各種發(fā)電機(jī)的工作原理

    <一> 發(fā)電機(jī)概述   
    發(fā)電機(jī)是將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的機(jī)械設(shè)備，它由水輪機(jī)、汽輪機(jī)、柴油機(jī)或其他動(dòng)力機(jī)械驅(qū)動(dòng)，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(jī)械能傳給發(fā)電機(jī)，再由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，國(guó)防，科技及日常生活中有廣泛的用途。   
    發(fā)電機(jī)的形式很多，但其工作原理都基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律。因此，其構(gòu)造的一般原則是：用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)磁和導(dǎo)電材料構(gòu)成互相進(jìn)行電磁感應(yīng)的磁路和電路，以產(chǎn)生電磁功率，達(dá)到能量轉(zhuǎn)換的目的。   
    發(fā)電機(jī)已實(shí)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(zhǔn)出口。   
<二>發(fā)電機(jī)的分類(lèi)可歸納如下：   
    發(fā)電機(jī)分：直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)   
    交流發(fā)電機(jī)分：同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)(很少采用)   
    交流發(fā)電機(jī)還可分為單相發(fā)電機(jī)與三相發(fā)電機(jī)。   
<三>發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理   
    發(fā)電機(jī)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(jī)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(hù)環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)、風(fēng)扇及轉(zhuǎn)軸等部件組成。   
    由軸承及端蓋將發(fā)電機(jī)的定子，轉(zhuǎn)子連接組裝起來(lái)，使轉(zhuǎn)子能在定子中旋轉(zhuǎn)，做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，通過(guò)接線端子引出，接在回路中，便產(chǎn)生了電流。   
    柴油發(fā)電機(jī)工作原理   
    柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將柴油的能量轉(zhuǎn)化為電能。   
    在柴油機(jī)汽缸內(nèi)，經(jīng)過(guò)空氣濾清器過(guò)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(dá)到柴油的燃點(diǎn)。柴油被點(diǎn)燃，混合氣體劇烈燃燒，體積迅速膨脹，推動(dòng)活塞下行，稱(chēng)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(guò)連桿變成了推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力量，從而帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。   
    將無(wú)刷同步交流發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)曲軸同軸安裝，就可以利用柴油機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，利用‘電磁感應(yīng)’原理，發(fā)電機(jī)就會(huì)輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)閉合的負(fù)載回路就能產(chǎn)生電流。   
    這里只描述發(fā)電機(jī)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(jī)和發(fā)電機(jī)控制、保護(hù)器件和回路。  
    汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將汽油的能量轉(zhuǎn)化為電能。   
    在汽油機(jī)汽缸內(nèi)，混合氣體劇烈燃燒，體積迅速膨脹，推動(dòng)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(guò)連桿變成了推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力量，從而帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。將無(wú)刷同步交流發(fā)電機(jī)與汽油機(jī)曲軸同軸安裝，就可以利用汽油機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，利用‘電磁感應(yīng)’原理，發(fā)電機(jī)就會(huì)輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)閉合的負(fù)載回路就能產(chǎn)生電流。         
    · 主磁場(chǎng)的建立：勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流，建立極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)，即建立起主磁場(chǎng)。   
    · 載流導(dǎo)體：三相對(duì)稱(chēng)的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢(shì)或者感應(yīng)電流的載體。   
    · 切割運(yùn)動(dòng)：原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場(chǎng)）。   
    · 交變電勢(shì)的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場(chǎng)之間的相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，電樞繞組中將會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對(duì)稱(chēng)交變電勢(shì)。通過(guò)引出線，即可提供交流電源。  
    直流發(fā)電機(jī)的工作原理   
    直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。   
    電刷上不加直流電壓，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞使之逆時(shí)針?lè)较蚝闼俎D(zhuǎn)動(dòng)，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(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)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(dǎo)體在磁場(chǎng)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(gè)線圈邊和整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向是交變的．線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一種交變電動(dòng)勢(shì)，而在電刷A，B端的電動(dòng)勢(shì)卻為直流電動(dòng)勢(shì)(說(shuō)得確切一些，是一種方向不變的脈振電動(dòng)勢(shì))。因?yàn)?，電樞在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，無(wú)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(guò)換向片所引出的電動(dòng)勢(shì)始終是切割N極磁力線的線圈邊中的電動(dòng)勢(shì)，因此，電刷A始終有正極性。同樣道理，電刷B始終有負(fù)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(dòng)勢(shì)。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(dòng)勢(shì)。這就是直流發(fā)電機(jī)的工作原理。同時(shí)也說(shuō)明子直流發(fā)電機(jī)實(shí)質(zhì)上是帶有換向器的交流發(fā)電機(jī)。   
    從基本電磁情況來(lái)看，一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可工作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，只是約束的條件不同而已。在直流電機(jī)的兩電刷端上，加上直流電壓，將電能輸入電樞，機(jī)械能從電機(jī)軸上輸出，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能而成為電動(dòng)機(jī)，如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)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(dòng)勢(shì)作為直流電源，可輸出電能，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能而成為發(fā)電機(jī)。同一臺(tái)電機(jī)，能作電動(dòng)機(jī)或作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的這種原理．在電機(jī)理論中稱(chēng)為可逆原理。   
    汽輪發(fā)電機(jī)原理   
    蒸汽機(jī)利用高溫高壓的蒸汽膨脹做功，通過(guò)連桿、曲柄將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鬏S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。   
    蒸汽輪機(jī)是用蒸汽來(lái)推動(dòng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的，它運(yùn)轉(zhuǎn)的基本原理和常見(jiàn)的風(fēng)車(chē)相似，蒸汽輪機(jī)是由一個(gè)中央很厚的鋼盤(pán)及鋼盤(pán)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(lái)的高壓過(guò)熱蒸汽從噴嘴噴到葉片上時(shí)，輪機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，蒸汽速度越大，輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)得越快（也就是蒸汽的內(nèi)能在噴射中變成蒸汽的動(dòng)能，它的動(dòng)能又轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能）。  
    水輪發(fā)電機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)形式通常由水輪機(jī)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(jī)通常有沖擊式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。   
    2)立式結(jié)構(gòu) 國(guó)產(chǎn)水輪發(fā)電機(jī)組廣泛采用立式結(jié)構(gòu)。立式水輪發(fā)電機(jī)組通常由混流式或軸流式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。立式結(jié)構(gòu)又可分為懸式和傘式。發(fā)電機(jī)推力軸承位于轉(zhuǎn)子上部的統(tǒng)稱(chēng)為懸式,位于轉(zhuǎn)子下部的統(tǒng)稱(chēng)為傘式。   
    3)貫流式結(jié)構(gòu) 貫流式水輪發(fā)電機(jī)組由貫流式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。貫流式水輪機(jī)是一種帶有固定或可調(diào)轉(zhuǎn)輪葉片的軸流式水輪機(jī)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(jī)進(jìn)水管和出水管水流方向一致。貫流式水輪發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕的優(yōu)點(diǎn),廣泛用于低水頭的電站中。    
    新型水冷式交流發(fā)電機(jī)原理和應(yīng)用   
    水冷式交流發(fā)電機(jī)利用水來(lái)代替風(fēng)扇進(jìn)行冷卻。交流發(fā)電機(jī)主要的發(fā)熱部位是定子，水冷式交流發(fā)電機(jī)重點(diǎn)冷卻部分就是定子及線圈繞組。發(fā)電機(jī)的前端蓋和后端蓋用鋁材制造，開(kāi)有水道槽。定子及線圈繞組用合成樹(shù)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(jìn)水管和出水管連通，進(jìn)水管和出水管分別與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水系統(tǒng)連通。   
    這樣，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，冷卻水在發(fā)動(dòng)機(jī)水泵的帶動(dòng)下循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)發(fā)電機(jī)殼體，可以有效地冷卻定子線圈繞組、定子鐵芯，同時(shí)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(jī)與風(fēng)冷式交流發(fā)電機(jī)相比，內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜了，防漏密封要求提高了，成本也會(huì)增加。同時(shí)因聯(lián)接水管的問(wèn)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(jī)的發(fā)電及低噪聲性能，是風(fēng)冷式交流發(fā)電機(jī)無(wú)法比擬的。   
    首先，水冷式交流發(fā)電機(jī)具有良好的低速充電特性。我們知道，在交流發(fā)電機(jī)的電流特性曲線上有一個(gè)“拐點(diǎn)”，即超過(guò)所謂“0安培速度”之后才會(huì)有電流產(chǎn)生，電流上升到一定程度才能充電。在哪個(gè)轉(zhuǎn)速以上才出現(xiàn)“拐點(diǎn)”和達(dá)到可充電電流與勵(lì)磁電流的大小相關(guān)。   
    由于水冷式交流發(fā)電機(jī)大幅度抑制了定子、轉(zhuǎn)子及調(diào)節(jié)器的溫升，可以相應(yīng)提高勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流越大輸出電壓也越高，因此當(dāng)水冷式交流發(fā)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也會(huì)有良好的充電表現(xiàn)，這種低速充電性能對(duì)城市用車(chē)的正常使用相當(dāng)重要。   
    第二，水冷式交流發(fā)電機(jī)具有低噪聲。由于省略了風(fēng)扇，所以不存在發(fā)電機(jī)風(fēng)扇發(fā)出的噪聲。據(jù)介紹在3500轉(zhuǎn)/分時(shí)，水冷式交流發(fā)電機(jī)與風(fēng)冷式交流發(fā)電機(jī)相比，噪聲要低15分貝。   
    水冷式交流發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)被看好，認(rèn)為是汽車(chē)發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向。有人認(rèn)為在12伏特汽車(chē)中，2500瓦以下適宜用風(fēng)冷式交流發(fā)電機(jī)，2500瓦以上或者42伏特電系適宜用水冷式交流發(fā)電機(jī)。

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