越快、夾角越接近90°，則導體上感應的電動勢就越大。
　　
　　 發電機就是根據電磁感應原理制造的。如圖二前半部分所示；

圖二：前半部分是同步發電機，后半部分是勵磁機和電壓調節器。小型永磁發電機的轉子是磁鐵定子是線圈，它用于給發電機啟動蓄電池充電及其它輔助用途。
　　 現代交流發電機通常也由兩部分線圈構成；為了提高磁場的強度，一部分線圈繞在一個導磁性能良好的金屬片疊成的圓筒內壁的凹槽內，這個圓筒固定在機座上稱為定子。定子內的線圈可輸出感應電動勢和感應電流，所以又稱其為電樞。發電機的另一部分線圈則繞在定子圓筒內的一導磁率強的金屬片疊成的圓柱體的凹槽內，稱為轉子。一根軸穿過轉子中心并將其緊固在一起，軸兩端與機座構成軸承支撐。轉子與定子內壁之間保持小而均勻的間隙且可靈活轉動。這叫做旋轉磁場式結構的無刷同步發電機。
　　
　　工作時，轉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子快速旋轉，恒定磁場也隨之旋轉，定子的線圈被磁場磁力線切割產生感應電動勢，發電機就發出電來。
　　
　　轉子及其恒定磁場被柴油機帶動快速旋轉時，在轉子與定子之間小而均勻的間隙中形成一個旋轉的磁場，稱為轉子磁場或主磁場。平常工作時發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生的感應電動勢通過負載形成感應電流，此電流流過定子線圈也會在間隙中產生一個磁場，稱為定子磁場或電樞磁場。這樣在轉子、定子之間小而均勻的間隙中出現了轉子磁場和定子磁場，這兩個磁場相互作用構成一個合成磁場。發電機就是由合成磁場的磁力線切割定子線圈而發電的。由于定子磁場是由轉子磁場引起的，且它們之間總是保持著一先一后并且同速的同步關系，所以稱這種發電機為同步發電機。同步發電機在機械結構和電器性能上都具有許多優點。
　　
　　2．同步發電機的調控
　　
　　同步發電機在其額定負載范圍內允許帶各種用電負荷。這些負荷的輸入特性會直接影響發電機的輸出電壓；當負載為純電阻性時，因為同步發電機的定子端電壓——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，一周內合成磁場平均值不變，發電機輸出電壓不變。負載呈現為純電感性時，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子磁場，合成磁場降低，造成發電機輸出電壓下降。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子磁場，合成磁場增大，發電機輸出電壓上升?？梢?；合成磁場是使發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子磁場即主磁場，因此，調控轉子磁場就可以調節同步發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穩住發電機輸出電壓的目的。
　　
　　2．1同步發電機轉子的勵磁
　　
　　 所謂勵磁即是向同步發電機轉子提供直流電使其產生直流電磁場的過程。同步發電機轉子凹槽內的線圈就是由稱做勵磁機的一個專門的設備為其供以直流電形成直流磁場的。早期的發電機是采用單獨的勵磁機給轉子線圈提供直流電的，系統龐大而復雜。隨著技術的進步，現代同步發電機都是將發電機與勵磁機組裝在一起構成一個完整的發電機。如圖二后半部分所示：
　　
　　 勵磁機其實就是個小發電機，它的工作原理與同步發電機一樣。所不同的是它的定子線圈和轉子線圈所起的作用與同步發電機——主發電機正好相反；固定在主發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，而安裝在主發電機轉子軸上的勵磁機的轉子線圈成為輸出電動勢的電樞。勵磁機的轉子與定子內壁之間也是保持著小而均勻的間隙。這也稱為旋轉電樞式結構的無刷同步發電機。安裝在主發電機定子旁的勵磁機定子線圈的直流電，是由主發電機定子線圈即電樞的部分輸出電壓經整流后而得到的。與主發電機轉子同軸安裝的勵磁機轉子線圈在其定子線圈產生的磁場內旋轉、切割磁力線所產生的感應電動勢，經同軸安裝在它旁邊的整流器也就是旋轉整流器變成直流電流，輸到主發電機的轉子線圈使其產生直流轉子磁場。從而達到了對主發電機轉子線圈勵磁的要求
2.2同步發電機輸出電壓的調控
　　
　　 調控的目的就是實現在同步發電機額定負荷范圍內穩住輸出電壓。調控的技術方式隨著發電機額定功率的不同、每個時期技術發展程度的不同，有簡潔及完善的許多類型。但總的理念都是；實時從主發電機電樞取得電壓和電流，經整流和負反饋調理后供給勵磁機的定子線圈，使其產生變化規律與主發電機輸出電壓變化規律相反的直流電磁場，這個磁場也必然使勵磁機轉子電樞的輸出電壓及旋轉整流器供給主發電機轉子線圈的直流電流按同樣的規律而變化。從而起到實時調節主發電機轉子磁場大小，使主發電機在額定負荷范圍內保持良好輸出特性的作用。
　　
　　 對發電機輸出電壓的調節過程，可以用以下的流程表示；
　　
　　 由于負荷使主發電機電樞電壓↓（降）↑（升）
　　 經負反饋調理后勵磁機定子電流及磁場↑↓
　　 勵磁機轉子電樞輸出電壓↑↓
　　 旋轉整流器輸出電流↑↓
　　 主發電機轉子磁場↑↓
　　 使主發電機電樞電壓↑↓
　　
　　可見；通過勵磁機實時調控主發電機轉子磁場的大小，就可以穩住輸出電壓。這其中起重要作用的是負反饋調節單元，通常稱其為恒壓勵磁裝置和自動電壓調節器。
　　
　　2.3自動電壓調節器
　　
　　 現代交流同步發電機常用自動電壓調節器AVR這種電子部件調節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；都是實時采樣主發電機的輸出電壓值與預先設定的值相比較，用比較的結果去調節脈沖寬度調制器PWM；輸出電壓值高則調制器輸出脈沖寬度窄，反之則寬。然后再用這些脈沖去調控大功率開關器件即三極管或場效應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。從而達到負反饋調控的目的。
　　
　　 圖三是常用的一種AVR類型；

圖三：自動電壓調節器電路原理方框圖
　　 取樣自主發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，與內部預先設定的電壓值（例如380V）相比較。比較結果以輸出電壓Va送入脈沖寬度調制單元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是連接主發電機輸出電壓幅值調節電位器的三個端子。
　　
　　 脈沖寬度調制器由穩壓器輸出的直流電壓Vcc作為工作電源，以確保其性能穩定。它的輸出電壓Vb控制調制管TR3。若由電壓測量比較單元送來的Va大，表明主發電機輸出電壓升高，則大的Va就會使脈沖寬度調制器輸出的脈沖Vb的寬度變窄。窄的脈沖就會使TR3導通時間短，通過的電流少。反之，主發電機電壓降低Va變小，脈沖寬度調制器輸出的脈沖Vb的寬度隨之變寬，從而使TR3導通時間變長，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。由主發電機電樞送來的Xa、Xb、Xc三相電壓，經過三個二極管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，再經過調制管TR3和XN端子流回主發電機電樞，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，它導通時間長，則定子線圈流過的電流時間長，定子磁場強度大。TR3導通時間短，定子線圈電流少，定子磁場強度小。
　　
　　 AVR就是這樣調控主發電機的電壓的；主發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控制的脈寬調制器輸出脈沖Vb寬度變窄，開關管TR3導通時間短，勵磁機定子磁場減弱，轉子電樞電壓及旋轉整流器輸出電流隨之減小，導致供給主發電機轉子的勵磁電流變小，則主發電機因其轉子磁場的減小而使輸出電壓降低。反之，AVR的負反饋調控功能就會使主發電機的輸出電壓升高。
　　
　　 在主發電機因負荷超出額定值而輸出極大電流時，柴油發動機也需隨之輸出巨大的動力以致導致其轉速低于額定值。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。它以電阻和電容構成的充放電支路預先設定一個低頻保護點，當主發電機負荷正常時，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到不了脈寬調制器，起不了作用。若主發電機超載則Vd變低，VD8導通，Vd和Va就可同時作用于脈寬調制器，使其輸出的脈沖Vb隨Vd的下降而變窄，調制管TR3導通時間隨之變短，勵磁電流減小勵磁機定子磁場變弱，從而導致主發電機轉子磁場減小。發電機輸出電壓下降、電流減小。低頻保護單元起到了保護勵磁機和主發電機的作用。
　　
　　3.同步發電機的維護
　　
　　 同步發電機是柴油發電機組的關鍵部分。它輸出的電力性能的優劣不僅表征了整個機組的技術、制造水平，而更重要的是關系到用電設備的正常運行。因此，為柴油發電機組建立一個合適的工作環境，做好日常維護是十分必要的。
　　
　　 發電機房內的高溫、潮濕和空氣污染物是引起發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電通路，還會使轉子軸承部分的摩擦力增大而發熱。濕氣以及空氣污染物中的濕氣極易在發電機內形成對地的漏電通路，引起發動機故障。機房內溫度過高會使發電機組工作時產生的熱量難以散出，造成其輸出功率下降、機組過熱。所以機房的防塵、防潮濕、通風降溫就必須引起足夠的重視。要根據所安裝的發電機隨機資料中要求的環境條件，為發電機建立一個合適的工作環境。
　　
　　 無論是單軸承發電機還是雙軸承發電機，它們的轉子軸與柴油發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，導致發電機燥聲增大，溫度過高。應定期檢查、維護以保持同軸度良好。
　　
　　 負荷超出發電機的額定負載范圍，或三相負荷很不平衡，也會造成發電機效率降低和過熱。這就要經常檢查負荷的接人是否規范。應保持在額定范圍內三相負荷平衡，以確保發電機工作良好
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