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       　　發(fā)電機(jī)工作原理
　　
　　一、電磁感應(yīng)
　　
　　我們知道，一切物體都是由分子組成，分子由原子組成，原子又由原子核和在它周圍旋轉(zhuǎn)的電子組成。原子核帶的是正電荷，電子帶的是負(fù)電荷，互相吸引，并且電荷數(shù)量是相等的，故原子對外不呈現(xiàn)電性。
　　
　　取一根直導(dǎo)體，導(dǎo)體在磁場中作“切割”磁感應(yīng)線的運動時，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這是因為導(dǎo)體在磁場內(nèi)作“切割”磁感應(yīng)線運動時，導(dǎo)體的正電荷、自由電子將以同樣的速度在磁場內(nèi)運動，磁場對運動電荷產(chǎn)生作用力，作用力的方向由左手定則判定，因此正電荷由導(dǎo)體b端移向a端，自由電子由導(dǎo)體的a端移向b端。結(jié)果b端聚集了電子而帶負(fù)電，a端少了電子而帶正電，使導(dǎo)體兩端產(chǎn)生一定的電位差，即導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。（這相當(dāng)于發(fā)電機(jī)處于勻速運轉(zhuǎn)狀態(tài)）。當(dāng)接通外電路時，電路中便會形成感應(yīng)電流。（這相當(dāng)于發(fā)電機(jī)處于運轉(zhuǎn)供電狀態(tài)）。
　　
　　感應(yīng)電動勢的方向，可由右手定則來決定：即將右手掌放平，大拇指與四指垂直，以掌心迎向磁感應(yīng)線，大拇指指向?qū)�體運動的方向，則四指的方向便是感應(yīng)電動勢的方向。直導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的大小則與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、導(dǎo)體運動速度v及導(dǎo)體長度L成正比，當(dāng)導(dǎo)體運動的方向與磁場方向平行時，導(dǎo)體中不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。
　　
　　二、正弦交流電動勢的產(chǎn)生
　　
　　產(chǎn)生正弦交流電動勢的簡單發(fā)電機(jī)示意圖。
　　
　　我們把線圖在各處位置電勢的大小變化用圖形來表示，就可以畫出交流電的波形來。這種按正弦曲線規(guī)律變化的電流（或電勢）就叫正弦交流電。
　　
　　在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上放著三個完全相同的、彼此相隔120°的獨立繞組A—X、B—Y、C—Z。當(dāng)轉(zhuǎn)子在按正弦分布的磁場中以恒定速度旋轉(zhuǎn)時，就可產(chǎn)生三個獨立的對稱三相電勢eA、EB、EC。
　　
　　三、同步電機(jī)的基本工作原理
　　
　　（一）同步電機(jī)的分類
　　
　　按運行方式和功率轉(zhuǎn)換方向，同步電機(jī)分為發(fā)電機(jī)、電動機(jī)。發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。
　　
　　從結(jié)構(gòu)特點來看，同步發(fā)電機(jī)分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式。
　　
　　大中容量同步發(fā)電機(jī)，磁極旋轉(zhuǎn)、電樞靜止，稱為旋轉(zhuǎn)磁極式。
　　
　　某些小容量同步發(fā)電機(jī)，電樞旋轉(zhuǎn)、磁極靜止，稱為旋轉(zhuǎn)電樞式。
　　
　　因為電樞電勢通過集電環(huán)和電刷引出，大電流時容易產(chǎn)生火花和磨損。從制造工藝、絕級性能和工作可靠性等方面比較，容量愈大旋轉(zhuǎn)磁極式的優(yōu)越性愈多。旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)按磁極形狀又可分為隱極式和凸極式兩種。
　　
　　同步電機(jī)轉(zhuǎn)子形式與轉(zhuǎn)速有關(guān)。隱極式同步電機(jī)，制造工藝較復(fù)雜，但機(jī)械強(qiáng)度較高，宜用于高速。汽輪機(jī)是一種高速原動機(jī)，轉(zhuǎn)速達(dá)3000r/min，汽輪發(fā)電機(jī)多為隱極式的。凸極式同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)較為簡單，但機(jī)械強(qiáng)度較低，適用于低速。水輪機(jī)一般轉(zhuǎn)速地1000r/min，因而水輪發(fā)電機(jī)皆為凸極式的。同步電動機(jī)和補償機(jī)多為凸極式的。
　　
　　（二）同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
　　
　　同步電機(jī)與異步電機(jī)一樣，其結(jié)構(gòu)基本由兩部分構(gòu)成，一是旋轉(zhuǎn)部分為磁極稱為轉(zhuǎn)子，二是靜止部分為電樞稱為定子。。
　　
　　（1）定子
　　
　　定子稱為電樞，所謂電樞，就是電機(jī)中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢部分。它主要由定子鐵心、三相定子繞組和機(jī)座等組成。定子鐵心由扇形硅鋼片疊成，每隔4~5cm留有通風(fēng)溝，鐵心兩端放置壓板，然后用雙頭螺栓從背部夾緊而成為一體，整個鐵心固定在機(jī)座內(nèi)定位筋上，且在機(jī)座外殼與鐵心外圓之間留有通風(fēng)道。在鐵心內(nèi)圓的槽中安放定子繞組并用槽楔壓緊。電樞繞組由絕緣的銅導(dǎo)體繞成，按照電機(jī)的不同額定電壓，用云母帶或棉紗帶包扎。槽與繞組之間墊有絕緣。定子端蓋上裝有電刷架，由石墨制成的電刷裝在刷架上的刷握內(nèi)。電刷與軸上滑環(huán)滑動接觸，直流電流經(jīng)過電刷、滑環(huán)通入勵磁繞組。
　　
　　（2）轉(zhuǎn)子
　　
　　轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子支架、輪環(huán)（即磁軛）、磁極和勵磁繞組等組成。磁極由厚為1~5mm的鋼板沖片疊成，在磁極兩個端面上裝有磁極壓板，用鉚釘鉚裝為一體。勵磁繞組套裝在磁極上，它多用扁銅線繞成，每匝繞組之間墊有石棉紙板絕緣。繞組經(jīng)浸膠與熱壓處理，成為堅固整體。繞組與磁極之間絕緣。各勵磁繞組串聯(lián)后接到滑環(huán)上。環(huán)與環(huán)，環(huán)與軸之間，相互絕緣。
　　
　　凸極式同步電機(jī)在磁極上還裝有阻尼繞組，它同感應(yīng)電動機(jī)的籠型結(jié)構(gòu)相似，整個阻尼繞組由插入磁極阻尼槽中的裸銅條和端面的銅環(huán)焊接而成，如圖4-52所示，阻尼繞組可改善同步發(fā)電機(jī)的運行性能，對同步電動機(jī)來說，它主要作起動繞組用。
　　
　　磁極固定在輪環(huán)上，磁極下部做成T尾，以便與輪環(huán)的T尾槽裝配。中小型電機(jī)也可用螺栓固定。大型電機(jī)輪環(huán)由厚2~2.5mm鋼板沖成扇形片疊成，中小型電機(jī)磁軛常用整塊鋼板沖片疊成或用鑄鋼制成。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子支架支撐，轉(zhuǎn)子支架應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。
　　
　　（3）發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)
　　
　　發(fā)電機(jī)的銘牌上都給出了主要的額定值。為了保證發(fā)電機(jī)可靠運行，必須嚴(yán)格遵守這些參數(shù)。
　　
　　額定功率PN——在額定運行（額定電壓、電流、頻率和功率因數(shù)）條件下，發(fā)電機(jī)能發(fā)出的最大功率。單位為KW，也有用視在功率表示的，此時以KVA為單位。
　　
　　額定電壓UN——在額定運行條件下，電機(jī)定子三相線電壓值，單位為V或KV。
　　
　　額定電流IN——額定運行時，流過定子繞組的線電流，單位為A或KA。在此值運行，線圈的溫升不會超過允許范圍。
　　
　　功率因數(shù)——額定運行情況下，有功功率和視在功率的比值，即：
　　
　　一般電機(jī)的。
　　
　　額定頻率f——額定運行情況下輸出交流電的頻率。我國電網(wǎng)的頻率為50Hz。
　　
　　額定轉(zhuǎn)速nN——額定運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。
　　
　　相數(shù)m——即發(fā)電機(jī)的相繞組數(shù)。常用的是三相交流同步發(fā)電機(jī)。
　　
　　根據(jù)上面的定義，對三相交流同步發(fā)電機(jī)來說，額定電壓、額電電流和額定功率之間有下面關(guān)系：
　　
　　此外，銘牌上還有其他運行數(shù)據(jù)，例如額定負(fù)載時的溫升（TN）、額定勵磁電流（IfN）、額定勵磁電壓（UfN）等。
　　
　　三）交流同步發(fā)電機(jī)工作原理
　　
　　簡單的轉(zhuǎn)磁式三相交流同步發(fā)電機(jī)如圖1-8-14所示。直流勵磁機(jī)供給的直流電流通過電刷和滑環(huán)輸入勵磁繞組（也叫轉(zhuǎn)子組），以產(chǎn)生磁場。在定五子槽里放著三個結(jié)構(gòu)相同的繞組AX、BY、CZ（A、B、C為繞組始端，X、Y、Z為繞組末端）。三個繞組的空間位置互差120°電角度。
　　
　　勵磁機(jī)
　　
　　當(dāng)原動機(jī)拖動電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵磁機(jī)旋轉(zhuǎn)時，勵磁機(jī)輸出的直流電流流入轉(zhuǎn)子繞組，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，磁場切割三相繞組，產(chǎn)生三個頻率相同、幅值相等、相應(yīng)差為120°的電動勢。設(shè)磁極磁場的磁通密度沿定于子圓周按正弦規(guī)律分布，相電勢的最大值為Em，A相電勢的初相角為零。
　　
　　當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極為一對時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，繞組中感應(yīng)電勢正好變化一次。電機(jī)具有p對磁極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電勢變化p次。設(shè)轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)為n，則轉(zhuǎn)子每秒鐘旋轉(zhuǎn)n/60轉(zhuǎn)。因此感應(yīng)電勢每秒鐘變化pn/60次，即電勢的頻率為：
　　
　　國際規(guī)定，工業(yè)交流電的頻率為50Hz，因此，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n一電網(wǎng)頻率f之間具有嚴(yán)格的關(guān)系。當(dāng)電網(wǎng)頻率一定時，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為一恒定值。為了保證發(fā)電機(jī)發(fā)出恒定頻率的交流電，在原動機(jī)上都裝有機(jī)械或電子調(diào)速器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。這是同步電機(jī)與異步電機(jī)的根本差別。