发电机基础(基本原理及同步交流发电机内部构造介绍)

２－２ 同步电机的基本原理
一、同步电机的工作原理 如下页图示，为一同步发电机简单模型， 和其它旋转电机一样，同步电机也是由定 子和转子组成，定子转子之间有气隙。定 子上均匀分布有ＡＸ、ＢＹ、ＣＺ三相绕 组，它们彼此相差１２０度，转子是一对 电磁极，由外电源提供励磁电流。
当转子沿逆时针方向恒速旋转，则Ａ Ｘ、ＢＹ、ＣＺ三相绕组将分别会与磁极 的磁力线切割，一切割就会产生感应交流 电动势。设磁场在气隙的磁通密度沿圆周 按正弦规律分布，则绕组的电势变化规律 为： e=Blvsinωt
四、磁场对电流的作用 1、通电导体在磁场中受到的力 磁场中的通电导体会受到力的作用，这个力F的大小 为： F=BIL 作用力F的方向由左手定则判定：伸出左手，使拇指与 四指垂直，让磁力线垂直穿过手心，四指指向电流方 向，则拇指所指方向为导体受力方向。 2、磁场对通电线圈的作用 磁场中的通电线圈会受到力矩的作用，其力矩M大 小为： M=NBIScosa a为磁通与线圈平面的夹角
其中B为ＡＸ绕组所在的磁感强度，l为绕组有 效长度，v为切割磁力线速度，ω＝２пf。由于三 相绕组是按空间１２０度角分布的，转子旋转时， 绕组被切割的顺序是A—B—C—A，所以三相绕组 中的电势相位差也彼此相差１２０度，令Ｅ＝Ｂlv 则三相电势为： e（Ａ）＝Ｅsinωt e（Ｂ）＝Ｅsin（ωt－１２ ０） e（Ｃ）＝Ｅsin（ωt－２４ ０） 三相电势波形图如下：
一、直线电流的磁场 通电直导体周围存在着磁场，其分 布是以通电导体为中心的许多同心圆。磁 场方向可以用安培定则（或右手螺旋定则） 来判定。 安培定则是指：右手握住通电直导 线，使拇指指向电流方向，那么四指指的 就是磁场方向（或磁力线方向）。如下图：
2、 环行电流产生的磁场 通电螺线管产生的磁场，其方向也 可以用安培定则判定：右手握住螺线管， 使四指指向电流方向，则拇指所指的就是 螺线管内部磁场方向。如下页图示 ：
二、 同步电机的转速与频率 上面为一对磁极（两极）电机模型， 当转子旋转一周，定子绕组中的感应电势交 变一次（即一个周波），若转子为p对磁极， 则转子转一周，定子绕组中的感应电势交变 p次。设转子的转速为n转／分，则每秒钟转 n／６０转，定子绕组中的电势每秒交变pn ／６０次，即电势频率为：f=pn/60(赫兹)， 所以得出:
1—2 电磁理论基础
通常能吸引铁、钴、镍及其合金的这种物质称之为磁 体，它们本身就是磁体，为什么能够吸引其他物质呢，在 于他们周围存在着磁场，这种看不见的磁性存在形式，我 们称之为磁场，为了形象，在表达它们的时候我们都是用 磁力线来表示。而磁性的本身都是由于电流（或者说电子 定向运动）引起的。下面主要介绍一下电流与磁之间的关 系。 一、电流的磁效应 任何电流周围都存在磁场，这里分析两种情况：直 线电流和环行电流产生的磁场
（2） 转子部分 隐极式发电机的转子为圆柱形，通常看不出 它的磁极。而凸极式发电机转子能很清楚看出磁 极的位置。转轴主要用于机械支撑，传递扭矩， 要求有足够的强度和刚度，一般用优质的碳素结 构钢或合金钢制成。大容量的汽轮发电机转轴和 转子铁芯做成整体。转子铁芯是磁路的一部分， 用来嵌放转子绕组。 转子绕组主要产生主极磁场 阻尼绕组是许多插在转子铁芯中的铜条或铝条组 成的鼠笼结构，两边用短路环短接 转子还有护环、风扇等部件。
第一部分
电工基础知识
一、欧姆定律 在讲述1FC6发电机原理之前，有必要对一些电工基 础知识作一个简要的回顾与介绍。 在全电路中，流过负载的电流与电源电动势成正比， 与电路中的总电阻（即内阻r和负载电阻R之和）成反比。 即： I=E/(R+r) 上面即为全电路欧姆定律。而部分电路的欧姆定律为 I=U/R，即当内阻r=0时的一种特殊情况，这种从一般到特 殊的推理方法也称为演绎法。部分电路欧姆定律与全电路 欧姆定律是解决电路的最基本定律，通过演绎法可以解决 很多电路问题。 对于简单电路，存在两种基本形式：串联和并联电路。 在此不对其定义作过多叙述，只对其各自的特点和性质作 简单介绍。
第二部分
电机原理
２－１ 概述
电机是机电能量转换的机械装置，是依靠电 磁耦合方式来实现的。电机不是狭义单指发电机 或电动机，电机按功能可分为：发电机、电动机、 变压器、控制电机。 按照不同的分类特性，电机有很多分类方法， 下面是最常见的一种分类法：
一般同步电机主要用作发电机运行，全世 界的发电量几乎全部是同步发电机发出的， 而异步电机主要是用作电动机运行。但是 由于电机都是Baidu Nhomakorabea于磁和电、电和磁相互关 系而产生的，因而电机理论上都是可逆的， 所以电机之间是没有十分严格的界限。 １FC6发电机隶属于同步发电机。下面对同 步发电机的相关原理作简要的说明。
二、电磁感应 当导体在磁场中作切割磁力线运动或或穿 过线圈的磁力线发生变化时，导体或线圈上会 产生感应电动势，这就叫电磁感应。 1、 导体切割磁力线时的电磁感应 导体切割磁力线时感应电动势（ E）的大 小与导体的有效长度（L）、磁感应强度（ B） 以及导体运动速度（V）成正比。如下图示： 即：E=BLV 磁感应强度 B的单位是：特斯拉
1—1 直流电路
串联电路具有的三个特点： 1、流过每个电阻的电流都相等 2、电路上的总电压等于各电阻上电压之和 3、总电阻等于各电阻之和 并联电路具有的三个特点： 1、各电阻电压均相等 2、总电流等于个支路电流之和 3、总电阻的倒数等于各个电阻倒数之和 而串联与并联电路根据其特点又分别具有分压和分流原 理，熟练掌握对电工人员分析电路是非常有必要的，也是 基础。
2、 穿过线圈的磁通发生变化时的电磁感应 这种情况下的感应电动势的大小与线圈匝 数(N)和磁通变化率dΦ/dt成正比： E=-N(dΦ/dt) 式中的负号表示方向，表明感应电动势方 向与磁通变化方向相反。即当原磁通增大时，感 应电流（感应电流与感应电动势方向一致）产生 的磁通与原磁通方向相反；当原磁通减小时，感 应电流产生的磁通与原磁通方向相同。就是说， 感应电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。这 就是楞茨定律
二、同步电机的基本结构 同步电机主要由定子和转子两大部分组 成，它们之间有气隙。定子即为固定不 动的部分，包括：机座、定子铁芯和定 子绕组；而转子即为旋转部分，主要包 括：轴、转子铁芯和转子绕组、阻尼绕 组。 下面以旋转磁极式同步机为例介绍同步 机的基本结构。
（1） 定子部分： 定子部分的机座主要用于机械支撑和防护， 另外还要满足通风系统的要求，所以要求有足够的 刚度和强度。通常较大电机的机座为钢板焊接结构， 较小的有时采用铸铁结构。 定子铁芯除用于导磁外还用于嵌放定子绕组。 定子铁芯通常是用冷轧硅钢片迭压而成。 定子绕组是嵌放在定子槽内的线圈按一定规 律联结而成。对于大容量电机，其绕组采用成型线 圈，即采用矩形铜导体外包一定的绝缘层，其形状 尺寸较为固定，有时称之为硬线圈。而对于容量较 小的电机，其绕组线圈通常是用漆包圆铜线绕制成 的，其形状不大固定，又称之为软线圈。
n=60f/p 由此式可看出，频率f一定时，发电机转速n 与极对数p成反比。我们国家标准规定工业 交流电频率为５０Ｈz，那么在选用发电机 的时候，发电机转速和极对数就是一一对 应。如：两极电机（一对极）为３０００ 转／分，四极电机（两对极）为１５００ 转／分等等。
２－３ 同步电机的基本结构
一、 同步电机的基本结构型式 同步电机按其结构型式可分为旋转电枢 式和旋转磁极式两种。电枢即产生交流电 的绕组部分，旋转电枢，即电枢部分是转 子，这种型式由于发出的高压、大电流从 电刷和滑环的滑动接触送出，很不可靠， 所以大多采用选择旋转磁极式。 １ＦＣ６主机为旋转磁极式同步发电机， 而其励磁机则是旋转电枢式同步发电机。
楞茨定律在判定感应电动势方向时牢记以 下步骤：
1、判定原磁通方向 2、判定原磁通变化（增大或减小） 3、用楞茨定律判定感应电流产生的磁通方向 4、再用安培定则判定感应电流或感应电动势 的方向
3、 自感和互感 由于电路本身电流的变化引起穿过本身线圈的磁通发 生变化，这就是自感。如下页图示，其大小为： E自=-L(di/dt) 自感系数 L的单位是：亨利 互感则是其它线圈中的磁通发生变化导致本身线圈的 磁通发生变化的现象，其大小为： E互=-M(di/dt) 互感系数M的单位是：亨利 自感和互感都可以有楞茨定律判定。在实际电工操作 中，会遇到不少利用自感和互感原理的电器，如电流互感 器。