交流发电机工作原理

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发电机是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。
交流发电机工作原理
　　交流发电机的发电原理如图2-2所示。



　　　　　　图2-2交流发电机发电原理
　　1.在发电机内部有一个由发动机带动转子（旋转磁场）
　　2.磁场外有一个定子绕组, 绕组有3组线圈(3相绕组)，3相绕组彼此相隔120度
　　3.当转子旋转时，旋转的磁场使固定的电枢绕组切割磁力线（或者说使电枢绕组中通过的磁通量发生变化）而产生电动势。

　　（1）定子3相绕组感生电动势的大小为：
　　　


　　其中：E m -每相电动势的最大值
　　ω-电角速度
　　f-交流电动势的频率（为转速的函数）
　　p-磁极对数
　　n-发电机转速（r/min）
　　Eφ-每相电动势的有效值

　　（2）定子每相电动势的有效值
　　


　　K-绕组系数(和发电机定子绕组的绕线方法有关 )
　　N-每项匝数（匝）
　　φ-每极磁通（Wb）
　　Ce-电机结构常数

　　(3) 交流电动势波形

　　由此可见,交流电动势的幅值是发电机转速的函数。因此，当转速n变化时，三相电动势的波形为变频率、变幅值的交流波形。
　　　　　　　　　　　　　


　　4.定子三相绕组的接法

　　定子三相绕组的接法有两种
　　（1）星形接法
　　IL=IΦ I L-线电流 IΦ-相电流
　　　　　　　　　　　　　


　　（2）三角形接法中
　　0UL=UΦ
　　　　　　　　　　　


　
二、　整流原理　　


　　　　　　　　　　　　　　　　　
　
　　交流发电机定子的三相绕组中，感应产生的是交流电，是靠六只二极管组成的三相桥式整流电路变为直流电的。二极管具有单项导电性,当给二极管加上正向电压时,二极管导通, 当给二极管加上反向电压时,二极管截止,二极管的导通原则如下:

　　1.二极管的导通原则
　　　　


　　当三只二极管负极端相连时，正极端电位最高者导通；
　　当三只二极管正极端相连时，负极端电位最低者导通。

　　2.整流过程分析

　　桥式整流电路及电压波形见图2-3。



　

　　　　　　　图2-3桥式整流电路及电压波形

　　（1）整流时二极管导通条件：
　　　①对于三个正极管子（D1、D3、D5正极和定子绕组始端相联），在某瞬时，电压最高一相的正极管导通。
　　②对于三个负极管子（D2、D4、D6负极和定子绕组始端相联），在某瞬时，电压最低一相的负极管导通。
　　但同时导通的管子总是两个，正、负管子各一个。

　　（2）整流过程
　　看一下下面的动画（动画1）
　　三相桥式整流电路中二极管的依次循环导通,使得负载RL两端得到一个比较平稳的脉动直流电压。如图2-2所示

　　（3）发电机输出的直流电压平均值为：
　　U=1.35UL=2.34UΦ
　　流经每只二极管的电流
　　ID=IL/3
　3．中性点电压　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　有的发电机具有中性点接线柱，如图2-4，是从三相绕组的中性点引出来的，标记为“N”。输出电压为UN，称为中性点电压



　

　　图2-4带中心抽头的交流发电机
　　中性点电压的瞬时值是一个三次谐波电压，中性点电压的平均值为发电机输出电压（平均值）的一半，即：
　　UN=UB/2
　　带有中性点接线柱的发电机可用中性点电压来控制各种用途的继电器。
　　有的发电机没有中性点接线柱，但是也把中性点电压充分的利用了（如夏利、桑塔纳发电机），这些发电机在中性点处接上两只整流二极管，和三相绕组的六只整流二极管一道输出，可提高发电机功率。其工作原理见本章第三节。
水冷式交流发电机与风冷式交流发电机相比，内部构造复杂了，防漏密封要求提高了，成本也会增加。同时因联接水管的问题，安装布置也受到诸多限制，自由度减少了。但是，水冷式交流发电机的发电及低噪声性能，是风冷式交流发电机无法比拟的。