第2章 农村常用小型发电设备
2.1 常用小型发电机
2.1.1 小型同步发电机
（1）小型同步发电机的结构
三相交流同步发电机由定子、转子、风扇、前端盖、后端盖、出线盒等组成，如图2-1所示。
图2-1 小型同步发电机结构
1—前端盖；2—转轴；3—前轴承；4—风扇；5—磁极铁芯；6—磁极螺钉；7—励磁绕组；8—集电环；9—后轴承盖；10—轴承；11—定子绕组；12—定子铁芯；13—机座；14—接线端子；15—吊环；16—铭牌；17—旋转方向箭头；18—接地螺钉；19—后端盖；20—防护罩；21—接线盒盖
小型同步发电机的接线盒装在发电机机座的右侧，盒内有八个接线柱。四个较粗的接线柱表示中线和三根相线（俗称火线），标记为U、V、W、N；四个较细的接线柱标有L1、L2、S1、S2，其中L1、L2是励磁线圈的输入导线，S1、S2是谐波绕组的输出导线。有的电机出线盒内还装有四只硅整流元件组成的桥式整流电路，将谐波绕组中感应的电动势经整流后变为直流电供给发电机的励磁绕组。
（2）同步发电机的工作原理
图2-2是一台三相交流同步发电机工作原理的示意图。它的转子是一对磁极，定子铁芯槽中分别嵌有U、V、W三相定子绕组，U1、V1、W1分别为三相绕组的首端，U2、V2、W2分别为三相绕组的末端，三相绕组沿定子铁芯的内圆各相差120°电角度放置。（注：U、V、W三相定子绕组分别对应于电工原理中的A、B、C三相；U1、V1、W1分别对应于三相绕组的首端A、B、C；U2、V2、W2分别三相绕组的末端X、Y、Z）。
图2-2 三相交流同步发电机的工作原理
1—转轴；2—机座；3—定子铁芯；4—定子绕组；5—磁极铁芯；6—励磁绕组；7—集电环；8—电刷；9—直流电源
发电机的转子由原动机（如汽轮机或水轮机等）带动旋转，当直流电经电刷、集电环通入励磁绕组后，转子就会产生磁场。由于转子是在不停地旋转着的，所以这个磁场就成为一个旋转磁场。它与静止的定子绕组间形成相对运动，相当于定子绕组的导体在不断地切割磁力线，于是在定子绕组中就会感应出交流电动势来。由于在设计和制造发电机时，有意安排尽量使磁极磁场的气隙磁通密度的大小沿圆周按正弦规律分布，所以，每根导体中感应出来的电动势的大小，也随着时间按正弦规律变化。
转子不停地旋转，磁场的磁力线被U、V、W三相定子绕组切割，于是就在三相绕组中感应出三相交流电来。
由于转子磁极的轴线处磁通密度最高（即磁力线最密），所以，当某相绕组的导体正对着磁极的轴线时，该相绕组中的感应电动势就达到最大值。由于三相绕组在空间互隔120°电角度，所以，三相绕组的电动势不能同时达到最大值，而是按照转子的旋转方向，即按图2-2中的箭头n所示的方向，先是U相达到最大值，然后是V相达到最大值，最后是W相达到最大值，如此循环下去。三相电动势随时间变化的规律如图2-3所示。
图2-3 三相电动势的波形
2.1.2 永磁交流同步发电机
（1）永磁同步发电机的特点
①由于省去了励磁绕组和容易出问题的集电环和电刷，结构较为简单，加工和装配费用减少，运行更为可靠。
②由于省去了励磁损耗，电机效率得以提高。
③制成后难以调节磁场以控制其输出电压和功率因数。随着电力电子器件性能价格比的不断提高，目前正逐步采用可控整流器和变频器来调节电压。
④采用稀土永磁材料的永磁同步发电机，制造成本比较高。
永磁同步发电机的应用领域广阔，功率大的如航空、航天用主发电机、大型火电站用副励磁机，功率小的如汽车、拖拉机用发电机、小型风力发电机、微型水力发电机、小型柴油（或汽油）发电机组等都广泛使用各种类型的永磁同步发电机。
（2）永磁同步发电机的工作原理
永久磁铁在经过外界磁场的预先磁化以后，在没有外界磁场的作用下，仍能保持很强的磁性，并且具有N、S两极性和建立外磁场的能力。因此，可以采用永久磁铁取代交流同步发电机的电励磁。这种采用永久磁铁作为励磁的交流同步发电机，称为永磁交流同步发电机。
为了说明以上原理，取一块最简单的矩形永久磁铁，两端加工成圆弧形。如果先将磁铁放置在外界磁场中沿长度方向（圆弧直径方向）充磁，则充磁后的磁铁呈现出径向的N—S两个极性，如图2-4所示。现在把这块永磁转子装入交流同步电机的定子中，电机的气隙中就出现主磁通，于是就成为永磁交流同步电机。如果用原动机拖动永磁转子旋转，便成为一台永磁交流同步发电机。由此可知，永久磁铁替代了电磁式交流同步发电机的励磁绕组和磁极铁芯。
图2-4 永磁同步发电机的结构
1—转轴；2—机座；3—定子铁芯；4—定子绕组；5—永磁转子（二极）
2.1.3 常用小型发电机的技术数据
（1）T2系列三相交流同步发电机
T2系列系小型三相同步发电机，采用自励恒压励磁系统。T2系列三相同步发电机的技术数据见表2-1。
表2-1 T2系列三相交流同步发电机的技术数据
（2）TFW系列无刷三相交流同步发电机
TFW系列无刷三相交流同步发电机是在T2系列基础上发展起来的更新换代产品，通常与柴油机配套组成柴油发电机或移动电站。TFW系列无刷三相交流同步发电机技术数据见表2-2。
表2-2 TFW系列无刷三相交流同步发电机技术数据（400V、50Hz）
（3）TFDW系列单相交流无刷同步发电机
TFDW系列单相交流无刷同步发电机技术数据见表2-3。
2.1.4 常用小型发电机的使用
（1）发电机的安装
发电机一般安装在水泥礅上。水泥礅的面积应根据发电机底脚的大小而定，高度要视原动机和发电机之间的拖动情况而定，但通常不应低于120mm。在砌礅时，要预先安放四根底脚螺钉。螺钉与螺钉之间的纵横距离，必须根据发电机的底脚螺孔距离而定。为了安全和可靠起见，从发电机通往开关控制板的电线，要穿套钢管，并应把钢管埋在200mm深的地下，同时要予以接地。
（2）试车前的准备
①检查各部线路接线是否正确，并应特别注意各连接部分是否紧密可靠。检查熔丝和连接发电机导线的截面积是否与铭牌上或技术特性中的额定电流相符合，并了解负荷性质。
②吹净积尘，电机进出风口必须通畅无杂物堵塞。
③集电环、电刷应紧固，集电环表面应清洁，电刷压力应适当（一般要求为1960～2450N/cm2），并且接触良好。
④检查发电机安装是否正确，转动是否平稳，与原动机连接是否可靠，慢慢转动发电机转子，应该灵活无异常声音。
⑤检查负荷是否断开，也就是说连接发电机的一切负荷开关都需断开。
⑥测量发电机各绕组绝缘电阻。用500V兆欧表测量，绕组对地绝缘电阻应不小于1MΩ。测量时应将各个回路之间的电气连接全部断开。整流管、电容器等应从所有电路中断开。如绝缘电阻太低时，须查明原因排除故障，如系受潮应予以烘干。
⑦发电机接地标志处应接好保护地线，连接必须牢固，接触必须良好。
（3）试车的步骤
①先做空载低速运转。断开所有开关，启动原动机，使机组低速运行。观察内部有无碰撞，运转声音是否正常，振动是否超过要求。如有异常现象应停机进行检查。
②空载额定转速运行。空载低速运行一段时间，如果情况正常则将转速升到额定值后再进行观察。可空载运转2～3h，轴承温升应不超过额定值，同时观察电刷、集电环接触是否良好。
③机组带负荷运行。原动机拖动发电机至额定转速时，发电机即能靠剩磁自励建立电压。这时磁场变阻器（即励磁调节电阻）可放在电压升高位置（与励磁绕组并接时即应将变阻器放在电阻最大位置），以利于自动起励。在发电机达到额定转速时，发电机的空载电压应为400V，如偏低或偏高，可调节磁场变阻器。合上发电机与线路连接开关，逐渐增加负荷，最后应使发电机满载运行。运行中，根据负载变化调节原动机的转速，使频率维持额定值。
④停车。逐渐降低原动机出力，同时调节磁场变阻器，减少励磁电流，以保证电压不升高。当发电机负载全减时，断开发电机与线路连接开关，使原动机停止运转，停车后，要立即检查电机绕组、硅元件、磁场变阻器、连接导线以及有关接触部分的发热状况、接触状况，观察有无异常现象，判断发电机的运行和线路安装是否合乎要求，有了问题应立即研究解决。
在启动或运行中出现不正常情况时，必须随时停车检查，待查明原因排除故障后才能再行试车。
（4）发电机的运行
①配电盘上各种仪表的指示，不应高于技术规格或铭牌上所规定的数值，特别是电流表和电压表的数值。
②轴承的温度，一般不允许比周围空气的温度高出60℃。如用手摸轴承盖以不烫手为原则。
③发电机的温度上升情况。其发电机绕组上的温度不应高于允许值（即额定温升与室温之和）。
④机组是否安放平稳，防止振动，随时监听运转声音是否正常。
⑤如发电机没有自动电压调整器，遇到负载变化时，应特别注意，须及时调整变阻器，使电压保持平稳。否则电压变动太大，突增突减，易损坏电机，烧毁线路。
⑥要保持集电环光滑清洁，无擦伤及烧痕，并经常检查和擦拭。
⑦要经常检查电刷磨损情况。电刷破损或磨损过多均须及时更换。新换电刷的磨合按照接触部位顺集电环旋转方向进行，换后须调整好电刷的压力。
⑧要检查轴承及轴承润滑脂，隔一定时间应对轴承进行清洗、换油。
⑨要定期检查各线圈部分的绝缘电阻，如绝缘过低须查明原因，如为变潮应予以烘干。还要检查磁极线圈有否变形，极间连接线是否松动等，如有问题须及时处理。
⑩要经常检查各接触部分是否良好，风扇是否紧固。否则应予以调整、紧固。
2.1.5 常用小型发电机常见故障及其排除方法
发电机是电站的主要设备，一旦发生事故，将直接影响生产。运行中必须注意检查，发现故障后，应认真分析原因，及时处理，确保发电机正常运行。
（1）同步发电机常见故障及其处理方法（见表2-4）
表2-4 同步发电机常见故障及其处理方法
（2）无刷同步发电机常见故障及其处理方法（见表2-5）
表2-5 无刷同步发电机常见故障及其处理方法
