三相发电机空载运转的原理和特征

　　摘要：三相同步发电机的电枢绕组为三相对称绕组，感应的电势为三相对称电势，在对称负荷下稳定运行是其主要运行方式，此时发电机的每相电压和电流是对称的。发电机不接负荷时，电枢电流为零，称为空载运转。此时发电机定子的三相绕组只有励磁电流感生出的空载电动势(三相对称)，其大小随励磁电流的增大而增加。但是，因为发电机磁路铁心有饱和现状，于是两者不成正比。反映空载电动势与励磁电流关系的曲线称为同步发电机空载特性，康明斯公司在本节中详细解读对称负载时三相同步发电机的空载运作原理和特性。

　　      同步发电机被柴油发电机拖动到同步速度，转子的励磁绕组通以直流电流，而定子绕组开路时的运转称为空载运行。此时发电机气隙中唯一存在的磁场就是由直流励磁电流产生的励磁磁场，由于同步发电机处于空载状态，所以又称为空载磁场或主磁场。

　　      空载磁场分布如图1所示，图中既交链转子又交链定子的磁通称为主磁通，即空载时的气隙磁通，它的磁密波是沿气隙圆周空间分布的近似正弦波形。忽略高次谐波分量，主磁通基波每极磁通量用Φ0表示。励磁电流建立的磁通还有一小部分仅交链励磁绕组本身，而不穿过气隙与定子绕组交链，称其为主极漏磁通，用Φf0表示，它不参与同步发电机的机电能量切换。主磁通所经路径称为主磁路。它由主极铁芯（转子N极）→气隙→电枢（定子）齿→电枢磁轭→电枢齿→气隙→另一主极铁芯（转子S极）→转子磁轭，形成闭合磁路。漏磁通的路径主要由空气和非磁性材料等结构，两者相比，主磁路的磁阻要小得多，于是在磁极磁势的功能下，主磁通远大于漏磁通。电枢工作程序如图2所示。

　　      在柴油发电机驱动下，转子以同步转速n1旋转，主磁通切割定子绕组，感应出频率为f的三相基波电势，感应电势的高效值为

　　      感应电势的频率f与极对数p以及同步速度n1之间的关系为

　　      因为I＝0，同步发电机的电枢电压等于空载电势E0，由三相基波感应电势的高效值公式E0＝4.44fWKw1Φ0可知，电势E0取决于空载气隙磁通Φ0。Φ0取决于励磁磁势或励磁电流If。因此，空载时的端电压或电势是励磁电流的函数，即E0＝f（If），E0与If的关系曲线称为同步发电机的空载特性（曲线。发电机空载试验电路如图4所示。

　　∝If，因此在改换适当的比例尺后，空载特点曲线＝f（If）即可表示主磁通Φ0和励磁磁势Ff之间的函数关系［Φ0＝f（Ff）］，Φ0＝f（Ff）称为电机的磁化曲线。这就说明励磁磁势Ff和主磁通。之间具有内在联系。因此任何一台电机的空载特点实际上也反映了它的磁化特性。从图2可以看出，当磁通较小时，磁路不饱和，此时铁芯部分所消耗的磁势很小，可略去不计，磁化曲线近于直线。当磁通值较大时，磁路中的铁磁部分已饱和，因而所消耗的磁势较大，空载特性曲线就逐渐弯曲。在电机布置时，既要充分利用铁磁材料，又要考虑到不因过分饱和而增加励磁磁势，从而增加发电机的用铜量，于是使电机的空载额定电压运行于空载特点曲线中的c点。若将空载特性曲线中的直线，这条直线称为气隙线。它表示气隙磁势F。与基波每极磁通Φ0之间的关系。图中oa代表额定电压，ac表示出现额定电压所需要的磁势Ff0。

　　0＝UN时，总磁势Ff0和气隙磁势Fδ之比称为电机磁路的饱和系数Ks，即       由上式可得dc＝dn/Kg乌鲁木齐康明斯发电机。式中，dc为额定电压；dn为在相同励磁磁势下，磁路未饱和时的励磁电势；通常空载额定电压时的K，值为1.1～1.25。可见在磁路饱和后，由励磁磁势所建立的磁通和它感应的电势都减轻到未饱和时的1/K

　　0＝UN的励磁电流）。不同的电机用标幺值绘出的空载特点都相差不大原厂康明斯发电机，由此可认为电机有一条标准的空载特点曲线存在。标准空载特性曲线所示。空载特征曲线很有适用价值，用它来对比已制造出来的电机试验数据康明斯发电机授权商，就可以看出该电机的磁路饱和情形、铁芯的品质以及材料的利用状况等。表1 标准空载曲线数据表

　　      空载特性曲线是发电机中一条最基础的特性曲线，它的用途很广，通过空载特性还可以检验电机励磁装置的工作状况，电枢绕组连接是否正确。空载特征代表了电机中磁和电两方面的联系，表达了由励磁磁势发生感应电势的能力。在有负荷的情况下，如果能获得磁路中的总磁势，也可利用这个特点来求取气隙磁通在电枢绕组中所感应的气隙电势。

　　       现代交流同步发电机要求其出现的电势是三相对称；频率恒定；波形接近于正弦；具有一定的幅值。这几项要求标志着发电机输出电能的品质。另外，从布置和制造的角度考虑还要点：制造加工容易；节约材料；修理方便，保证发电机的运行性能等。然而对发电机输出电能品质上的要求和制造上的经济性有时会出现矛盾，因此必须从整体全面考虑，不能片面地强调某一方面。事实上要点电能品质绝对化，既是不可能的，而且也没有必要，反而会给发电机的制造带来困难，增加不必要的制造费用。根据国家标准GB/T 755-2019，允许电势波形和电势的不对称程度有一定范围的偏差。

　　      同步发电机空载线电压的波形应在额定电压和额定速度情况下测量。空载线电压波形与正弦波形的偏差程度，一般用所谓电压波形正弦性畸变率来表示。根据国家标准GB/T755-2019的规定，电压波形正弦性畸变率Ku可按下式算出：

　　u要求不超过5％；对于额定容量在10～300千伏安（kV·A）的发电机，Ku要点不超过10％。

　　      事实上，如果所拍摄电压波形曲线与其基波分量的最大瞬时偏差ΔE（如图5所示）不超过基波E1m的5％时，即可认为其是正弦波形，如图6所示。

　　      在三相系统中电势要对称，即要求各相电势幅值相等而相位相差120°电气角度。这就要求三相绕组中每相应具有相同的匝数，并且安置在恰当的位置上。按照GB/T 755-2019规定：多相机构中，如电压的负序和零序分量均不超过正序分量的2％时，即称为实际对称电压系统。国家标准要求三相发电机的输出电压能满足实际对称机构的要求。