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發電機概述及工作原理

作者: 發布時間:2017-01-04 21:56 人氣:

目錄
發電機
1. 概述
2. 結構及工作原理
汽輪發電機
水輪發電機
風力發電機
柴油發電機
類型

發電機

將機械能轉變成電能的電機。通常由汽輪機、水輪機或內燃機驅動。小型發電機也有用風車或其他機械經齒輪或皮帶驅動的。
發電機分為直流發電機和交流發電機兩大類。后者又可分為同步發電機和異步發電機兩種?,F代發電站中最常用的是同步發電機。這種發電機的特點是由直流電流勵磁,既能提供有功功率,也能提供無功功率,可滿足各種負載的需要。異步發電機由于沒有獨立的勵磁繞組,其結構簡單,操作方便,但是不能向負載提供無功功率,而且還需要從所接電網中汲取滯后的磁化電流。因此異步發電機運行時必須與其他同步電機并聯,或者并接相當數量的電容器。這限制了異步發電機的應用范圍,只能較多地應用于小型自動化水電站。城市電車、電解、電化學等行業所用的直流電源,在20世紀50年代以前多采用直流發電機。但是直流發電機有換向器,結構復雜,制造費時,價格較貴,且易出故障,維護困難,效率也不如交流發電機。故大功率可控整流器問世以來,有利用交流電源經半導體整流獲得直流電以取代直流發電機的趨勢。
同步發電機按所用原動機的不同分為汽輪發電機、水輪發電機和柴油發電機 3種。它們結構上的共同點是除了小型電機有用永久磁鐵產生磁場以外,一般的磁場都是由通直流電的勵磁線圈產生,而且勵磁線圈放在轉子上,電樞繞組放在定子上。因為勵磁線圈的電壓較低,功率較小,又只有兩個出線頭,容易通過滑環引出;而電樞繞組電壓較高,功率又大,多用三相繞組,有3個或4個引出頭,放在定子上比較方便。發電機的電樞(定子)鐵心用硅鋼片疊成,以減少鐵耗。轉子鐵心由于通過的磁通不變,可以用整體的鋼塊制成。在大型電機中,由于轉子承受著強大的離心力,制造轉子的材料必須選用優質鋼材。
發電機

1. 概述

電能是現代社會最主要的能源之一。發電機是將其他形式的能源轉換成電能的機械設備,它由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅動,將水流,氣流,燃料燃燒或原子核裂變產生的能量轉化為機械能傳給發電機,再由發電機轉換為電能。發電機在工農業生產,國防,科技及日常生活中有廣泛的用途。
發電機的形式很多,但其工作原理都基于電磁感應定律和電磁力定律。因此,其構造的一般原則是:用適當的導磁和導電材料構成互相進行電磁感應的磁路和電路,以產生電磁功率,達到能量轉換的目的。
發電機的分類可歸納如下:
發電機 { 直流發電機、交流發電機 { 同步發電機、異步發電機(很少采用)
交流發電機還可分為單相發電機與三相發電機。

2. 結構及工作原理

發電機通常由定子、轉子、端蓋及軸承等部件構成。
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構件組成。
轉子由轉子鐵芯(或磁極、磁扼)繞組、護環、中心環、滑環、風扇及轉軸等部件組成。
由軸承及端蓋將發電機的定子,轉子連接組裝起來,使轉子能在定子中旋轉,做切割磁力線的運動,從而產生感應電勢,通過接線端子引出,接在回路中,便產生了電流。

汽輪發電機

與汽輪機配套的發電機。為了得到較高的效率,汽輪機一般做成高速的,通常為3000轉/分(頻率為50赫)或3600轉/分(頻率為60赫)。核電站中汽輪機轉速較低,但也在1500轉/分以上。高速汽輪發電機為了減少因離心力而產生的機械應力以及降低風摩耗,轉子直徑一般做得比較小,長度比較大,即采用細長的轉子。特別是在3000轉/分以上的大容量高速機組,由于材料強度的關系,轉子直徑受到嚴格的限制,一般不能超過 1.2米。而轉子本體的長度又受到臨界速度的限制。當本體長度達到直徑的6倍以上時,轉子的第二臨界速度將接近于電機的運轉速度,運行中可能發生較大的振動。所以大型高速汽輪發電機轉子的尺寸受到嚴格的限制。10萬千瓦左右的空冷電機其轉子尺寸已達到上述的極限尺寸,要再增大電機容量,只有靠增加電機的電磁負荷來實現。為此必須加強電機的冷卻。所以 5~10萬千瓦以上的汽輪發電機都采用了冷卻效果較好的氫冷或水冷技術。70年代以來,汽輪發電機的最大容量已達到130~150萬千瓦。從1986年以來,在高臨界溫度超導電材料研究方面取得了重大突破。超導技術可望在汽輪發電機中得到應用,這將在汽輪發電機發展史上產生一個新的飛躍。

水輪發電機

由水輪機驅動的發電機。

由于水電站自然條件的不同,水輪發電機組的容量和轉速的變化范圍很大。通常小型水輪發電機和沖擊式水輪機驅動的高速水輪發電機多采用臥式結構,而大、中型代速發電機多采用立式結構(見圖)。由于水電站多數處在遠離城市的地方,通常需要經過較長輸電線路向負載供電,因此,電力系統對水輪發電機的運行穩定性提出了較高的要求:電機參數需要仔細選擇;對轉子的轉動慣量要求較大。所以,水輪發電機的外型與汽輪發電機不同,它的轉子直徑大而長度短。水輪發電機組起動、并網所需時間較短,運行調度靈活,它除了一般發電以外,特別適宜于作為調峰機組和事故備用機組。水輪發電機組的最大容量已達70萬千瓦。
柴油發電機 由內燃機驅動的發電機。它起動迅速,操作方便。但內燃機發電成本較高,所以柴油發電機組主要用作應急備用電源,或在流動電站和一些大電網還沒有到達的地區使用。柴油發電機轉速通常在1000轉/分以下,容量在幾千瓦到幾千千瓦之間,尤以200千瓦以下的機組應用較多。它制造比較簡單。柴油機軸上輸出的轉矩呈周期性脈動,所以發電機是在劇烈振動的條件下工作。因此,柴油發電機的結構部件,特別是轉軸要有足夠的強度和剛度,以防止這些部件因振動而斷裂。此外,為防止因轉矩脈動而引起發電機旋轉角速度不均勻,造成電壓波動,引起燈光閃爍,柴油發電機的轉子也要求有較大的轉動慣量,而且應使軸系的固有扭振頻率與柴油機的轉矩脈動中任一交變分量的頻率相差20%以上,以免發生共振,造成斷軸事故。
柴油發電機組主要由柴油機、發電機和控制系統組成,柴油機和發電機有兩種連接方式,一為柔性連接,即用連軸器把兩部分對接起來,二為剛性連接,用高強度螺栓將發電機鋼性連接片和柴油機飛輪盤連接而成,目前使用剛性連接比較多一些,柴油機和發電機連接好后安裝在公共底架上,然后配上各種傳感器,如水溫傳感器,通過這些傳感器,把柴油機的運行狀態顯示給操作員,而且有了這些傳感器,就可以設定一個上限,當達到或超過這個限定值時控制系統會預先報警,這個時候如果操作員沒有采取措施,控制系統會自動將機組停掉,柴油發電機組就是采取這種方式起自我保護作用的。傳感器起接收和反饋各種信息的作用,真正顯示這些數據和執行保護功能的是機組本身的控制系統。

風力發電機

是將風能轉換為機械功的動力機械,又稱風車。廣義地說,它是一種以太陽為熱源,以大氣為工作介質的熱能利用發動機。風力發電利用的是自然能源。相對柴油發電要好的多。但是若應急來用的話,還是不如柴油發電機。風力發電不可視為備用電源,但是卻可以長期利用。
水利發電機是將水的動能和重力勢能轉換為機械功的動力機械。我國的三峽就是很好的例子。在發電這一塊最好要數核能發電了,不過相對核能污染較大。所以我國現在廣泛還是用煤炭發電。目前我國煤炭資源吃緊,煤炭價格一直在漲,這也是為什么現在會有電荒的出現的主要原因。

柴油發電機

柴油機驅動發電機運轉,將柴油的能量轉化為電能。
在柴油機汽缸內,經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過連桿變成了推動曲軸轉動的力量,從而帶動曲軸旋轉。
將無刷同步交流發電機與柴油機曲軸同軸安裝,就可以利用柴油機的旋轉帶動發電機的轉子,利用‘電磁感應’原理,發電機就會輸出感應電動勢,經閉合的負載回路就能產生電流。

類型

由于一次能源形態的不同,可以制成不同的發電機。
利用水利資源和水輪機配合,可以制成水輪發電機;由于水庫容量和水頭落差高低不同,可以制成容量和轉速各異的水輪發電機。
利用煤、石油等資源,和鍋爐,渦輪蒸汽機配合,可以制成汽輪發電機,這種發電機多為高速電機(3000rpm)。
此外還有利用風能、原子能、地熱、潮汐等能量的各類發電機。
此外,由于發電機工作原理不同又分作直流發電機,異步發電機和同步發電機。目前在廣泛使用的大型發電機都是同步發電機。

滾筒直流發電機使用注意事項

1、購買和使用發電機,應當符合銘牌上的技術要求,如電壓,功率和額定輸出電流等。例如用于豐收—27型拖拉機,東方紅—40型拖拉機等,常用150瓦發電機,額定輸出電流為13安;用于鐵牛—55型拖拉機常用220瓦發電機,額定輸出電流為18安。
2、用于拖拉機上的發電機通常為并激式,也就是說發電機激磁線圈是并聯的,所以,總要有一端通過機殼與電樞線圈是并聯的,所以,總要有一端通過機殼與電樞線圈相接。若激磁線圈在發電機內通過機殼與電樞線圈相接叫內搭鐵(圖5—1),即叫“內搭鐵發電機”;若激磁線圈在發電機外通過調節器搭鐵(圖5—2),即叫“外搭鐵發電機”。國產拖拉機目前使用的直流發電機均為內搭鐵。在接線時,一定要將激磁線圈的引出線與搭鐵的碳刷架相接,激磁線圈便無電流通過,發電機不會發電。另外有些進口的拖拉機上使用外搭鐵發電機,如果改為內搭鐵發電機,只要調換發電機激磁線圈抽頭接線即可。
3、發電機殼上兩個接線柱,一般均有“電樞”“磁場”字樣注明。如文字標注不清,可用下述方法識別。
1) 電樞接線柱:直徑較粗;是接在絕緣的刷架上。
2) 磁場接線柱:直徑較細;磁場線圈一個端頭就按在上面。
4 、在拖拉機上的發電機是由發動機帶動的,所以轉動方向是一定的,在檢修時若將發電機反向旋轉就不發電,這是因為正轉時電樞線圈在磁場的作用下感應出的電流經調節器與激磁線圈相通。激磁線圈通電后的磁場方向與鐵芯剩磁方向相同,因而磁場不斷增強,電壓迅速升高。反轉時電流方向與正轉時相反,使激磁線圈通電后的磁場方向與鐵芯剩磁方向相反,磁場越來越弱,使發電機不能發電。
5、當發電機電樞不經負載短路時,發電楊是不會燒壞的。這是因為拖拉機上使用的直流發電機均為并激式。發電機于額定功率下工作時,電樞繞組產生的電流大部分輸向外電路,小部分輸入激磁繞組產生磁場。當電樞接線柱與機殼短路時,發電機電流迅速增大,此時在電機內產生很大的壓降和強烈的電樞反應,使輸出的電壓急劇下降,激磁電流迅速消失,發電機電壓趨近于零。因此,當電樞接線柱與機殼短路時不會燒壞發電機。
6、在使用中有時發現發電機極性突然改變的現象(即發出的電流方向改變)。這是因為輸出電流驟然增大時,電機內部強烈的電樞反應使鐵芯剩磁方向改變而引起。遇到這種情況必須將其改變過來,才能使充電電路正常工作。改變的方法是:將蓄電池正極與機殼連接,負極與磁場接線柱相觸2—3秒,即能改變磁極鐵芯的剩磁方向。(在正極搭鐵的系統中)。有時,在檢修中用蓄電池做電源,用跳火花法檢查激磁線圈故障時,如不注意連接的極性,把蓄電池負極當成搭鐵極,改變了激磁線圈的電流方向,從而使鐵芯剩磁方向改變了。由于剩磁方向的改變,則發電機電壓極性也隨之改變。這是應當注意的。
7、一般的直流發電機整流子銅片間的云母片都低于銅片。這是因為銅片比云母片磨損速度快,使用一段時間云母片就會高出整流子銅片,使碳刷懸空。這樣整流子和碳刷之間就會出現強烈火花。為避免此現象,整流子車光后應用鋸片將云母割低于整流子銅片0.8毫米左右。但有的直流發電機如ZF—28型和ZF—33型,整流子銅片間采用人工云母,它與銅片磨損速度相近,故出廠時未將云母片割低,檢修這種發電機就不需割低。  

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