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    2. 發電機運行分析(一)

      氣隙對波形影響

      對於凸極轉子來說,由於定轉子間的氣隙沿整個電樞圓周分佈不均勻,極面下氣隙較小,而極間氣隙較大,極面下的磁組較小,而極間磁阻很大,而且在同一個極面下,在一個極的範圍內氣隙徑向磁通密度的分佈近似於平頂的帽形。磁極兩端以外的氣隙磁通密度減少很快,轉子相鄰兩極中線上的磁通密度為零。通常將磁極兩端的極弧半徑做成小於定子的內圓半徑,而且兩圓弧的圓心不重合(稱為偏心氣隙),從而形成極弧中心處的氣隙最小,沿著極弧中心線兩側方向氣隙逐漸增大,這樣可以使得氣隙磁通密度的分佈較接近正弦波型。如圖一

      氣隙對波形影響

      圖一、偏心氣隙

      氣隙對波形影響

      圖二、同心氣隙

      • 感應電勢的波型和大小與氣隙磁通密度的分佈形狀及幅值大小緊密相關,在設計和製造電機時,應採取的適當的措施,以獲得盡可能接近正弦分佈的氣隙磁密,從而得到品質較高的感應磁勢。

      正/斜交磁的影響

      定子鐵芯

      圖三、定子鐵芯

      斜交磁

      斜交磁

      定子磁極(深色)傾斜一角度,此角度約為一個槽距

      運轉

      • 當運轉中的轉子勵磁線圈被輸入直流電流後,在相鄰兩磁極上產生不同極性的磁力。此磁力線由轉子N極跨越氣隙到定子磁極,經磁軛再由定子磁極通過氣隙回到轉子S極。
      • 由於定子磁極與轉子磁極相互傾斜一角度,在運轉中定子磁極上的磁力線數量隨重疊面積而改變,當完成一電功角(360°)時其總合磁勢如下圖所示。
      • 改變定子與轉子磁極的角度會影響諧波比例及電壓值。角度為零時諧波最大電壓值最高。

      正交磁

      正交磁

      定子磁極與轉子磁極夾角為零(平行)

      運轉

      • 因定子磁極與轉子磁極相互平行,在運轉時兩磁極在一單位時間內磁力線大量變化(重疊的面積在單位時間內變化大)使得每一定子磁極上的磁勢幅值變化增大。完成一電功角(360°)其總合磁勢如下圖所示。
      • 正交磁場機種的發電機其諧波比例大,一般僅適用對供電品質不要求的負載,如電動機照明燈電熱器...等。

      空載運行

      空載運行
      • 當空載運行時,勵磁電勢隨勵磁電流變化的關係稱為同步發電機的空載特性。勵磁電勢的大小(有效值)與轉子每極磁通成正比,而勵磁電流的大小又和作用於同步電磁路上的勵磁磁勢正比例變化,所以空載特性與電機磁路的磁化曲線具有類似的變化規律。如上圖所示。
      • 由圖可見,當勵磁電流較小時,由於磁通較小,電機磁路沒有飽和,空載特性呈直線(將其延長後的射線稱為氣隙線)。隨著勵磁電流的增大,磁路逐漸飽和,磁化曲線開始進入飽和段。為了合理地利用材料,空載額定電壓一般設計在空載特性的彎曲處,如圖中的c點。
      • 空載特性在同步發電機理論中有著重要作用:A.空載特性結合短路特性(在後面介紹)可以求取同步電機的參數。B.發電廠通過測取空載特性來判斷三相繞組的對稱性以及勵磁系統的故障。

      負載運行

      負載運行
      • 空載時,同步電機中只有一個以同步轉速旋轉的勵磁磁勢\( \overrightharpoon{F}_f \),它在電樞繞組中感應出三相對稱交流電勢\( \dot{E}_D \),稱為勵磁電勢。
      • 當電樞繞組接上三相對稱負載後,電樞繞組和負載一起構成閉合通路,通路中流過的是三相對稱的交流電流,我們知道,當三相對稱電流流過三相對稱繞組時,將會形成一個以同步速度旋轉的旋轉磁勢。
      • 由此可見,負載以後同步電機內部將會產生又一個旋轉磁勢\( \overrightharpoon{F}_a \) --電樞旋轉磁勢。因此,同步發電機接上三相對稱負載以後,電機中除了隨軸同轉的轉子磁勢\( \overrightharpoon{F}_f \) (稱為機械旋轉磁勢)外,又多了一個電樞旋轉磁勢\( \overrightharpoon{F}_a \)。(稱為電氣旋轉磁勢)。
      • 這兩個旋轉磁勢的轉速均為同步速,而且轉向一致,二者在空間處於相對靜止狀態,可以用向量加法將其合成為一個合成磁勢\( \overrightharpoon{F} \)。
      • 氣隙磁場\( {B}_\delta \)可以看成是由合成磁勢\( \overrightharpoon{F} \)在電機的氣隙中建立起來的磁場。也是以同步轉速旋轉的旋轉磁場??梢娡桨l電機負載以後,電機內部的磁勢和磁場將發生顯著變化,這一變化主要由電樞磁勢的出現所致。

      電樞反應

      電樞反應
      • 電樞磁勢的存在,將使氣隙磁場的大小和位置發生變化,我們把這一現象稱為電樞反應。電樞反應會對電機性能產生重大影響。
      • 電樞反應的情況決定於空間相量\( \overrightharpoon{F}_a \)和\( \overrightharpoon{F}_f \)之間的夾角,而這一夾角又和時間相量E0和Ia之間的相位差\( \Psi \)相關連。\( \Psi \)稱為內功率因數角,其大小由負載的性質決定。
        時空相量圖:(如上圖所示)的瞬間,A相繞組中感應電勢\( \dot{E}_D \)達到最大值,此時如果\( \Psi \) = 0,即A相電流\( \dot{I}_a \)和\( \dot{E}_D \)同相位。則\( \dot{I}_a \)亦達到最大值。
      • 電樞磁勢(三相合成磁勢)\( \overrightharpoon{F}_a \)的軸線在此瞬間將和A相線圈的軸線重合。
      • 一般情況下,\( \dot{I}_a \)(時間相量)滯後或超前於\( \dot{E}_D \)(時間相量)電角度時,\( \overrightharpoon{F}_a \)(空間相量)的軸線位置也滯後或超前於A相繞組的軸線\( \Psi \)電角度。即\( \dot{I}_a \)和\( \dot{E}_D \)在時間上的相位差等於\( \overrightharpoon{F}_a \)的軸線和A相繞組軸線的空間角度差。
      • 以上結論雖然是在一個特殊的瞬間(磁極軸線和A相繞組軸線正交時)得出的,由於\( \overrightharpoon{F}_a \)和\( \overrightharpoon{F}_f \)同速同步旋轉,故在負載一定的情況下\( \overrightharpoon{F}_a \)和\( \overrightharpoon{F}_f \)的空間相位差等於90+\( \Psi \)電角度。
      • 為了分析方便,人們常將時間相量\( \dot{E}_D \)、\( \dot{I}_a \)、\( \dot{\Phi}_f \)、\(U\)和空間相量\( \overrightharpoon{F}_a \)、\( \overrightharpoon{F} \)、\( \overrightharpoon{F}_f \)畫一起構成所謂的時空相量圖(如上圖所示)。在時空相量圖中\( \dot{\Phi}_f \)?和Ff(處於磁極軸線方向,稱為直軸,用d表示)重合,\( \dot{E}_D \)滯後於\( \dot{\Phi}_f \) 90°。電角度(處於相鄰一對磁極的中性線位置,稱為交軸,用q表示),\( \dot{I}_a \)和\( \dot{E}_D \)之間的相位差由負載性質決定,\( \overrightharpoon{F}_a \)和\( \dot{I}_a \)重合。
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