求水輪發(fā)電機(jī)的基本工作原理？

水輪發(fā)電機(jī)的基本工作原理

電能是現(xiàn)代社會(huì)最主要的能源之一。發(fā)電機(jī)是將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的機(jī)械設(shè)備，它由水輪機(jī)、汽輪機(jī)、柴油機(jī)或其他動(dòng)力機(jī)械驅(qū)動(dòng)，將水流，氣流，燃料燃燒或原子核裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳給發(fā)電機(jī)，再由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，國(guó)防，科技及日常生活中有廣泛的用途。發(fā)電機(jī)的形式很多，但其工作原理都基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律。因此，其構(gòu)造的一般原則是：用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)磁和導(dǎo)電材料構(gòu)成互相進(jìn)行電磁感應(yīng)的磁路和電路，以產(chǎn)生電磁功率，達(dá)到能量轉(zhuǎn)換的目的。

發(fā)電機(jī)分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)兩大類。后者又可分為同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)兩種?，F(xiàn)代發(fā)電站中最常用的是同步發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是由直流電流勵(lì)磁,既能提供有功功率，也能提供無(wú)功功率,可滿足各種負(fù)載的需要。異步發(fā)電機(jī)由于沒(méi)有獨(dú)立的勵(lì)磁繞組，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，但是不能向負(fù)載提供無(wú)功功率，而且還需要從所接電網(wǎng)中汲取滯后的磁化電流。因此異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)必須與其他同步電機(jī)并聯(lián)，或者并接相當(dāng)數(shù)量的電容器。這限制了異步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍，只能較多地應(yīng)用于小型自動(dòng)化水電站。城市電車、電解、電化工等行業(yè)所用的直流電源，在20世紀(jì)50年代以前多采用直流發(fā)電機(jī)。但是直流發(fā)電機(jī)有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造費(fèi)時(shí)，價(jià)格較貴，且易出故障，維護(hù)困難，效率也不如交流發(fā)電機(jī)。故大功率可控整流器問(wèn)世以來(lái)，有利用交流電源經(jīng)半導(dǎo)體整流獲得直流電以取代直流發(fā)電機(jī)的趨勢(shì)。

同步發(fā)電機(jī)按所用原動(dòng)機(jī)的不同分為汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)三種。它們結(jié)構(gòu)上的共同點(diǎn)是除了小型電機(jī)有用永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)以外，一般的磁場(chǎng)都是由通直流電的勵(lì)磁線圈產(chǎn)生，而且勵(lì)磁線圈放在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組放在定子上。因?yàn)閯?lì)磁線圈的電壓較低，功率較小，又只有兩個(gè)出線頭，容易通過(guò)滑環(huán)引出；而電樞繞組電壓較高,功率又大，多用三相繞組,有3個(gè)或4個(gè)引出頭，放在定子上比較方便。發(fā)電機(jī)的電樞(定子)鐵心用硅鋼片疊成，以減少鐵耗。轉(zhuǎn)子鐵心由于通過(guò)的磁通不變，可以用整體的鋼塊制成。在大型電機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子承受著強(qiáng)大的離心力，制造轉(zhuǎn)子的材料必須選用優(yōu)質(zhì)鋼材。

水電廠的發(fā)電機(jī)都為同步電機(jī)，它能把原動(dòng)機(jī)（水輪機(jī)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，通過(guò)輸電線路等設(shè)備送往用戶。我們知道，導(dǎo)線切割磁力線能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將導(dǎo)線連成閉合回路，就有電流通過(guò)同步發(fā)電機(jī)就是利用電磁感應(yīng)原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿?。?dǎo)線放在空心圓桶鐵心槽里，鐵心時(shí)固定不動(dòng)的，稱為定子。磁力線是由磁極產(chǎn)生的，磁極時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的，稱為轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子是發(fā)電機(jī)最基本的部分。為了得到三相交流電，沿定子鐵芯內(nèi)圓每相隔120度分別放三相繞組A-X,B-Y,C-Z，轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁繞組（又稱轉(zhuǎn)子繞組）。通過(guò)電刷和滑環(huán)的滑動(dòng)接觸，將勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電引入轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子繞組不斷切割磁力線，就在其中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。導(dǎo)線切割磁力線能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將導(dǎo)線連成閉合回路，就有電流通過(guò)，同步發(fā)電機(jī)就是利用電磁感應(yīng)原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿?。?dǎo)線放在空心圓桶鐵心槽里，鐵心是固定不動(dòng)的，稱為定子。磁力線是由磁極產(chǎn)生的，磁極是轉(zhuǎn)動(dòng)的，稱為轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子是發(fā)電機(jī)最基本的部分。為了得到三相交流電，沿定子鐵芯內(nèi)圓每相隔120度分別放三相繞組A-X,B-Y,C-Z，轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁繞組（又稱轉(zhuǎn)子繞組）。通過(guò)電刷和滑環(huán)的滑動(dòng)接觸，將勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電引入轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子繞組不斷切割磁力線，就在其中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。

由水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。由于水電站自然條件的不同，水輪發(fā)電機(jī)組的容量和轉(zhuǎn)速的變化范圍很大。通常小型水輪發(fā)電機(jī)和沖擊式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速水輪發(fā)電機(jī)多采用臥式結(jié)構(gòu)，而大、中型代速發(fā)電機(jī)多采用立式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖)。由于水電站多數(shù)處在遠(yuǎn)離城市的地方，通常需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)輸電線路向負(fù)載供電，因此，電力系統(tǒng)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性提出了較高的要求：電機(jī)參數(shù)需要仔細(xì)選擇；對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要求較大。所以，水輪發(fā)電機(jī)的外型與汽輪發(fā)電機(jī)不同，它的轉(zhuǎn)子直徑大而長(zhǎng)度短。水輪發(fā)電機(jī)組起動(dòng)、并網(wǎng)所需時(shí)間較短,運(yùn)行調(diào)度靈活,它除了一般發(fā)電以外，特別適宜于作為調(diào)峰機(jī)組和事故備用機(jī)組。水輪發(fā)電機(jī)組的最大容量已達(dá)70萬(wàn)千瓦。

水輪發(fā)電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)形式：

1）臥式結(jié)構(gòu)臥式結(jié)構(gòu)的水輪發(fā)電機(jī)通常有沖擊式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2）立式結(jié)構(gòu)國(guó)產(chǎn)水輪發(fā)電機(jī)組廣泛采用立式結(jié)構(gòu)。立式水輪發(fā)電機(jī)組通常由混流式或軸流式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。立式結(jié)構(gòu)又可分為懸式和傘式。發(fā)電機(jī)推力軸承位于轉(zhuǎn)子上部的統(tǒng)稱為懸式,位于轉(zhuǎn)子下部的統(tǒng)稱為傘式。

3）貫流式結(jié)構(gòu)貫流式水輪發(fā)電機(jī)組由貫流式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。貫流式水輪機(jī)是一種帶有固定或可調(diào)轉(zhuǎn)輪葉片的軸流式水輪機(jī)的特殊型式。它的主要特征是轉(zhuǎn)輪軸線采取水平或傾斜布置,并與水輪機(jī)進(jìn)水管和出水管水流方向一致。貫流式水輪發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕的優(yōu)點(diǎn),廣泛用于低水頭的電站中。

立式水輪發(fā)電機(jī)一般由轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)架、軸承、冷卻器、制動(dòng)系統(tǒng)等組成。

1、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是水輪發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件，位于定子里面，與定子保持一定的空氣間隙。轉(zhuǎn)子通過(guò)主軸與下面的水輪機(jī)連接。它的作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)。它主要由主軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛和磁極等組成。

2、主軸主軸的作用是中間連接、傳遞轉(zhuǎn)矩、承受機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的總量及軸向推力。

3、轉(zhuǎn)子支架輪轂和輪臂合在一起叫支架。它的作用是連接主軸和磁軛的中間部分，并起到固定磁軛和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。

4、磁軛磁軛也叫輪環(huán)。它的作用是產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和固定磁極，同時(shí)也是磁路的一部分。磁軛由扇形磁軛沖片、通風(fēng)槽片、定位銷、拉緊鏍桿、磁軛上壓板、磁軛鍵、鎖定板、卡鍵、下壓板等組成。

5、磁極磁極是產(chǎn)生磁場(chǎng)的部件，由襲擊鐵芯、磁極線圈、阻尼繞組及極靴等組成。磁極線圈由銅線或是鋁線制成，立繞再磁極鐵心的外表面上，匝與匝之間用石棉紙板絕緣。線圈饒好后經(jīng)浸膠熱壓處理，形成堅(jiān)固的整體。阻尼繞組的作用是當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生振蕩時(shí)七阻尼作用，使發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。在不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，它能提高擔(dān)負(fù)不對(duì)稱負(fù)載的能力。而實(shí)心磁極因?yàn)楸旧碛泻芎玫淖枘嶙饔?，故不用在裝設(shè)阻尼繞組。