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發電機工作原理

發電機工作原理
  
  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。(這相當于發電機處于勻速運轉狀態)。當接通外電路時,電路中便會形成感應電流。(這相當于發電機處于運轉供電狀態)。
  
  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。這種按正弦曲線規律變化的電流(或電勢)就叫正弦交流電。
  
  在發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,同步電機分為發電機、電動機。發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,同步發電機分為旋轉電樞式和旋轉磁極式。
  
  大中容量同步發電機,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。電刷與軸上滑環滑動接觸,直流電流經過電刷、滑環通入勵磁繞組。
  
  (2)轉子
  
  轉子是由轉軸、轉子支架、輪環(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。各勵磁繞組串聯后接到滑環上。環與環,環與軸之間,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焊接而成,如圖4-52所示,阻尼繞組可改善同步發電機的運行性能,對同步電動機來說,它主要作起動繞組用。
  
  磁極固定在輪環上,磁極下部做成T尾,以便與輪環的T尾槽裝配。中小型電機也可用螺栓固定。大型電機輪環由厚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)發電機的主要參數
  
  發電機的銘牌上都給出了主要的額定值。為了保證發電機可靠運行,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,發電機能發出的最大功率。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——即發電機的相繞組數。常用的是三相交流同步發電機。
  
  根據上面的定義,對三相交流同步發電機來說,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)交流同步發電機工作原理
  
  簡單的轉磁式三相交流同步發電機如圖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/60轉。因此感應電勢每秒鐘變化pn/60次,即電勢的頻率為:
  
  國際規定,工業交流電的頻率為50Hz,因此,同步發電機的轉速n一電網頻率f之間具有嚴格的關系。當電網頻率一定時,同步發電機的轉速為一恒定值。為了保證發電機發出恒定頻率的交流電,在原動機上都裝有機械或電子調速器,實現轉速穩定。這是同步電機與異步電機的根本差別。
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