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 发电机概述及工作原理 
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目录 
发电机 
1. 概述 
2. 结构及工作原理 
汽轮发电机 
水轮发电机 
风力发电机 
柴油发电机 
类型 
 
 
发电机 
 
  将机械能转变成电能的电机。通常由 汽轮机、 水轮机或 内燃机驱动。小型发电机也有用风车或其他机械经齿轮或皮带驱动的。 
 
发电机分为直流发电机和交流发电机两大类。后者又可分为同步发电机和异步发电机两种。现代发电站中最常用的是同步发电机。这种发电机的特点是由直流电流励磁,既能提供有功功率,也能提供无功功率,可满足各种负载的需要。异步发电机由于没有独立的励磁绕组,其结构简单,操作方便,但是不能向负载提供无功功率,而且还需要从所接电网中汲取滞后的磁化电流。因此异步发电机运行时必须与其他同步电机并联,或者并接相当数量的电容器。这限制了异步发电机的应用范围,只能较多地应用于小型自动化水电站。城市电车、电解、电化学等行业所用的直流电源,在20世纪50年代以前多采用直流发电机。但是直流发电机有换向器,结构复杂,制造费时,价格较贵,且易出故障,维护困难,效率也不如交流发电机。故大功率可控整流器问世以来,有利用 交流电源经半导体整流获得直流电以取代直流发电机的趋势。 
 
同步发电机按所用原动机的不同分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机 3种。它们结构上的共同点是除了小型电机有用永久磁铁产生磁场以外,一般的磁场都是由通直流电的励磁线圈产生,而且励磁线圈放在转子上,电枢绕组放在定子上。因为励磁线圈的电压较低,功率较小,又只有两个出线头,容易通过滑环引出;而电枢绕组电压较高,功率又大,多用三相绕组,有3个或4个引出头,放在定子上比较方便。发电机的电枢(定子)铁心用硅钢片叠成,以减少铁耗。转子铁心由于通过的磁通不变,可以用整体的钢块制成。在大型电机中,由于转子承受着强大的离心力,制造转子的材料必须选用优质钢材。 
 
发电机 
 
1. 概述 
 
  电能是现代社会最主要的能源之一。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备,它由水轮机、汽轮机、 柴油机或其他动力机械驱动,将水流,气流,燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机,再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产,国防,科技及日常生活中有广泛的用途。 
 
发电机的形式很多,但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此,其构造的一般原则是:用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路,以产生电磁功率,达到能量转换的目的。
 
发电机的分类可归纳如下: 
 
发电机 { 直流发电机、交流发电机 { 同步发电机、异步发电机(很少采用) 交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。
 
2. 结构及工作原理 
 
 发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。 
 
定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。 
 
转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。 
 
由轴承及端盖将发电机的定子,转子连接组装起来,使转子能在定子中旋转,做切割磁力线的运动,从而产生感应电势,通过接线端子引出,接在回路中,便产生了电流。 
 
汽轮发电机 
 
  与汽轮机配套的发电机。为了得到较高的效率,汽轮机一般做成高速的,通常为3000转/分(频率为50赫)或3600转/分(频率为60赫)。核电站中汽轮机转速较低,但也在1500转/分以上。高速汽轮发电机为了减少因 离心力而产生的机械应力以及降低风摩耗,转子直径一般做得比较小,长度比较大,即采用细长的转子。特别是在3000转/分以上的大容量高速机组,由于材料强度的关系,转子直径受到严格的限制,一般不能超过 1.2米。而转子本体的长度又受到临界速度的限制。当本体长度达到直径的6倍以上时,转子的第二临界速度将接近于电机的运转速度,运行中可能发生较大的振动。所以大型高速汽轮发电机转子的尺寸受到严格的限制。10万千瓦左右的空冷电机其转子尺寸已达到上述的极限尺寸,要再增大电机容量,只有靠增加电机的电磁负荷来实现。为此必须加强电机的冷却。所以 5~10万千瓦以上的汽轮发电机都采用了冷却效果较好的氢冷或水冷技术。70年代以来,汽轮发电机的最大容量已达到130~150万千瓦。从1986年以来,在高临界温度超导电材料研究方面取得了重大突破。超导技术可望在汽轮发电机中得到应用,这将在汽轮发电机发展史上产生一个新的飞跃。 
 
水轮发电机 
 
  由水轮机驱动的发电机。 
 
由于水电站自然条件的不同,水轮发电机组的容量和转速的变化范围很大。通常小型水轮发电机和冲击式水轮机驱动的高速水轮发电机多采用卧式结构,而大、中型代速发电机多采用立式结构(见图)。由于水电站多数处在远离城市的地方,通常需要经过较长输电线路向负载供电,因此,电力系统对水轮发电机的运行稳定性提出了较高的要求:电机参数需要仔细选择;对转子的转动惯量要求较大。所以,水轮发电机的外型与汽轮发电机不同,它的转子直径大而长度短。水轮发电机组起动、并网所需时间较短,运行调度灵活,它除了一般发电以外,特别适宜于作为调峰机组和事故备用机组。水轮发电机组的最大容量已达70万千瓦。 
 
 
 
由内燃机驱动的发电机。它起动迅速,操作方便。但内燃机发电成本较高,所以柴油发电机组主要用作应急备用电源,或在流动电站和一些大电网还没有到达的地区使用。柴油发电机转速通常在1000转/分以下,容量在几千瓦到几千千瓦之间,尤以200千瓦以下的机组应用较多。它制造比较简单。柴油机轴上输出的转矩呈周期性脉动,所以发电机是在剧烈振动的条件下工作。因此,柴油发电机的结构部件,特别是转轴要有足够的强度和刚度,以防止这些部件因振动而断裂。此外,为防止因转矩脉动而引起发电机旋转角速度不均匀,造成电压波动,引起灯光闪烁,柴油发电机的转子也要求有较大的转动惯量,而且应使轴系的固有扭振频率与柴油机的转矩脉动中任一交变分量的频率相差20%以上,以免发生共振,造成断轴事故。
 
柴油发电机组主要由柴油机、发电机和控制系统组成,柴油机和发电机有两种连接方式,一为柔性连接,即用连轴器把两部分对接起来,二为刚性连接,用高强度螺栓将发电机钢性连接片和柴油机飞轮盘连接而成,目前使用刚性连接比较多一些,柴油机和发电机连接好后安装在公共底架上,然后配上各种传感器,如水温传感器,通过这些传感器,把柴油机的运行状态显示给操作员,而且有了这些传感器,就可以设定一个上限,当达到或超过这个限定值时控制系统会预先报警,这个时候如果操作员没有采取措施,控制系统会自动将机组停掉,柴油发电机组就是采取这种方式起自我保护作用的。传感器起接收和反馈各种信息的作用,真正显示这些数据和执行保护功能的是机组本身的控制系统。 
 
风力发电机 
 
  是将风能转换为机械功的动力机械,又称风车。广义地说,它是一种以太阳为热源,以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。相对柴油发电要好的多。但是若应急来用的话,还是不如柴油发电机。风力发电不可视为备用电源,但是却可以长期利用。 
 
水利发电机是将水的动能和重力势能转换为机械功的动力机械。我国的三峡就是很好的例子。在发电这一块最好要数核能发电了,不过相对核能污染较大。所以我国现在广泛还是用煤炭发电。目前我国煤炭资源吃紧,煤炭价格一直在涨,这也是为什么现在会有电荒的出现的主要原因。 
 
柴油发电机 
 
  柴油机驱动发电机运转,将柴油的能量转化为电能。
 
在柴油机汽缸内,经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油 充分混合,在活塞上行的挤压下,体积缩小,温度迅速升高,达到柴油的燃点。柴油被点燃,混合气体剧烈燃烧,体积迅速膨胀,推动活塞下行,称为‘作功’。各汽缸按一定顺序依次作功,作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量,从而带动曲轴旋转。
 
将无刷同步交流发电机与柴油机曲轴同轴安装,就可以利用柴油机的旋转带动发电机的转子,利用‘电磁感应’原理,发电机就会输出感应电动势,经闭合的负载回路就能产生电流。 
 
类型 
 
  由于一次能源形态的不同,可以制成不同的发电机。
 
利用水利资源和水轮机配合,可以制成水轮发电机;由于水库容量和水头落差高低不同,可以制成容量和转速各异的水轮发电机。 
 
利用煤、石油等资源,和锅炉,涡轮蒸汽机配合,可以制成汽轮发电机,这种发电机多为高速电机(3000rpm)。 
 
此外还有利用风能、原子能、地热、潮汐等能量的各类发电机。 
 
此外,由于发电机工作原理不同又分作直流发电机,异步发电机和同步发电机。目前在广泛使用的大型发电机都是同步发电机。 
 
滚筒直流发电机使用注意事项 
 
  1、购买和使用发电机,应当符合铭牌上的技术要求,如电压,功率和额定输出电流等。例如用于丰收—27型拖拉机,东方红—40型拖拉机等,常用150瓦发电机,额定输出电流为13安;用于铁牛—55型拖拉机常用220瓦发电机,额定输出电流为18安。 
 
2、用于拖拉机上的发电机通常为并激式,也就是说发电机激磁线圈是并联的,所以,总要有一端通过机壳与电枢线圈是并联的,所以,总要有一端通过机壳与电枢线圈相接。若激磁线圈在发电机内通过机壳与电枢线圈相接叫内搭铁(图5—1),即叫“内搭铁发电机”;若激磁线圈在发电机外通过调节器搭铁(图5—2),即叫“外搭铁发电机”。国产拖拉机目前使用的直流发电机均为内搭铁。在接线时,一定要将激磁线圈的引出线与搭铁的碳刷架相接,激磁线圈便无电流通过,发电机不会发电。另外有些进口的拖拉机上使用外搭铁发电机,如果改为内搭铁发电机,只要调换发电机激磁线圈抽头接线即可。 
 
3、发电机壳上两个接线柱,一般均有“电枢”“磁场”字样注明。如文字标注不清,可用下述方法识别。 
 
1) 电枢接线柱:直径较粗;是接在绝缘的刷架上。
 
2) 磁场接线柱:直径较细;磁场线圈一个端头就按在上面。
 
4 、在拖拉机上的发电机是由发动机带动的,所以转动方向是一定的,在检修时若将发电机反向旋转就不发电,这是因为正转时电枢线圈在磁场的作用下感应出的电流经调节器与激磁线圈相通。激磁线圈通电后的磁场方向与铁芯剩磁方向相同,因而磁场不断增强,电压迅速升高。反转时电流方向与正转时相反,使激磁线圈通电后的磁场方向与铁芯剩磁方向相反,磁场越来越弱,使发电机不能发电。 
 
5、当发电机电枢不经负载短路时,发电杨是不会烧坏的。这是因为拖拉机上使用的直流发电机均为并激式。发电机于额定功率下工作时,电枢绕组产生的电流大部分输向外电路,小部分输入激磁绕组产生磁场。当电枢接线柱与机壳短路时,发电机电流迅速增大,此时在电机内产生很大的压降和强烈的电枢反应,使输出的电压急剧下降,激磁电流迅速消失,发电机电压趋近于零。因此,当电枢接线柱与机壳短路时不会烧坏发电机。 
 
6、在使用中有时发现发电机极性突然改变的现象(即发出的电流方向改变)。这是因为输出电流骤然增大时,电机内部强烈的电枢反应使铁芯剩磁方向改变而引起。遇到这种情况必须将其改变过来,才能使充电电路正常工作。改变的方法是:将蓄电池正极与机壳连接,负极与磁场接线柱相触2—3秒,即能改变磁极铁芯的剩磁方向。(在正极搭铁的系统中)。有时,在检修中用蓄电池做电源,用跳火花法检查激磁线圈故障时,如不注意连接的极性,把蓄电池负极当成搭铁极,改变了激磁线圈的电流方向,从而使铁芯剩磁方向改变了。由于剩磁方向的改变,则发电机电压极性也随之改变。这是应当注意的。 
 
7、一般的直流发电机整流子铜片间的云母片都低于铜片。这是因为铜片比云母片磨损速度快,使用一段时间云母片就会高出整流子铜片,使碳刷悬空。这样整流子和碳刷之间就会出现强烈火花。为避免此现象,整流子车光后应用锯片将云母割低于整流子铜片0.8毫米左右。但有的直流发电机如ZF—28型和ZF—33型,整流子铜片间采用人工云母,它与铜片磨损速度相近,故出厂时未将云母片割低,检修这种发电机就不需割低。

 
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