发电机概述

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1、发电机概述、结构和工作原理及分类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：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

2、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、机座及轴承等部件构成。定子由机座.定子铁芯、线包绕组、以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子铁芯（有磁扼.磁极绕组）滑环、（又称铜环.集电环）.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

3、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510万千瓦以上的汽轮发电机都采用了冷却效果

4、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130150万千瓦。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。3. 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

5、；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。柴油发电机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。

6、因此匕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

7、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。4. 风力发电机原理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

8、是却可以长期 利用。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来 促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便 可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气 污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统 效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发 电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重 要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方

9、 向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子 是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是1325V变化的交流电，须经充电器整流， 再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把 电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力 发电机，而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来， 人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大 小，而不仅是机头功率

10、的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被 小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还 可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器 的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度 是明显的，一个家庭一年的用电只需20元电瓶液的代价。而现在的风力发电机比几年前的 性能有很大改进，以前只是在少数边远地区使用，风力发电机接一个15W的灯泡直接用电， 一明一暗并会经常损坏灯泡。而现在由于技术进步，采用先进的充电器、逆变器，

11、风力发电 成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常的市电。山区可以借此系统做一 个常年不花钱的路灯;高速公路可用它做夜晚的路标灯;山区的孩子可以在日光灯下晚自习； 城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约而且是真正绿色电源。家庭用风力发电机，不 但可以防止停电，而且还能增加生活情趣。在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区， 风力发电机正在成为人们的采购热点。无线电爱好者可用自己的技术在风力发电方面为山区 人民服务，使人们看电视及照明用电与城市同步，也能使自己劳动致富。5. 柴油发电机原理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

12、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。这里只描述发电机组最基本的工作原理。要想得到可使用的、稳定的电力输出，还需要 一系列的柴油机和发电机控制、保护器件和回路。柴油发电机组是一种独立的发电设备，系指以柴油等为燃

13、料，以柴油机为原动机带动发 电机发电的动力机械。整套机组一般由柴油机、发电机、控制箱、燃油箱、起动和控制用蓄 电瓶、保护装置、应急柜等部件组成。整体可以固定在基础上，定位使用，亦可装在拖车上， 供移动使用。柴油发电机组属非连续运行发电设备，若连续运行超过12h，其输出功率将低 于额定功率约90%。尽管柴油发电机组的功率较低，但由于其体积小、灵活、轻便、配套 齐全，便于操作和维护，所以广泛应用于矿山、铁路、野外工地、道路交通维护、以及工厂、 企业、医院等部门，作为备用电源或临时电源。同时这种小型的发电机组也可以作为小型的 移动电站使用，成为很多企业的后备电源使用。6. 发电机类型由于一次能源形态

14、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。8.同步发电机作发电机运行的同步电机。是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛用 于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁，当 其

15、单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行，因 电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步 发电机中电枢绕组采用单相。工作特性表征同步发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性。这些特性是用户选用 发电机的重要依据。空载特性发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。此时电机定子的三相绕组 只有励磁电流If感生出的空载电动势E0 （三相对称），其大小随If的增大而增加。但是， 由于电机磁路铁心有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势E0与励磁电

16、流If关系 的曲线称为同步发电机的空载特性。电枢反应当发电机接上对称负载后，电枢绕组中的三相电流会产生另一个旋转磁场，称 电枢反应磁场。其转速正好与转子的转速相等，两者同步旋转。同步发电机的电枢反应磁场与转子励磁磁场均可近似地认为都按正弦规律分布。它们之 间的空间相位差取决于空载电动势E0与电枢电流I之间的时间相位差。电枢反应磁场还与 负载情况有关。当发电机的负载为电感性时，电枢反应磁场起去磁作用，会导致发电机的电 压降低；当负载呈电容性时，电枢反应磁场起助磁作用，会使发电机的输出电压升高。负载运行特性主要指外特性和调整特性。外特性是当转速为额定值、励磁电流和负载功 率因数为常数时，发电机端电压U与负载电流I之间的关系，如图2所示。调整特性是转速 和端电压为额定值、负载功率因数为常数时，励磁电流If与负载电流I之间的关系，如图3 所示。图2中还显示出电阻性、电容性和电感性3种负载的情况。由于电枢反应磁