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发布日期：2018-09-18
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　　发电机工作原理
　　
一、电磁感应
　　
　　我们知道，一切物体都是由分子组成，分子由原子组成，原子又由原子核和在它周围旋转的电子组成。原子核带的是正电荷，电子带的是负电荷，互相吸引，并且电荷数量是相等的，故原子对外不呈现电性。
　　
　　取一根直导体，导体在磁场中作“切割”磁感应线的运动时，导体中就会产生感应电动势。这是因为导体在磁场内作“切割”磁感应线运动时，导体的正电荷、自由电子将以同样的速度在磁场内运动，磁场对运动电荷产生作用力，作用力的方向由左手定则判定，因此正电荷由导体b端移向a端，自由电子由导体的a端移向b端。结果b端聚集了电子而带负电，a端少了电子而带正电，使导体两端产生一定的电位差，即导体中产生感应电动势。（这相当于发电机处于匀速运转状态）。当接通外电路时，电路中便会形成感应电流。（这相当于发电机处于运转供电状态）。
　　
　　感应电动势的方向，可由右手定则来决定：即将右手掌放平，大拇指与四指垂直，以掌心迎向磁感应线，大拇指指向导体运动的方向，则四指的方向便是感应电动势的方向。直导体中感应电动势的大小则与磁感应强度B、导体运动速度v及导体长度L成正比，当导体运动的方向与磁场方向平行时，导体中不产生感应电动势。
　　
二、正弦交流电动势的产生
　　
　　产生正弦交流电动势的简单发电机示意图。
　　
　　我们把线图在各处位置电势的大小变化用图形来表示，就可以画出交流电的波形来。这种按正弦曲线规律变化的电流（或电势）就叫正弦交流电。
　　
　　在发电机转子上放着三个完全相同的、彼此相隔120°的独立绕组A—X、B—Y、C—Z。当转子在按正弦分布的磁场中以恒定速度旋转时，就可产生三个独立的对称三相电势eA、EB、EC。
　　
　　三、同步电机的基本工作原理
　　
　　（一）同步电机的分类
　　
　　按运行方式和功率转换方向，同步电机分为发电机、电动机。发电机将机械能转换成电能，电动机将电能转换为机械能。
　　
　　从结构特点来看，同步发电机分为旋转电枢式和旋转磁极式。
　　
　　大中容量同步发电机，磁极旋转、电枢静止，称为旋转磁极式。
　　
　　某些小容量同步发电机，电枢旋转、磁极静止，称为旋转电枢式。
　　
　　因为电枢电势通过集电环和电刷引出，大电流时容易产生火花和磨损。从制造工艺、绝级性能和工作可靠性等方面比较，容量愈大旋转磁极式的优越性愈多。旋转磁极式同步电机按磁极形状又可分为隐极式和凸极式两种。
　　
　　同步电机转子形式与转速有关。隐极式同步电机，制造工艺较复杂，但机械强度较高，宜用于高速。汽轮机是一种高速原动机，转速达3000r/min，汽轮发电机多为隐极式的。凸极式同步电机，结构较为简单，但机械强度较低，适用于低速。水轮机一般转速地1000r/min，因而水轮发电机皆为凸极式的。同步电动机和补偿机多为凸极式的。
　　
　　（二）同步电机的基本结构
　　
　　同步电机与异步电机一样，其结构基本由两部分构成，一是旋转部分为磁极称为转子，二是静止部分为电枢称为定子。。
　　
　　（1）定子
　　
　　定子称为电枢，所谓电枢，就是电机中产生感应电动势部分。它主要由定子铁心、三相定子绕组和机座等组成。定子铁心由扇形硅钢片叠成，每隔4~5cm留有通风沟，铁心两端放置压板，然后用双头螺栓从背部夹紧而成为一体，整个铁心固定在机座内定位筋上，且在机座外壳与铁心外圆之间留有通风道。在铁心内圆的槽中安放定子绕组并用槽楔压紧。电枢绕组由绝缘的铜导体绕成，按照电机的不同额定电压，用云母带或棉纱带包扎。槽与绕组之间垫有绝缘。定子端盖上装有电刷架，由石墨制成的电刷装在刷架上的刷握内。电刷与轴上滑环滑动接触，直流电流经过电刷、滑环通入励磁绕组。
　　
　　（2）转子
　　
　　转子是由转轴、转子支架、轮环（即磁轭）、磁极和励磁绕组等组成。磁极由厚为1~5mm的钢板冲片叠成，在磁极两个端面上装有磁极压板，用铆钉铆装为一体。励磁绕组套装在磁极上，它多用扁铜线绕成，每匝绕组之间垫有石棉纸板绝缘。绕组经浸胶与热压处理，成为坚固整体。绕组与磁极之间绝缘。各励磁绕组串联后接到滑环上。环与环，环与轴之间，相互绝缘。
　　
　　凸极式同步电机在磁极上还装有阻尼绕组，它同感应电动机的笼型结构相似，整个阻尼绕组由插入磁极阻尼槽中的裸铜条和端面的铜环焊接而成，如图4-52所示，阻尼绕组可改善同步发电机的运行性能，对同步电动机来说，它主要作起动绕组用。
　　
　　磁极固定在轮环上，磁极下部做成T尾，以便与轮环的T尾槽装配。中小型电机也可用螺栓固定。大型电机轮环由厚2~2.5mm钢板冲成扇形片叠成，中小型电机磁轭常用整块钢板冲片叠成或用铸钢制成。转子由转子支架支撑，转子支架应有足够的强度。
　　
　　（3）发电机的主要参数
　　
　　发电机的铭牌上都给出了主要的额定值。为了保证发电机可靠运行，必须严格遵守这些参数。
　　
　　额定功率PN——在额定运行（额定电压、电流、频率和功率因数）条件下，发电机能发出的最大功率。单位为KW，也有用视在功率表示的，此时以KVA为单位。
　　
　　额定电压UN——在额定运行条件下，电机定子三相线电压值，单位为V或KV。
　　
　　额定电流IN——额定运行时，流过定子绕组的线电流，单位为A或KA。在此值运行，线圈的温升不会超过允许范围。
　　
　　功率因数——额定运行情况下，有功功率和视在功率的比值，即：
　　
　　一般电机的。
　　
　　额定频率f——额定运行情况下输出交流电的频率。我国电网的频率为50Hz。
　　
　　额定转速nN——额定运行时转子的转速，单位为r/min。
　　
　　相数m——即发电机的相绕组数。常用的是三相交流同步发电机。
　　
　　根据上面的定义，对三相交流同步发电机来说，额定电压、额电电流和额定功率之间有下面关系：
　　
　　此外，铭牌上还有其他运行数据，例如额定负载时的温升（TN）、额定励磁电流（IfN）、额定励磁电压（UfN）等。
　　
　　三）交流同步发电机工作原理
　　
　　简单的转磁式三相交流同步发电机如图1-8-14所示。直流励磁机供给的直流电流通过电刷和滑环输入励磁绕组（也叫转子组），以产生磁场。在定五子槽里放着三个结构相同的绕组AX、BY、CZ（A、B、C为绕组始端，X、Y、Z为绕组末端）。三个绕组的空间位置互差120°电角度。
　　
　　励磁机
　　
　　当原动机拖动电机转子和励磁机旋转时，励磁机输出的直流电流流入转子绕组，产生旋转磁场，磁场切割三相绕组，产生三个频率相同、幅值相等、相应差为120°的电动势。设磁极磁场的磁通密度沿定于子圆周按正弦规律分布，相电势的最大值为Em，A相电势的初相角为零。
　　
　　当转子磁极为一对时，转子旋转一周，绕组中感应电势正好变化一次。电机具有p对磁极时，转子旋转一周，感应电势变化p次。设转子每分钟转为n，则转子每秒钟旋转n/60转。因此感应电势每秒钟变化pn/60次，即电势的频率为：
　　
　　国际规定，工业交流电的频率为50Hz，因此，同步发电机的转速n一电网频率f之间具有严格的关系。当电网频率一定时，同步发电机的转速为一恒定值。为了保证发电机发出恒定频率的交流电，在原动机上都装有机械或电子调速器，实现转速稳定。这是同步电机与异步电机的根本差别。

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