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發電機

發電機
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發電機是指將其他形式的能源轉換成電能的機械設備，它由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅動，將水流，氣流，燃料燃燒或原子核裂變產生的能量轉化為機械能傳給發電機，再由發電機轉換為電能。

發電機在工農業生產、國防、科技及日常生活中有廣泛的用途。發電機的形式很多，但其工作原理都基於電磁感應定律和電磁力定律。因此，其構造的一般原則是：用適當的導磁和導電材料構成互相進行電磁感應的磁路和電路，以產生電磁功率，達到能量轉換的目的。

主要結構

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發電機的基本結構：定子和轉子。

定子

定子又稱為電樞，主要由定子鐵芯、定子繞組、機座、端蓋等部件組成。

1、機座：機座是用來支撐和固定定子鐵芯和端蓋的，應有足夠的強度和剛度，機座與定子鐵芯之間需要留有適當的通風道，以利於電機的冷卻。

2、定子鐵芯：定子鐵芯一般由0.5mm或0.35mm的硅鋼片疊成，沿軸向疊成多段形式，每段疊片厚為30-60mm。各段疊片之間留有寬約10mm的通風槽，以改善定子鐵芯的散熱條件。

3、定子繞組：大型發電機一般採用三相雙層疊繞，構成定子三相交流電路。

4、端蓋：一般分兩部分（前端蓋和後端蓋），起固定轉子、定子、整流器和電刷組件的作用。端蓋一般用鋁合金鑄造，一是可有效的防止漏磁，二是鋁合金散熱性能好。後端蓋上裝有電刷組件，有電刷、電刷架和電刷彈簧組成。電刷的作用是將電源通過集電環引入磁場繞組。

轉子

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分類：按轉子磁極的形狀分為隱極式和凸極式。

轉子：轉子包括轉子鐵芯、勵磁繞組、阻尼繞組、緊固件和風扇。

1、轉子鐵芯：轉子鐵芯應具有良好的導磁性能，並能承受很大的離心力作用。隱極式的轉子鐵芯與轉軸鍛造成一整體。轉子表面約占圓周的三分之一不開槽，稱為大齒，即主磁極。

2、轉子繞組：轉子繞組由矩形的絕緣扁銅繞成，兩線圈邊分別放置在大齒兩側槽內，所有線圈串聯組成轉子繞組，也稱勵磁繞組，構成轉子直流迴路。勵磁繞組引出兩個線端接在滑環上，通過碳刷與外部直流電源連接。勵磁繞組各線匝間墊有絕緣材料，線圈和鐵芯之間也有絕緣。勵磁繞組放入槽內後，用高強度槽契壓緊。

3、轉子阻尼繞組：它是一種短路繞組，由放在槽契下的銅條和轉子兩端的銅環或合金焊接成閉合迴路。作用是，在發電機短路或不對稱運行時，利用其感應電流來削弱負序旋轉磁場的作用，以及發電機發生振盪時起阻尼作用，使振盪衰減。

主要分類

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1、按電源性質分：直流發電機和交流發電機。交流發電機還可分為單相發電機與三相發電機。

2、按工作原理分：同步發電機和異步發電機（很少採用）。

3．按本體結構不同可分為： (1)旋轉電樞式：電樞旋轉。(2)旋轉磁極式：磁極旋轉。

4、按原動機的不同可分為：

(1)汽輪發電機：是由汽輪機驅動的，通常為臥式，轉子是隱極式。

(2)水輪發電機：是由水輪機驅動的，對於大、中型水輪發電機通常為立式，轉子是凸極式。

(3)核能發電機：與常規火力發電廠汽輪發電機無本質區別，有全速與半速兩種。

(4)燃氣輪發電機：將氣體壓縮、加熱後在透平中膨脹，把其熱能轉換為機械能的旋轉式動力機械。

(5)太陽能發電機：是利用太陽光照在硅等半導體上，光子衝擊原子時產生的光電效應，直接將光能轉換成電能的發電方式。

(6)風力發電機：需根據風力大小及電能需要量的變化及時通過控制裝置來實現風力發電。

(7)柴油發電機：是由柴油機與發電機組成，由柴油機驅動的發電機組。通常作為獨立電源或備用電源用於工礦企業、車輛船舶等多種場合。

5．按轉子形式不同可分為：

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(1)凸極式發電機：轉子是凸極式。

(2)隱極式發電機：轉子是隱極式。

6．按冷卻介質和冷卻方式不同可分為：

(1)空氣冷卻：空冷。

(2)全水冷：定子和轉子繞組以及定子鐵芯均採用水冷，目前最大單機容量已達1200MVA。

(3)全氫冷：定子繞組和轉子繞組用氫表面冷卻或內冷，定子鐵芯氫冷。通常200MW以上定、轉子都採用氫內冷，最大單機容量已達880MVA。

(4)水氫氫：定子繞組水內冷，轉子繞組氫內冷，定子鐵芯氫冷。其單機容量可達1200MVA，大型發電機廣泛採用這種冷卻方式。

(5)水水氫：定子和轉子繞組水內冷，定子鐵芯氫冷，最大單機容量已達1700MVA。

(6)水水空(雙水內冷)：定子和轉子繞組水內冷，定子鐵芯空氣冷卻，最大單機容量已達600MVA。

7．按主軸安裝方式不同可分為：

(1)臥式安裝：汽輪發電機由於轉速高達3000r／min，故其極數少，轉子採用隱極式，臥式安裝。

(2)立式安裝：水輪發電機由於轉速低(一般在500 r／min以下)故其極數多，轉子採用凸極式，立式安裝。

發明歷史

1832年，法國人畢克西發明了手搖式直流發電機，其原理是通過轉動永磁體使磁通發生變化而在線圈中產生感應電動勢，並把這種電動勢以直流電壓形式輸出。

1866年，德國的西門子發明了自勵式直流發電機。

1870年，比利時的格拉姆製成了環形電樞，發明了環形電樞發電機。這種發電機是用水力來轉動發電機轉子的，經過反覆改進，於1875年得到了3.2KW的輸出功率。

1882年，美國的戈登製造出了輸出功率447KW，高3米，重22噸的兩相式巨型發電機。

1896年，尼古拉·特斯拉的兩相交流發電機在尼亞拉發電廠開始勞動營運，3750KW，5000V的交流電一直送到40公里外的布法羅市。

工作原理

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轉子繞組通過滑環通入一定勵磁電流，使轉子成為一個旋轉磁場。定子線圈做切割磁力線的運動，從而產生感應電勢，通過接線端子引出，接在迴路中，便產生了電流。由於電刷與轉子相連處有斷路處，使轉子按一定方向轉動，產生交變電流所以家庭電路等電路中是交變電流，簡稱交流電。中國電網輸出電流的頻率是50赫茲。

汽輪發電機與汽輪機配套的發電機。為了得到較高的效率，汽輪機一般做成高速的，通常為3000轉/分（頻率為50赫）或3600轉/分（頻率為60赫）。核電站中汽輪機轉速較低，但也在1500轉/分以上。高速汽輪發電機為了減少因離心力而產生的機械應力以及降低風摩耗，轉子直徑一般做得比較小，長度比較大，即採用細長的轉子。特別是在3000轉/分以上的大容量高速機組，由於材料強度的關係，轉子直徑受到嚴格的限制，一般不能超過 1.2米。而轉子本體的長度又受到臨界速度的限制。當本體長度達到直徑的6倍以上時，轉子的第二臨界速度將接近於電機的運轉速度，運行中可能發生較大的振動。所以大型高速汽輪發電機轉子的尺寸受到嚴格的限制。

10萬千瓦左右的空冷電機其轉子尺寸已達到上述的極限尺寸，要再增大電機容量，只有靠增加電機的電磁負荷來實現。為此必須加強電機的冷卻。所以 5～10萬千瓦以上的汽輪發電機都採用了冷卻效果較好的氫冷或水冷技術。70年代以來，汽輪發電機的最大容量已達到130～150萬千瓦。從1986年以來，在高臨界溫度超導電材料研究方面取得了重大突破。超導技術可望在汽輪發電機中得到應用，這將在汽輪發電機發展史上產生一個新的飛躍。

主要特性

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工作特性：表徵同步發電機性能的主要是空載特性和負載運行特性。這些特性是用戶選用發電機的重要依據。

空載特性

發電機不接負載時，電樞電流為零，稱為空載運行。此時電機定子的三相繞組只有勵磁電流If感生出的空載電動勢E0（三相對稱），其大小隨If的增大而增加。但是，由於電機磁路鐵心有飽和現象，所以兩者不成正比。反映空載電動勢E0與勵磁電流If關係的曲線稱為同步發電機的空載特性。

電樞反應

當發電機接上對稱負載後，電樞繞組中的三相電流會產生另一個旋轉磁場，稱電樞反應磁場。其轉速正好與轉子的轉速相等，兩者同步旋轉。

同步發電機的電樞反應磁場與轉子勵磁磁場均可近似地認為都按正弦規律分布。它們之間的空間相位差取決於空載電動勢E0與電樞電流I之間的時間相位差。電樞反應磁場還與負載情況有關。當發電機的負載為電感性時，電樞反應磁場起去磁作用，會導致發電機的電壓降低；當負載呈電容性時，電樞反應磁場起助磁作用，會使發電機的輸出電壓升高。

負載運行特性

主要指外特性和調整特性。外特性是當轉速為額定值、勵磁電流和負載功率因數為常數時，發電機端電壓U與負載電流I之間的關係。調整特性是轉速和端電壓為額定值、負載功率因數為常數時，勵磁電流If與負載電流I之間的關係。

同步發電機的電壓變化率約為20～40%。一般工業和家用負載都要求電壓保持基本不變。為此，隨着負載電流的增大，必須相應地調整勵磁電流。雖然調整特性的變化趨勢與外特性正好相反，對於感性和純電阻性負載，它是上升的，而在容性負載下，一般是下降的。

常見種類

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1、風力發電機

風力發電機是將風能轉換為機械功、並帶動發電機運轉來發電的。廣義地說，它是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質的熱能利用發動機。風力發電利用的是自然能源。相對柴油發電要好的多。但是若應急來用的話，還是不如柴油發電機。風力發電不可視為備用電源，但是卻可以長期利用。

風力發電機組是將風能轉化為電能的機械。從能量轉換的角度看，風力發電機組由兩大部分組成：其一是風力機，它的功能是將風能轉換為機械能；其二是發電機，它的功能是將機械能轉換為電能。

2、水力發電機

水利發電機是將水的動能和重力勢能轉換為機械功的動力機械（如：中國的三峽）。在發電這一塊最好的要數核能發電，不過相對核能污染較大。所以中國廣泛還是用煤炭發電。中國煤炭資源吃緊，煤炭價格一直在漲，這也是為什麼會有電荒的出現的主要原因。

3、柴油發電機

柴油發電機組是一種獨立的發電設備，系指以柴油等為燃料，以柴油機為原動機帶動發電機發電的動力機械。整套機組一般由柴油機、發電機、控制箱、燃油箱、起動和控制用蓄電瓶、保護裝置、應急櫃等部件組成。整體可以固定在基礎上，定位使用，亦可裝在拖車上，供移動使用。 柴油發電機組屬非連續運行發電設備，若連續運行超過12h，其輸出功率將低於額定功率約90%。

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