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交流发电机的旋转原理解析

     做为柴油发电机组的电力部分发电机,常用的交流发电机有两种:三相异步发电机和单相交流发电机。第一种多用在工业上,而第二种多用在民用电器上。 

    一、三相异步发电机的旋转原理 

    三相异步发电机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场,三相异步发电机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道,但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的,三相异步发电机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度,这样,当在定子绕组中通入三相电源时,定子绕组就会产生一个旋转磁场,其产生的过程如图1所示。图中分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。电流每变化一个周期,旋转磁场在空间旋转一周,即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。旋转磁场的转速为:n=60f/P 式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是:每分钟转数。根据此式我们知道,发电机的转速与磁极数和使用电源的频率有关,为此,控制交流发电机的转速有两种方法:1、改变磁极法;2、变频法。以往多用第一种方法,现在则利用变频技术实现对交流发电机的无级变速控制。 

    观察图1还可发现,旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。相序A、B、C顺时针排列,磁场顺时针方向旋转,若把三根电源线中的任意两根对调,例如将B相电流通入C相绕组中,C相电流通入B相绕组中,则相序变为:C、B、A,则磁场必然逆时针方向旋转。利用这一特性我们可很方便地改变三相发电机的旋转方向。 定子绕组产生旋转磁场后,转子导条(鼠笼条)将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流,转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力,电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。一般情况下,发电机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。因为假设n=n1,则转子导条与旋转磁场就没有相对运动,就不会切割磁力线,也就不会产生电磁转矩,所以转子的转速n1必然小于n。为此我们称三相发电机为异步发电机。 

    二、单相交流发电机的旋转原理 

    单相交流发电机只有一个绕组,转子是鼠笼式的。当单相正弦电流通过定子绕组时,发电机就会产生一个交变磁场,这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化,但在空间方位上是固定的,所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场,当转子静止时,这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩,使得合成转矩为零,所以发电机无法旋转。当我们用外力使发电机向某一方向旋转时(如顺时针方向旋转),这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小;转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样平衡就打破了,转子所产生的总的电磁转矩将不再是零,转子将顺着推动方向旋转起来。 

    要使单相发电机能自动旋转起来,我们可在定子中加上一个起动绕组,起动绕组与主绕组在空间上相差90度,起动绕组要串接一个合适的电容,使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度,即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组,将会在空间上产生(两相)旋转磁场,如图2所示。在这个旋转磁场作用下,转子就能自动起动,起动后,待转速升到一定时,借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将起动绕组断开,正常工作时只有主绕组工作。因此,起动绕组可以做成短时工作方式。但有很多时候,起动绕组并不断开,我们称这种发电机为电容式单相发电机,要改变这种发电机的转向,可由改变电容器串接的位置来实现。 

    在单相发电机中,产生旋转磁场的另一种方法称为罩极法,又称单相罩极式发电机。此种发电机定子做成凸极式的,有两极和四极两种。每个磁极在1/3--1/4全极面处开有小槽,如图3所示,把磁极分成两个部分,在小的部分上套装上一个短路铜环,好象把这部分磁极罩起来一样,所以叫罩极式发电机。单相绕组套装在整个磁极上,每个极的线圈是串联的,连接时必须使其产生的极性依次按N、S、N、S排列。当定子绕组通电后,在磁极中产生主磁通,根据楞次定律,其中穿过短路铜环的主磁通在铜环内产生一个在相位上滞后90度的感应电流,此电流产生的磁通在相位上也滞后于主磁通,它的作用与电容式发电机的起动绕组相当,从而产生旋转磁场使发电机转动起来。 

    三、同步交流发电机原理 

    同步发电机是属于交流电机,定子绕组与异步发电机相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的,所以称为同步发电机。正由于这样,同步发电机的电流在相位上是超前于电压的,即同步发电机是一个容性负载。为此,在很多时候,同步发电机是用以改进供电系统的功率因素的。 
同步发电机在结构上大致有两种: 

    1、转子用直流电进行励磁

    这种发电机的转子如图1所示,从图中可看出来,它的转子做成显极式的,安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的,接成具有交替相反的极性,并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。磁场线圈是由一只小型直流发电机或蓄电池来激励,在大多数同步发电机中,直流发电机是装在发电机轴上的,用以供应转子磁极线圈的励磁电流。 
由于这种同步发电机不能自动启动,所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为发电机启动之用。鼠笼绕组放在转子的周围,结构与异步发电机相似。 
当在定子绕组通上三相交流电源时,发电机内就产生了一个旋转磁场,鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流,从而使发电机旋转起来。发电机旋转之后,其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速,此时转子磁场线圈经由直流电来激励,使转子上面形成一定的磁极,这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极,这样就增加发电机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。 

    2、转子不需要励磁的同步电机 
 
    转子不励磁的同步发电机能够运用于单相电源上,也能运用于多相电源上。这种发电机中,有一种的定子绕组与分相发电机或多相发电机的定子相似,同时有一个鼠笼转子,而转子的表面切成平面,如图2所示。所以是属于显极转子,转子磁极是由一种磁化钢做成的,而且能够经常保持磁性。鼠笼绕组是用来产生启动转矩的,而当发电机旋转到一定的转速时,转子显极就跟住定子线圈的电流频率而达到同步。显极的极性是由定子感应出来的,因此它的数目应和定子上极数相等,当发电机转到它应有的速度时,鼠笼绕组就失去了作用,维持旋转是靠着转子与磁极跟住定子磁极,使之同步.该型发电机是目前发电机组配套发电机的常用类型。