各種發(fā)電機的工作原理

    <一> 發(fā)電機概述   
    發(fā)電機是將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的機械設(shè)備，它由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅(qū)動，將水流，氣流，燃料燃燒或原子核裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機械能傳給發(fā)電機，再由發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，國防，科技及日常生活中有廣泛的用途。   
    發(fā)電機的形式很多，但其工作原理都基于電磁感應定律和電磁力定律。因此，其構(gòu)造的一般原則是：用適當?shù)膶Т藕蛯щ姴牧蠘?gòu)成互相進行電磁感應的磁路和電路，以產(chǎn)生電磁功率，達到能量轉(zhuǎn)換的目的。   
    發(fā)電機已實施出口產(chǎn)品質(zhì)量許可制度，未取得出口質(zhì)量許可證的產(chǎn)品不準出口。   
<二>發(fā)電機的分類可歸納如下：   
    發(fā)電機分：直流發(fā)電機和交流發(fā)電機   
    交流發(fā)電機分：同步發(fā)電機和異步發(fā)電機(很少采用)   
    交流發(fā)電機還可分為單相發(fā)電機與三相發(fā)電機。   
<三>發(fā)電機結(jié)構(gòu)及工作原理   
    發(fā)電機通常由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋及軸承等部件構(gòu)成。   
    定子由定子鐵芯、線包繞組、機座以及固定這些部分的其他結(jié)構(gòu)件組成。   
    轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯(或磁極、磁扼)繞組、護環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)、風扇及轉(zhuǎn)軸等部件組成。   
    由軸承及端蓋將發(fā)電機的定子，轉(zhuǎn)子連接組裝起來，使轉(zhuǎn)子能在定子中旋轉(zhuǎn)，做切割磁力線的運動，從而產(chǎn)生感應電勢，通過接線端子引出，接在回路中，便產(chǎn)生了電流。   
    柴油發(fā)電機工作原理   
    柴油機驅(qū)動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，將柴油的能量轉(zhuǎn)化為電能。   
    在柴油機汽缸內(nèi)，經(jīng)過空氣濾清器過濾后的潔凈空氣與噴油嘴噴射出的高壓霧化柴油充分混合，在活塞上行的擠壓下，體積縮小，溫度迅速升高，達到柴油的燃點。柴油被點燃，混合氣體劇烈燃燒，體積迅速膨脹，推動活塞下行，稱為‘作功’。各汽缸按一定順序依次作功，作用在活塞上的推力經(jīng)過連桿變成了推動曲軸轉(zhuǎn)動的力量，從而帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。   
    將無刷同步交流發(fā)電機與柴油機曲軸同軸安裝，就可以利用柴油機的旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，利用‘電磁感應’原理，發(fā)電機就會輸出感應電動勢，經(jīng)閉合的負載回路就能產(chǎn)生電流。   
    這里只描述發(fā)電機組最基本的工作原理。要想得到可使用的、穩(wěn)定的電力輸出，還需要一系列的柴油機和發(fā)電機控制、保護器件和回路。  
    汽油機驅(qū)動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，將汽油的能量轉(zhuǎn)化為電能。   
    在汽油機汽缸內(nèi)，混合氣體劇烈燃燒，體積迅速膨脹，推動活塞下行作功。各汽缸按一定順序依次作功，作用在活塞上的推力經(jīng)過連桿變成了推動曲軸轉(zhuǎn)動的力量，從而帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。將無刷同步交流發(fā)電機與汽油機曲軸同軸安裝，就可以利用汽油機的旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，利用‘電磁感應’原理，發(fā)電機就會輸出感應電動勢，經(jīng)閉合的負載回路就能產(chǎn)生電流。         
    · 主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。   
    · 載流導體：三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應電勢或者感應電流的載體。   
    · 切割運動：原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導體反向切割勵磁磁場）。   
    · 交變電勢的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。  
    直流發(fā)電機的工作原理   
    直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應產(chǎn)生的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑怼?  
    電刷上不加直流電壓，用原動機拖動電樞使之逆時針方向恒速轉(zhuǎn)動，線圈兩邊就分別切割不同極性磁極下的磁力線，而在其中感應產(chǎn)生電動勢，電動勢方向按右手定則確定。這種電磁情況表示在圖上。由于電樞連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，，因此，必須使載流導體在磁場中所受到線圈邊ab和cd交替地切割N極和S極下的磁力線，雖然每個線圈邊和整個線圈中的感應電動勢的方向是交變的．線圈內(nèi)的感應電動勢是一種交變電動勢，而在電刷A，B端的電動勢卻為直流電動勢(說得確切一些，是一種方向不變的脈振電動勢)。因為，電樞在轉(zhuǎn)動過程中，無論電樞轉(zhuǎn)到什么位置，由于換向器配合電刷的換向作用，電刷A通過換向片所引出的電動勢始終是切割N極磁力線的線圈邊中的電動勢，因此，電刷A始終有正極性。同樣道理，電刷B始終有負極性，所以電刷端能引出方向不變的但大小變化的脈振電動勢。如每極下的線圈數(shù)增多，可使脈振程度減小，就可獲得直流電動勢。這就是直流發(fā)電機的工作原理。同時也說明子直流發(fā)電機實質(zhì)上是帶有換向器的交流發(fā)電機。   
    從基本電磁情況來看，一臺直流電機原則上既可工作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行，只是約束的條件不同而已。在直流電機的兩電刷端上，加上直流電壓，將電能輸入電樞，機械能從電機軸上輸出，拖動生產(chǎn)機械，將電能轉(zhuǎn)換成機械能而成為電動機，如用原動機拖動直流電機的電樞，而電刷上不加直流電壓，則電刷端可以引出直流電動勢作為直流電源，可輸出電能，電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能而成為發(fā)電機。同一臺電機，能作電動機或作發(fā)電機運行的這種原理．在電機理論中稱為可逆原理。   
    汽輪發(fā)電機原理   
    蒸汽機利用高溫高壓的蒸汽膨脹做功，通過連桿、曲柄將活塞的往復運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鬏S的旋轉(zhuǎn)運動，帶動發(fā)電機發(fā)電。   
    蒸汽輪機是用蒸汽來推動輪機轉(zhuǎn)動的，它運轉(zhuǎn)的基本原理和常見的風車相似，蒸汽輪機是由一個中央很厚的鋼盤及鋼盤外沿有很多密排的葉片組成的主體結(jié)構(gòu)。從鍋爐里出來的高壓過熱蒸汽從噴嘴噴到葉片上時，輪機就轉(zhuǎn)動起來，蒸汽速度越大，輪機轉(zhuǎn)動得越快（也就是蒸汽的內(nèi)能在噴射中變成蒸汽的動能，它的動能又轉(zhuǎn)變?yōu)闄C軸旋轉(zhuǎn)的機械能）。  
    水輪發(fā)電機的安裝結(jié)構(gòu)形式通常由水輪機的型式確定。主要有以下幾種型式:   
    1)臥式結(jié)構(gòu) 臥式結(jié)構(gòu)的水輪發(fā)電機通常有沖擊式水輪機驅(qū)動。   
    2)立式結(jié)構(gòu) 國產(chǎn)水輪發(fā)電機組廣泛采用立式結(jié)構(gòu)。立式水輪發(fā)電機組通常由混流式或軸流式水輪機驅(qū)動。立式結(jié)構(gòu)又可分為懸式和傘式。發(fā)電機推力軸承位于轉(zhuǎn)子上部的統(tǒng)稱為懸式,位于轉(zhuǎn)子下部的統(tǒng)稱為傘式。   
    3)貫流式結(jié)構(gòu) 貫流式水輪發(fā)電機組由貫流式水輪機驅(qū)動。貫流式水輪機是一種帶有固定或可調(diào)轉(zhuǎn)輪葉片的軸流式水輪機的特殊型式。它的主要特征是轉(zhuǎn)輪軸線采取水平或傾斜布置,并與水輪機進水管和出水管水流方向一致。貫流式水輪發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕的優(yōu)點,廣泛用于低水頭的電站中。    
    新型水冷式交流發(fā)電機原理和應用   
    水冷式交流發(fā)電機利用水來代替風扇進行冷卻。交流發(fā)電機主要的發(fā)熱部位是定子，水冷式交流發(fā)電機重點冷卻部分就是定子及線圈繞組。發(fā)電機的前端蓋和后端蓋用鋁材制造，開有水道槽。定子及線圈繞組用合成樹脂固定密封，定子與轉(zhuǎn)子之間有鋁質(zhì)圍板與水道隔離。水道與進水管和出水管連通，進水管和出水管分別與發(fā)動機冷卻水系統(tǒng)連通。   
    這樣，當發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，冷卻水在發(fā)動機水泵的帶動下循環(huán)流動，通過發(fā)電機殼體，可以有效地冷卻定子線圈繞組、定子鐵芯，同時也冷卻轉(zhuǎn)子、內(nèi)藏式調(diào)節(jié)器和軸承等其它發(fā)熱零部件。   
    水冷式交流發(fā)電機與風冷式交流發(fā)電機相比，內(nèi)部構(gòu)造復雜了，防漏密封要求提高了，成本也會增加。同時因聯(lián)接水管的問題，安裝布置也受到諸多限制，自由度減少了。但是，水冷式交流發(fā)電機的發(fā)電及低噪聲性能，是風冷式交流發(fā)電機無法比擬的。   
    首先，水冷式交流發(fā)電機具有良好的低速充電特性。我們知道，在交流發(fā)電機的電流特性曲線上有一個“拐點”，即超過所謂“0安培速度”之后才會有電流產(chǎn)生，電流上升到一定程度才能充電。在哪個轉(zhuǎn)速以上才出現(xiàn)“拐點”和達到可充電電流與勵磁電流的大小相關(guān)。   
    由于水冷式交流發(fā)電機大幅度抑制了定子、轉(zhuǎn)子及調(diào)節(jié)器的溫升，可以相應提高勵磁電流，勵磁電流越大輸出電壓也越高，因此當水冷式交流發(fā)電機低速轉(zhuǎn)動時也會有良好的充電表現(xiàn)，這種低速充電性能對城市用車的正常使用相當重要。   
    第二，水冷式交流發(fā)電機具有低噪聲。由于省略了風扇，所以不存在發(fā)電機風扇發(fā)出的噪聲。據(jù)介紹在3500轉(zhuǎn)/分時，水冷式交流發(fā)電機與風冷式交流發(fā)電機相比，噪聲要低15分貝。   
    水冷式交流發(fā)電機的優(yōu)點被看好，認為是汽車發(fā)電機的發(fā)展方向。有人認為在12伏特汽車中，2500瓦以下適宜用風冷式交流發(fā)電機，2500瓦以上或者42伏特電系適宜用水冷式交流發(fā)電機。

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