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交流發電機的旋轉原理解析

     做為柴油發電機組的電力部分發電機,常用的交流發電機有兩種:三相異步發電機和單相交流發電機。第一種多用在工業上,而第二種多用在民用電器上。 

    一、三相異步發電機的旋轉原理 

    三相異步發電機要旋轉起來的先決條件是具有一個旋轉磁場,三相異步發電機的定子繞組就是用來產生旋轉磁場的。我們知道,但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差120度的,三相異步發電機定子中的三個繞組在空間方位上也互差120度,這樣,當在定子繞組中通入三相電源時,定子繞組就會產生一個旋轉磁場,其產生的過程如圖1所示。圖中分四個時刻來描述旋轉磁場的產生過程。電流每變化一個周期,旋轉磁場在空間旋轉一周,即旋轉磁場的旋轉速度與電流的變化是同步的。旋轉磁場的轉速為:n=60f/P 式中f為電源頻率、P是磁場的磁極對數、n的單位是:每分鐘轉數。根據此式我們知道,發電機的轉速與磁極數和使用電源的頻率有關,為此,控制交流發電機的轉速有兩種方法:1、改變磁極法;2、變頻法。以往多用第一種方法,現在則利用變頻技術實現對交流發電機的無級變速控制。 

    觀察圖1還可發現,旋轉磁場的旋轉方向與繞組中電流的相序有關。相序A、B、C順時針排列,磁場順時針方向旋轉,若把三根電源線中的任意兩根對調,例如將B相電流通入C相繞組中,C相電流通入B相繞組中,則相序變為:C、B、A,則磁場必然逆時針方向旋轉。利用這一特性我們可很方便地改變三相發電機的旋轉方向。 定子繞組產生旋轉磁場后,轉子導條(鼠籠條)將切割旋轉磁場的磁力線而產生感應電流,轉子導條中的電流又與旋轉磁場相互作用產生電磁力,電磁力產生的電磁轉矩驅動轉子沿旋轉磁場方向以n1的轉速旋轉起來。一般情況下,發電機的實際轉速n1低于旋轉磁場的轉速n。因為假設n=n1,則轉子導條與旋轉磁場就沒有相對運動,就不會切割磁力線,也就不會產生電磁轉矩,所以轉子的轉速n1必然小于n。為此我們稱三相發電機為異步發電機。 

    二、單相交流發電機的旋轉原理 

    單相交流發電機只有一個繞組,轉子是鼠籠式的。當單相正弦電流通過定子繞組時,發電機就會產生一個交變磁場,這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規律變化,但在空間方位上是固定的,所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。這個交變脈動磁場可分解為兩個以相同轉速、旋轉方向互為相反的旋轉磁場,當轉子靜止時,這兩個旋轉磁場在轉子中產生兩個大小相等、方向相反的轉矩,使得合成轉矩為零,所以發電機無法旋轉。當我們用外力使發電機向某一方向旋轉時(如順時針方向旋轉),這時轉子與順時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變??;轉子與逆時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變大。這樣平衡就打破了,轉子所產生的總的電磁轉矩將不再是零,轉子將順著推動方向旋轉起來。 

    要使單相發電機能自動旋轉起來,我們可在定子中加上一個起動繞組,起動繞組與主繞組在空間上相差90度,起動繞組要串接一個合適的電容,使得與主繞組的電流在相位上近似相差90度,即所謂的分相原理。這樣兩個在時間上相差90度的電流通入兩個在空間上相差90度的繞組,將會在空間上產生(兩相)旋轉磁場,如圖2所示。在這個旋轉磁場作用下,轉子就能自動起動,起動后,待轉速升到一定時,借助于一個安裝在轉子上的離心開關或其他自動控制裝置將起動繞組斷開,正常工作時只有主繞組工作。因此,起動繞組可以做成短時工作方式。但有很多時候,起動繞組并不斷開,我們稱這種發電機為電容式單相發電機,要改變這種發電機的轉向,可由改變電容器串接的位置來實現。 

    在單相發電機中,產生旋轉磁場的另一種方法稱為罩極法,又稱單相罩極式發電機。此種發電機定子做成凸極式的,有兩極和四極兩種。每個磁極在1/3--1/4全極面處開有小槽,如圖3所示,把磁極分成兩個部分,在小的部分上套裝上一個短路銅環,好象把這部分磁極罩起來一樣,所以叫罩極式發電機。單相繞組套裝在整個磁極上,每個極的線圈是串聯的,連接時必須使其產生的極性依次按N、S、N、S排列。當定子繞組通電后,在磁極中產生主磁通,根據楞次定律,其中穿過短路銅環的主磁通在銅環內產生一個在相位上滯后90度的感應電流,此電流產生的磁通在相位上也滯后于主磁通,它的作用與電容式發電機的起動繞組相當,從而產生旋轉磁場使發電機轉動起來。 

    三、同步交流發電機原理 

    同步發電機是屬于交流電機,定子繞組與異步發電機相同。它的轉子旋轉速度與定子繞組所產生的旋轉磁場的速度是一樣的,所以稱為同步發電機。正由于這樣,同步發電機的電流在相位上是超前于電壓的,即同步發電機是一個容性負載。為此,在很多時候,同步發電機是用以改進供電系統的功率因素的。 
同步發電機在結構上大致有兩種: 

    1、轉子用直流電進行勵磁

    這種發電機的轉子如圖1所示,從圖中可看出來,它的轉子做成顯極式的,安裝在磁極鐵芯上面的磁場線圈是相互串聯的,接成具有交替相反的極性,并有兩根引線連接到裝在軸上的兩只滑環上面。磁場線圈是由一只小型直流發電機或蓄電池來激勵,在大多數同步發電機中,直流發電機是裝在發電機軸上的,用以供應轉子磁極線圈的勵磁電流。 
由于這種同步發電機不能自動啟動,所以在轉子上還裝有鼠籠式繞組而作為發電機啟動之用。鼠籠繞組放在轉子的周圍,結構與異步發電機相似。 
當在定子繞組通上三相交流電源時,發電機內就產生了一個旋轉磁場,鼠籠繞組切割磁力線而產生感應電流,從而使發電機旋轉起來。發電機旋轉之后,其速度慢慢增高到稍低于旋轉磁場的轉速,此時轉子磁場線圈經由直流電來激勵,使轉子上面形成一定的磁極,這些磁極就企圖跟蹤定子上的旋轉磁極,這樣就增加發電機轉子的速率直至與旋轉磁場同步旋轉為止。 

    2、轉子不需要勵磁的同步電機 
 
    轉子不勵磁的同步發電機能夠運用于單相電源上,也能運用于多相電源上。這種發電機中,有一種的定子繞組與分相發電機或多相發電機的定子相似,同時有一個鼠籠轉子,而轉子的表面切成平面,如圖2所示。所以是屬于顯極轉子,轉子磁極是由一種磁化鋼做成的,而且能夠經常保持磁性。鼠籠繞組是用來產生啟動轉矩的,而當發電機旋轉到一定的轉速時,轉子顯極就跟住定子線圈的電流頻率而達到同步。顯極的極性是由定子感應出來的,因此它的數目應和定子上極數相等,當發電機轉到它應有的速度時,鼠籠繞組就失去了作用,維持旋轉是靠著轉子與磁極跟住定子磁極,使之同步.該型發電機是目前發電機組配套發電機的常用類型。
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