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柴油发电机组工作原理
一、电磁感应
  
  我们知道,一切物体都是由分子组成,分子由原子组成,原子又由原子核和在它周围旋转的电子组成。原子核带的是正电荷,电子带的是负电荷,互相吸引,并且电荷数量是相等的,故原子对外不呈现电性。
  
  取一根直导体,导体在磁场中作“切割”磁感应线的运动时,导体中就会产生感应电动势。这是因为导体在磁场内作“切割”磁感应线运动时,导体的正电荷、 自由电子将以同样的速度在磁场内运动,磁场对运动电荷产生作用力,作用力的方向由左手定则判定,因此正电荷由导体b端移向a端,自由电子由导体的a端移向 b端。结果b端聚集了电子而带负电,a端少了电子而带正电,使导体两端产生一定的电位差,即导体中产生感应电动势。(这相当于发电机处于匀速运转状态)。 当接通外电路时,电路中便会形成感应电流。(这相当于发电机处于运转供电状态)。
  
  感应电动势的方向,可由右手定则来决定:即将右手掌放平,大拇指与四指垂直,以掌心迎向磁感应线,大拇指指向导体运动的方向,则四指的方向便是感应电 动势的方向。直导体中感应电动势的大小则与磁感应强度B、导体运动速度v及导体长度L成正比,当导体运动的方向与磁场方向平行时,导体中不产生感应电动 势。
  
二、正弦交流电动势的产生
  
  产生正弦交流电动势的简单发电机示意图。
  
  我们把线图在各处位置电势的大小变化用图形来表示,就可以画出交流电的波形来。这种按正弦曲线规律变化的电流(或电势)就叫正弦交流电。
  
  在发电机转子上放着三个完全相同的、彼此相隔120°的独立绕组A—X、B—Y、C—Z。当转子在按正弦分布的磁场中以恒定速度旋转时,就可产生三个独立的对称三相电势eA、EB、EC。
  
三、同步电机的基本工作原理
  
  (一)同步电机的分类
  
  按运行方式和功率转换方向,同步电机分为发电机、电动机。发电机将机械能转换成电能,电动机将电能转换为机械能。
  
  从结构特点来看,同步发电机分为旋转电枢式和旋转磁极式。
  
  大中容量同步发电机,磁极旋转、电枢静止,称为旋转磁极式。
  
  某些小容量同步发电机,电枢旋转、磁极静止,称为旋转电枢式。
  
  因为电枢电势通过集电环和电刷引出,大电流时容易产生火花和磨损。从制造工艺、绝级性能和工作可靠性等方面比较,容量愈大旋转磁极式的优越性愈多。旋转磁极式同步电机按磁极形状又可分为隐极式和凸极式两种。
  
  同步电机转子形式与转速有关。隐极式同步电机,制造工艺较复杂,但机械强度较高,宜用于高速。汽轮机是一种高速原动机,转速达3000r/min,汽 轮发电机多为隐极式的。凸极式同步电机,结构较为简单,但机械强度较低,适用于低速。水轮机一般转速地1000r/min,因而水轮发电机皆为凸极式的。 同步电动机和补偿机多为凸极式的。
  
  (二)同步电机的基本结构
  
  同步电机与异步电机一样,其结构基本由两部分构成,一是旋转部分为磁极称为转子,二是静止部分为电枢称为定子。。
  
  (1)定子
  
  定子称为电枢,所谓电枢,就是电机中产生感应电动势部分。它主要由定子铁心、三相定子绕组和机座等组成。定子铁心由扇形硅钢片叠成,每隔4~5cm留 有通风沟,铁心两端放置压板,然后用双头螺栓从背部夹紧而成为一体,整个铁心固定在机座内定位筋上,且在机座外壳与铁心外圆之间留有通风道。在铁心内圆的 槽中安放定子绕组并用槽楔压紧。电枢绕组由绝缘的铜导体绕成,按照电机的不同额定电压,用云母带或棉纱带包扎。槽与绕组之间垫有绝缘。定子端盖上装有电刷 架,由石墨制成的电刷装在刷架上的刷握内。电刷与轴上滑环滑动接触,直流电流经过电刷、滑环通入励磁绕组。
  
  (2)转子
  
  转子是由转轴、转子支架、轮环(即磁轭)、磁极和励磁绕组等组成。磁极由厚为1~5mm的钢板冲片叠成,在磁极两个端面上装有磁极压板,用铆钉铆装为 一体。励磁绕组套装在磁极上,它多用扁铜线绕成,每匝绕组之间垫有石棉纸板绝缘。绕组经浸胶与热压处理,成为坚固整体。绕组与磁极之间绝缘。各励磁绕组串 联后接到滑环上。环与环,环与轴之间,相互绝缘。
  
  凸极式同步电机在磁极上还装有阻尼绕组,它同感应电动机的笼型结构相似,整个阻尼绕组由插入磁极阻尼槽中的裸铜条和端面的铜环焊接而成,如图4-52所示,阻尼绕组可改善同步发电机的运行性能,对同步电动机来说,它主要作起动绕组用。
  
  磁极固定在轮环上,磁极下部做成T尾,以便与轮环的T尾槽装配。中小型电机也可用螺栓固定。大型电机轮环由厚2~2.5mm钢板冲成扇形片叠成,中小型电机磁轭常用整块钢板冲片叠成或用铸钢制成。转子由转子支架支撑,转子支架应有足够的强度。
  
  (3)发电机的主要参数
  
  发电机的铭牌上都给出了主要的额定值。为了保证发电机可靠运行,必须严格遵守这些参数。
  
  额定功率PN——在额定运行(额定电压、电流、频率和功率因数)条件下,发电机能发出的最大功率。单位为KW,也有用视在功率表示的,此时以KVA为单位。
  
  额定电压UN——在额定运行条件下,电机定子三相线电压值,单位为V或KV。
  
  额定电流IN——额定运行时,流过定子绕组的线电流,单位为A或KA。在此值运行,线圈的温升不会超过允许范围。
  
  功率因数——额定运行情况下,有功功率和视在功率的比值,即:
  
  一般电机的。
  
  额定频率f——额定运行情况下输出交流电的频率。我国电网的频率为50Hz。
  
  额定转速nN——额定运行时转子的转速,单位为r/min。
  
  相数m——即发电机的相绕组数。常用的是三相交流同步发电机。
  
  根据上面的定义,对三相交流同步发电机来说,额定电压、额电电流和额定功率之间有下面关系:
  
  此外,铭牌上还有其他运行数据,例如额定负载时的温升(TN)、额定励磁电流(IfN)、额定励磁电压(UfN)等。
  
  三)交流同步发电机工作原理
  
  简单的转磁式三相交流同步发电机如图1-8-14所示。直流励磁机供给的直流电流通过电刷和滑环输入励磁绕组(也叫转子组),以产生磁场。在定五子槽 里放着三个结构相同的绕组AX、BY、CZ(A、B、C为绕组始端,X、Y、Z为绕组末端)。三个绕组的空间位置互差120°电角度。
  
  励磁机
  
  当原动机拖动电机转子和励磁机旋转时,励磁机输出的直流电流流入转子绕组,产生旋转磁场,磁场切割三相绕组,产生三个频率相同、幅值相等、相应差为120°的电动势。设磁极磁场的磁通密度沿定于子圆周按正弦规律分布,相电势的最大值为Em,A相电势的初相角为零。
  
  当转子磁极为一对时,转子旋转一周,绕组中感应电势正好变化一次。电机具有p对磁极时,转子旋转一周,感应电势变化p次。设转子每分钟转为n,则转子每秒钟旋转n/60转。因此感应电势每秒钟变化pn/60次,即电势的频率为:
  
  国际规定,工业交流电的频率为50Hz,因此,同步发电机的转速n一电网频率f之间具有严格的关系。当电网频率一定时,同步发电机的转速为一恒定值。 为了保证发电机发出恒定频率的交流电,在原动机上都装有机械或电子调速器,实现转速稳定。这是同步电机与异步电机的根本差别。