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发电机

发电机
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发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

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发电机的基本结构：定子和转子。

定子

定子又称为电枢，主要由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等部件组成。

1、机座：机座是用来支撑和固定定子铁芯和端盖的，应有足够的强度和刚度，机座与定子铁芯之间需要留有适当的通风道，以利于电机的冷却。

2、定子铁芯：定子铁芯一般由0.5mm或0.35mm的硅钢片叠成，沿轴向叠成多段形式，每段叠片厚为30-60mm。各段叠片之间留有宽约10mm的通风槽，以改善定子铁芯的散热条件。

3、定子绕组：大型发电机一般采用三相双层叠绕，构成定子三相交流电路。

4、端盖：一般分两部分（前端盖和后端盖），起固定转子、定子、整流器和电刷组件的作用。端盖一般用铝合金铸造，一是可有效的防止漏磁，二是铝合金散热性能好。后端盖上装有电刷组件，有电刷、电刷架和电刷弹簧组成。电刷的作用是将电源通过集电环引入磁场绕组。

转子

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分类：按转子磁极的形状分为隐极式和凸极式。

转子：转子包括转子铁芯、励磁绕组、阻尼绕组、紧固件和风扇。

1、转子铁芯：转子铁芯应具有良好的导磁性能，并能承受很大的离心力作用。隐极式的转子铁芯与转轴锻造成一整体。转子表面约占圆周的三分之一不开槽，称为大齿，即主磁极。

2、转子绕组：转子绕组由矩形的绝缘扁铜绕成，两线圈边分别放置在大齿两侧槽内，所有线圈串联组成转子绕组，也称励磁绕组，构成转子直流回路。励磁绕组引出两个线端接在滑环上，通过碳刷与外部直流电源连接。励磁绕组各线匝间垫有绝缘材料，线圈和铁芯之间也有绝缘。励磁绕组放入槽内后，用高强度槽契压紧。

3、转子阻尼绕组：它是一种短路绕组，由放在槽契下的铜条和转子两端的铜环或合金焊接成闭合回路。作用是，在发电机短路或不对称运行时，利用其感应电流来削弱负序旋转磁场的作用，以及发电机发生振荡时起阻尼作用，使振荡衰减。

主要分类

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1、按电源性质分：直流发电机和交流发电机。交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。

2、按工作原理分：同步发电机和异步发电机（很少采用）。

3．按本体结构不同可分为： (1)旋转电枢式：电枢旋转。(2)旋转磁极式：磁极旋转。

4、按原动机的不同可分为：

(1)汽轮发电机：是由汽轮机驱动的，通常为卧式，转子是隐极式。

(2)水轮发电机：是由水轮机驱动的，对于大、中型水轮发电机通常为立式，转子是凸极式。

(3)核能发电机：与常规火力发电厂汽轮发电机无本质区别，有全速与半速两种。

(4)燃气轮发电机：将气体压缩、加热后在透平中膨胀，把其热能转换为机械能的旋转式动力机械。

(5)太阳能发电机：是利用太阳光照在硅等半导体上，光子冲击原子时产生的光电效应，直接将光能转换成电能的发电方式。

(6)风力发电机：需根据风力大小及电能需要量的变化及时通过控制装置来实现风力发电。

(7)柴油发电机：是由柴油机与发电机组成，由柴油机驱动的发电机组。通常作为独立电源或备用电源用于工矿企业、车辆船舶等多种场合。

5．按转子形式不同可分为：

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(1)凸极式发电机：转子是凸极式。

(2)隐极式发电机：转子是隐极式。

6．按冷却介质和冷却方式不同可分为：

(1)空气冷却：空冷。

(2)全水冷：定子和转子绕组以及定子铁芯均采用水冷，目前最大单机容量已达1200MVA。

(3)全氢冷：定子绕组和转子绕组用氢表面冷却或内冷，定子铁芯氢冷。通常200MW以上定、转子都采用氢内冷，最大单机容量已达880MVA。

(4)水氢氢：定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，定子铁芯氢冷。其单机容量可达1200MVA，大型发电机广泛采用这种冷却方式。

(5)水水氢：定子和转子绕组水内冷，定子铁芯氢冷，最大单机容量已达1700MVA。

(6)水水空(双水内冷)：定子和转子绕组水内冷，定子铁芯空气冷却，最大单机容量已达600MVA。

7．按主轴安装方式不同可分为：

(1)卧式安装：汽轮发电机由于转速高达3000r／min，故其极数少，转子采用隐极式，卧式安装。

(2)立式安装：水轮发电机由于转速低(一般在500 r／min以下)故其极数多，转子采用凸极式，立式安装。

发明历史

1832年，法国人毕克西发明了手摇式直流发电机，其原理是通过转动永磁体使磁通发生变化而在线圈中产生感应电动势，并把这种电动势以直流电压形式输出。

1866年，德国的西门子发明了自励式直流发电机。

1870年，比利时的格拉姆制成了环形电枢，发明了环形电枢发电机。这种发电机是用水力来转动发电机转子的，经过反复改进，于1875年得到了3.2KW的输出功率。

1882年，美国的戈登制造出了输出功率447KW，高3米，重22吨的两相式巨型发电机。

1896年，尼古拉·特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运，3750KW，5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市。

工作原理

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转子绕组通过滑环通入一定励磁电流，使转子成为一个旋转磁场。定子线圈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。由于电刷与转子相连处有断路处，使转子按一定方向转动，产生交变电流所以家庭电路等电路中是交变电流，简称交流电。中国电网输出电流的频率是50赫兹。

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 5～10万千瓦以上的汽轮发电机都采用了冷却效果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130～150万千瓦。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。

主要特性

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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。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。

同步发电机的电压变化率约为20～40%。一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变。为此，随着负载电流的增大，必须相应地调整励磁电流。虽然调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和纯电阻性负载，它是上升的，而在容性负载下，一般是下降的。

常见种类

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1、风力发电机

风力发电机是将风能转换为机械功、并带动发电机运转来发电的。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，但是却可以长期利用。

风力发电机组是将风能转化为电能的机械。从能量转换的角度看，风力发电机组由两大部分组成：其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。

2、水力发电机

水利发电机是将水的动能和重力势能转换为机械功的动力机械（如：中国的三峡）。在发电这一块最好的要数核能发电，不过相对核能污染较大。所以中国广泛还是用煤炭发电。中国煤炭资源吃紧，煤炭价格一直在涨，这也是为什么会有电荒的出现的主要原因。

3、柴油发电机

柴油发电机组是一种独立的发电设备，系指以柴油等为燃料，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%。

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