发电机分类结构原理.docx

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发电机分类结构原理

发电机的分类、结构及工作原理

主要分类

发电机的分类包括：

直流发电机和交流发电机；

交流发电机分：

同步发电机和异步发电机（很少采用）；

交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。

发电机的种类有很多种。

从原理上分为同步发电机、异步发电机、单相发电机、三相发电机。

从产生方式上分为汽轮发电机、水轮发电机、柴油发电机、汽油发电机等。

从能源上分为火力发电机、水力发电机等。

发电机的发电过程是一种能量转换过程，例如，水流动的能量带动水轮机转动，由水轮机带动发电机转动，并输出感应电动势，即将水库中水流的能量转换为电能。

发电机基本的工作过程即为将各种带动发电机转子转动的机械能，通过电磁感应转换为电能的过程。

同步发电机

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。

高速同步发电机：

因大多数发电机与原动机同轴联动，火电厂都用高速汽轮机作原动机，所以汽轮发电机通常用高转速的2极电机，其转速达3000转/分（在电网频率为60赫时，为3600转/分）。

核电站多用4极电机，转速为1500转/分（当电网频率为60赫时，为1800转/分）。

为适应高速、高功率要求，高速同步发电机在结构上一是采用隐极式转子，二是设置专门的冷却系统。

隐极式转子：

外表呈圆柱形，在圆柱表面开槽以安放直流励磁绕组，并用金属槽楔固紧，使电机具有均匀的气隙。

由于高速旋转时巨大的离心力，要求转子有很高的机械强度。

隐极式转子一般由高强度合金钢整块锻成，槽形一般为开口形，以便安装励磁绕组。

在每一个极距内约有1/3部分不开槽，形成大齿；其余部分的齿较窄，称做小齿。

大齿中心即为转子磁极的中心。

有时大齿也开一些较小的通风槽，但不嵌放绕组；有时还在嵌线槽底部铣出窄而浅的小槽作为通风槽。

隐极式转子在转子本体轴向两端还装有金属的护环和中心环。

护环是由高强度合金制成的厚壁圆筒，用以保护励磁绕组端部不至被巨大的离心力甩出；中心环用以防止绕组端部的轴向移动，并支撑护环。

此外，为了把励磁电流通入励磁绕组，在电机轴上还装有集电环和电刷。

冷却系统：

由于电机中能量损耗和电机的体积成正比，它的量级与电机线度量级的三次方成比例，而电机散热面的量级只是电机线度量级的二次方。

因此，当电机尺寸增大时（受材料限制，增大电机容量就得加大其尺寸），电机每单位表面上需要散发的热量就会增加，电机的温升将会提高。

在高速汽轮发电机中，离心力将使转子表面和转子中心孔表面产生巨大的切向应力，转子直径越大，这种应力也越大。

因此，在锻件材料允许的应力极限范围内，2极汽轮发电机的转子本体直径不能超过1250毫米。

大型汽轮发电机要增大单机容量，只有靠增加转子本体的长度（即用细长的转子）和提高电磁负荷来解决。

转子长度可达8米，已接近极限。

要继续提高单机容量，只能是提高电机的电磁负荷。

这使大型汽轮发电机的发热和冷却问题变得特别突出。

对于50000千瓦以下的汽轮发电机，多采用闭路空气冷却系统，用电机内的风扇吹拂发热部件降温。

对于容量为5～60万千瓦的发电机，广泛使用氢冷。

氢气（纯度99%）的散热性能比空气好，用它来取代空气不仅散热效果好，而且可使电机的通风摩擦损耗大为降低，从而能显著提高发电机的效率。

但是，采用氢冷必须有防爆和防漏措施，这使电机结构更为复杂，也增加了电极材料的消耗和成本。

此外，还可采用液体介质冷却，例如水的相对冷却能力为空气的50倍，带走同样的热量，所需水的流量比空气小得多。

因此，在线圈里采用一部分空心导线，导线中通水冷却，就可以大大降低电机温升，延缓绝缘老化，增长电机寿命。

低速同步发电机：

电机是指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。

主要结构

发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。

定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。

转子由转子铁芯（或磁极、磁扼）绕组、护环、中心环、滑环、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。

1.直流发电机的工作原理

直流发电机工作时，外部机械力的作用带动导体线圈在磁场中转动，并不断切割磁感线，产生感应电动势。

图1所示为典型直流发电机的工作原理示意图

2.交流同步发电机的工作原理

交流同步发电机的工作过程可以简单看作为取消直流发电机中的换向器装置后的工作过程，即在发电机转子绕组旋转过程中无换向过程，电流输出方向发生变化的过程。

另外，在交流同步发电机中，并不是由转子绕组做切割磁感线运动，而是由转子产生旋转的磁场（励磁装置为励磁绕组通入电流），使定子绕组做切割磁感线的运动，从而产生感应电动势，并通过接线端子引出。

交流发电机的工作过程示意图

交流同步发电机根据定子绕组输出相数，可以设计成产生单相或多相交流电压的发电机。

图为产生单相、两相和三相交流电压的基本设置。

图所示为单相交流发电机工作原理示意图。

磁铁旋转后，在两个定子绕组A、B中产生正弦波交流电动势e。

将产生电动势的电源称为相，这种发电机使用由单相和两根电线供给的交流，称为单相交流，这种配电方式称为单相二线制。

在该类发电机中，定子槽内放置着3个结构相同的定子绕组AX、BY、CZ，其中A、B、C称为绕组的始端，X、Y、Z称为绕组的末端，这些绕组在空间互隔120°。

转子磁场在空间按正弦规律分布，当转子由原动机带动以角速度ω等速顺时针方向旋转时，在3个定子绕组中就产生频率相同、幅值相等、相位上互差120°的3个正弦电动势，这样就形成了对称三相电动势。