發(fā)電機基本工作原理

發(fā)電機工作原理來源：中國綠色數據中心作者：\o"此看此作者所有的文章"機房360更新時間：2009/7/1615:34:25摘要：我們知道，一切物體都是由分子組成，分子由原子組成，原子又由原子核和在它周圍旋轉的電子組成。原子核帶的是正電荷，電子帶的是負電荷，互相吸引，并且電荷數量是相等的，故原子對外不呈現(xiàn)電性。取一根直導體，導體在磁場中作“切割”磁感應線的運動時，導體中就會產生感應電動勢。發(fā)電機工作原理

一、電磁感應

我們知道，一切物體都是由分子組成，分子由原子組成，原子又由原子核和在它周圍旋轉的電子組成。原子核帶的是正電荷，電子帶的是負電荷，互相吸引，并且電荷數量是相等的，故原子對外不呈現(xiàn)電性。

取一根直導體，導體在磁場中作“切割”磁感應線的運動時，導體中就會產生感應電動勢。這是因為導體在磁場內作“切割”磁感應線運動時，導體的正電荷、自由電子將以同樣的速度在磁場內運動，磁場對運動電荷產生作用力，作用力的方向由左手定則判定，因此正電荷由導體b端移向a端，自由電子由導體的a端移向b端。結果b端聚集了電子而帶負電，a端少了電子而帶正電，使導體兩端產生一定的電位差，即導體中產生感應電動勢。（這相當于發(fā)電機處于勻速運轉狀態(tài)）。當接通外電路時，電路中便會形成感應電流。（這相當于發(fā)電機處于運轉供電狀態(tài)）。

感應電動勢的方向，可由右手定則來決定：即將右手掌放平，大拇指與四指垂直，以掌心迎向磁感應線，大拇指指向導體運動的方向，則四指的方向便是感應電動勢的方向。直導體中感應電動勢的大小則與磁感應強度B、導體運動速度v及導體長度L成正比，當導體運動的方向與磁場方向平行時，導體中不產生感應電動勢。

二、正弦交流電動勢的產生

產生正弦交流電動勢的簡單發(fā)電機示意圖。

我們把線圖在各處位置電勢的大小變化用圖形來表示，就可以畫出交流電的波形來。這種按正弦曲線規(guī)律變化的電流（或電勢）就叫正弦交流電。

在發(fā)電機轉子上放著三個完全相同的、彼此相隔120°的獨立繞組A—X、B—Y、C—Z。當轉子在按正弦分布的磁場中以恒定速度旋轉時，就可產生三個獨立的對稱三相電勢eA、EB、EC。

三、同步電機的基本工作原理

（一）同步電機的分類

按運行方式和功率轉換方向，同步電機分為發(fā)電機、電動機。發(fā)電機將機械能轉換成電能，電動機將電能轉換為機械能。

從結構特點來看，同步發(fā)電機分為旋轉電樞式和旋轉磁極式。

大中容量同步發(fā)電機，磁極旋轉、電樞靜止，稱為旋轉磁極式。

某些小容量同步發(fā)電機，電樞旋轉、磁極靜止，稱為旋轉電樞式。

因為電樞電勢通過集電環(huán)和電刷引出，大電流時容易產生火花和磨損。從制造工藝、絕級性能和工作可靠性等方面比較，容量愈大旋轉磁極式的優(yōu)越性愈多。旋轉磁極式同步電機按磁極形狀又可分為隱極式和凸極式兩種。

同步電機轉子形式與轉速有關。隱極式同步電機，制造工藝較復雜，但機械強度較高，宜用于高速。汽輪機是一種高速原動機，轉速達3000r/min，汽輪發(fā)電機多為隱極式的。凸極式同步電機，結構較為簡單，但機械強度較低，適用于低速。水輪機一般轉速地1000r/min，因而水輪發(fā)電機皆為凸極式的。同步電動機和補償機多為凸極式的。

（二）同步電機的基本結構

同步電機與異步電機一樣，其結構基本由兩部分構成，一是旋轉部分為磁極稱為轉子，二是靜止部分為電樞稱為定子。。

（1）定子

定子稱為電樞，所謂電樞，就是電機中產生感應電動勢部分。它主要由定子鐵心、三相定子繞組和機座等組成。定子鐵心由扇形硅鋼片疊成，每隔4~5cm留有通風溝，鐵心兩端放置壓板，然后用雙頭螺栓從背部夾緊而成為一體，整個鐵心固定在機座內定位筋上，且在機座外殼與鐵心外圓之間留有通風道。在鐵心內圓的槽中安放定子繞組并用槽楔壓緊。電樞繞組由絕緣的銅導體繞成，按照電機的不同額定電壓，用云母帶或棉紗帶包扎。槽與繞組之間墊有絕緣。定子端蓋上裝有電刷架，由石墨制成的電刷裝在刷架上的刷握內。電刷與軸上滑環(huán)滑動接觸，直流電流經過電刷、滑環(huán)通入勵磁繞組。

（2）轉子

轉子是由轉軸、轉子支架、輪環(huán)（即磁軛）、磁極和勵磁繞組等組成。磁極由厚為1~5mm的鋼板沖片疊成，在磁極兩個端面上裝有磁極壓板，用鉚釘鉚裝為一體。勵磁繞組套裝在磁極上，它多用扁銅線繞成，每匝繞組之間墊有石棉紙板絕緣。繞組經浸膠與熱壓處理，成為堅固整體。繞組與磁極之間絕緣。各勵磁繞組串聯(lián)后接到滑環(huán)上。環(huán)與環(huán)，環(huán)與軸之間，相互絕緣。

凸極式同步電機在磁極上還裝有阻尼繞組，它同感應電動機的籠型結構相似，整個阻尼繞組由插入磁極阻尼槽中的裸銅條和端面的銅環(huán)焊接而成，如圖4-52所示，阻尼繞組可改善同步發(fā)電機的運行性能，對同步電動機來說，它主要作起動繞組用。

磁極固定在輪環(huán)上，磁極下部做成T尾，以便與輪環(huán)的T尾槽裝配。中小型電機也可用螺栓固定。大型電機輪環(huán)由厚2~2.5mm鋼板沖成扇形片疊成，中小型電機磁軛常用整塊鋼板沖片疊成或用鑄鋼制成。轉子由轉子支架支撐，轉子支架應有足夠的強度。

（3）發(fā)電機的主要參數

發(fā)電機的銘牌上都給出了主要的額定值。為了保證發(fā)電機可靠運行，必須嚴格遵守這些參數。

額定功率PN——在額定運行（額定電壓、電流、頻率和功率因數）條件下，發(fā)電機能發(fā)出的最大功率。單位為KW，也有用視在功率表示的，此時以KVA為單位。

額定電壓UN——在額定運行條件下，電機定子三相線電壓值，單位為V或KV。

額定電流IN——額定運行時，流過定子繞組的線電流，單位為A或KA。在此值運行，線圈的溫升不會超過允許范圍。

功率因數——額定運行情況下，有功功率和視在功率的比值，即：

一般電機的。

額定頻率f——額定運行情況下輸出交流電的頻率。我國電網的頻率為50Hz。

額定轉速nN——額定運行時轉子的轉速，單位為r/min。

相數m——即發(fā)電機的相繞組數。常用的是三相交流同步發(fā)電機。

根據上面的定義，對三相交流同步發(fā)電機來說，額定電壓、額電電流和額定功率之間有下面關系：

此外，銘牌上還有其他運行數據，例如額定負載時的溫升（TN）、額定勵磁電流（IfN）、額定勵磁電壓（UfN）等。

三）交流同步發(fā)電機工作原理

簡單的轉磁式三相交流同步發(fā)電機如圖1-8-14所示。直流勵磁機供給的直流電流通過電刷和滑環(huán)輸入勵磁繞組（也叫轉子組），以產生磁場。在定五子槽里放著三個結構相同的繞組AX、BY、CZ（A、B、C為繞組始端，X、Y、Z為繞組末端）。三個繞組的空間位置互差120°電角度。

勵磁機

當原動機拖動電機轉子和勵磁機旋轉時，勵磁機輸出的直流電流流入轉子繞組，產生旋轉磁場，磁場切割三相繞組，產生三個頻率相同、幅值相等、相應差為120°的電動勢。設磁極磁場的磁通密度沿定于子圓周按正弦規(guī)律分布，相電勢的最大值為Em，A相電勢的初相角為零。

當轉子磁極為一對時，轉子旋轉一周，繞組中感應電勢正好變化一次。電機具有p對磁極時，轉子旋轉一周，感應電勢變化p次。設轉子每分鐘轉為n，則轉子每秒鐘旋轉n/6