发电机动画课件.docx

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发电机动画课件

发电机系列

本栏展示用3d绘制的发电机系列教学课件，通俗易懂、直观形象。

这些课件为青少年科技爱好者而作，可作中学物理的参考读物，有些可作为电工参考读物。

发电机基础原理：

课件通过一个发电机原理模型讲解了发电机的基本原理，动画显示了磁力线走向、旋转线圈中感应电流的方向与输出电压的波形。

固定磁场交流发电机原理模型

发电机是根据电磁感应原理来发电的，发电机首先要有磁场，现在用一对磁铁来产生发电机的磁场，磁力线从北极到南极。

在磁场内放入矩形线圈，线圈两端通向两个滑环，滑环通过电刷连接到输出线上，输出线端连有负载电阻。

当线圈旋转时，根据电磁感应原理，线圈两端将会产生感应电动势，当磁场是均匀的，矩形线圈作匀速旋转时，感应电势按正弦规律变化，在负载电阻上有正弦交流电通过。

动画中绿色小球运动的方向表示感应电流的方向、运动的速度表示感应电流的大小。

（观看动画固定磁场交流发电机原理模型）

旋转磁场交流发电机原理模型

在这个模型中磁场是不动的，线圈在磁场中旋转产生感应电势。

在实际发电机中产生感应电势的线圈是不运动的，运动的是磁场。

产生磁场的是一个可旋转的磁铁，也就是转子，线圈在磁铁外围，与磁铁转轴同一平面。

当磁铁旋转时产生旋转磁场，线圈切割磁力线产生感应电动势。

由于空气的磁导率太低，在旋转磁铁的外围安上环型铁芯，也就是定子，可大大加强磁铁的磁感应强度。

在定子铁芯的内圆有一对槽，线圈嵌装在槽内。

为了看清线圈电流与转子的运动关系，把定子变成半透明的。

当磁铁旋转时，线圈切割磁力线感生交流电流。

真正发电机的转子是电磁铁，转子上绕有励磁线圈，通过滑环向励磁线圈供电来产生磁场。

把定子与线圈安在转子外围，一个单相交流发电机原理模型就组成了。

转子作匀速旋转时，线圈就感生交流电流，画面中绿色小球运动的方向表示感应电流的方向、运动的速度表示感应电流的大小。

（观看动画旋转磁场交流发电机原理模型）

三相交流发电机原理模型

实际应用的都是三相交流发电机，其定子铁芯的内圆均匀分布着6个槽，嵌装着三个相互间隔120度的同样线圈，分别称之为A相线圈、B相线圈、C相线圈。

装上转子就组成了一台三相交流发电机原理模型。

画面中的三相交流发电机采用星形接法，三个线圈的公共点引出线是中性线，每个线圈的引出线是相线。

当转子匀速旋转时三个线圈顺序切割磁力线，都会感生交流电动势，其幅度与频率相同。

由于三个线圈相互间隔120度，它们感应电势的相位也相差120度。

在画面上有每根相线的输出电势波形。

（观看动画三相交流发电机原理模型）

汽轮发电机的构造

这里介绍汽轮发电机的构造，是由蒸汽轮机或燃气轮机推动的发电机。

发电机主要由转子与定子组成，由于汽轮机的转速很高，故汽轮发电机的转子是两极的，额定转速每分钟3000转，输出50赫兹的三相交流电。

这是转子铁芯构造示意图，在铁芯圆周上开有一些槽，嵌有励磁绕组，在圆周两侧各有一段槽距大的面称为大齿，就是磁极（图1所示）。

励磁绕组两端通过集电环（滑环）接到励磁电源，在转子圆周两侧就形成北极与南极，旋转时就产生旋转磁场。

由于转子圆周上没有凸出的磁极（不像原理模型中的转子），称之为隐极式转子。

图2为嵌有励磁绕组的转子模型，为降低发电机的温度，在转子两端还装有风扇。

定子铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，在铁芯内圆均匀分布着许多槽（图3所示）。

在槽内嵌放定子的三相绕组。

每相绕组由多个线圈组成，按一定规律对称排列。

（图4所示）。

使定子铁芯透明可看清绕组的分布（图4所示）。

转子插在定子内部，定子与转子的相对位置如图5所示。

定子固定在发电机的机座（外壳）内，转子由机座两端的轴承支撑，可在定子内自由旋转。

集电环在机壳外侧，和碳刷架一同装在隔音罩内。

在发电机外壳下方有发电机出线盒，发出的三相交流电从这里引出（图6所示）

图7是发电机外观图

下载动画可观看汽轮发电机结构动画。

多磁极发电机原理模型

多磁极发电机的转子有多对磁极，

图1是有3对磁极的转子模型。

由于每个磁极都是从转子上明显凸起，称之为凸极式转子。

每个磁极上都绕有励磁线圈，形成南北相间的6个磁极，励磁电源通过滑环向励磁线圈供电。

该模型的转子有3对磁极，旋转一周磁场将循环3个周期，每旋转120度磁场变化1个周期。

定子内园周有18个槽

在120度机械角度里有6个槽，均匀分布A相、B相、C相3个线圈；另外两个120度里同样各自分布3个线圈。

3个A相线圈串联起来即为整机的A相绕组，3个B相线圈串联起来即为整机的B相绕组，3个C相线圈串联起来即为整机的C相绕组，3个绕组按星形接法将三个绕组尾端连在一起引出即中性线，3个绕组的引出端为相线。

为看清线圈的分布与连接，图4中定子为半透明。

转子插在定子中，与定子有很小间隙，可自由旋转。

当转子匀速旋转时A、B、C相线圈顺序切割磁力线，都会感生交流电动势，其幅度与频率相同。

由于三个线圈均匀分布，它们感应电势的相位也相差120度电角度（每周期为360度电角度）。

当转子旋转一周将感生出3个周期的三相交流电动势。

当转子转速为每分钟1000转时，所感生交流电动势的频率为50赫兹。

本模型仅是个原理模型，定子线圈的分布与连接仅表示基本规律，实际发电机上定子的槽数要多得多，绕组分布也复杂得多。

通过动画可看到每根相线的输出电势波形。

观看多磁极发电机原理模型动画。

水轮发电机的构造

水轮机的转速都比较低，特别是立式水轮机，所以水轮发电机采用多对磁极结构，这里介绍一个有12对磁极的水轮机发电机模型。

图1是该水轮机的转子模型，有南北相间的24个磁极，每个磁极上都绕有励磁线圈。

励磁电源通过集电环（滑环）向励磁线圈供电。

集电环装在转子轴的端头。

发电机定子铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，在铁芯内圆均匀分布着许多槽，

用来嵌放定子线圈。

定子线圈嵌放在定子槽内，组成三相绕组，每相绕组由多个线圈组成，按一定规律对称排列。

定子由机座固定，一同安装在水泥基础上。

转子插在定子中间，与定子有很小间隙，转子由下机架支撑，可以自由旋转。

安装好上机架，铺好上平台地板，在外罩内装好电刷装置，一台水轮机发电机模型就安装好了。

该水轮机发电机模型转子旋转一周将感生出12个周期的三相交流电动势。

当转子转速为每分钟250转时，所发交流电的频率为50赫兹。

请下载动画观看水轮机发电机模型的运转。

爪极发电机构造

爪极发电机具有制造简单、成本低廉的特点，主要用在小型发电场合，特别是在汽车发电机、小型风力发电机中得到广泛应用。

其实它也是一种多极发电机，只不过转子励磁的磁极使用的是爪状磁极。

下面介绍一种6对磁极的爪极发电机。

发电机定子铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，在铁芯内圆均匀分布着36个槽，用来嵌放定子线圈。

在定子槽内嵌放着定子线圈，有多种绕法组成三相绕组，以产生三相交流电。

转子的磁极采用爪极结构，这是装在轴上的一个爪极，有六个极。

在爪极内装有产生磁场的磁軛与励磁线圈，在转子轴上有向励磁线圈供电的滑环。

在转轴上再装上另一个爪极，使两个爪极的磁极交错排列。

下图面说明爪极的磁场，先观看没有两边爪极的情况，在轴上装上滑环向励磁线圈供电，当励磁线圈通电后磁軛产生的磁场如下图。

装上两边爪极后，磁力线将沿爪极走动，为便于看清磁力线的走向，磁力线改为红色，爪极改为半透明。

从轴向可更清楚的看到6对磁极的磁力线走向。

如果把励磁线圈与磁軛换成永久磁铁，同样可以形成6对磁极。

为了发电机的散热，在轴上还要装上风扇，这就是一个完整的转子。

把转子放入定子内，装上向转子供电的电刷。

装上前后端盖，就是一台爪极发电机外观图。

从另一个角度看该爪极发电机外观

这是该爪极发电机的剖面图

以上是爪极发电机的典型结构，其他结构式样就不一一介绍了。

有关爪极发电机的剖面旋转动画请到下面网址观看。

变压器的工作原理

变压器是利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能的一种电器设备，它可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能。

图1是单相变压器的原理模型，由铁心与套在铁心上的两个绕组组成。

与电源相连的线圈为一次绕组，与负载相连的线圈为二次绕组。

U1为输入一次绕组的电压，N1为一次绕组的匝数，U2为二次绕组输出的电压，N2为二次绕组的匝数。

当这是一个理想变压器时，在一次绕组输入按正弦规律变化的交流电，根据变压器的基本原理有：

U1/U2=N1/N2=k      k=电压比（匝数比）     即输出电压U2=U1N2/N1

其输入电压，输出电压、铁芯磁通的波形图见图2，图中t表示波形移动方向。

可下载单相变压器的输入输出电压波形动画观看。

我们平常使用的都三相交流电，图3是三相变压器的原理模型，它由A相绕组、B相绕组、C相绕组与铁芯组成。

三对绕组完全相同，每对绕组包含一次绕组与二次绕组，其匝数比为k。

当这是一个理想变压器时，在一次绕组输入按正弦规律变化的三相交流电时，根据变压器的基本原理有：

U1A、U1B、U1C分别为三相的输入电压，U2A、U2B、U2C分别为三相的输出电压。

U1A/U2A=U1B/U2B=U1C/U2C=k 

三相变压器的输入输出电压波形图见图4，图中t表示波形移动方向。

可下载三相变压器的输入输出电压波形动画观看。

电力变压器的构造

这是一个三相电力变压器的模型。

从外观看主要由变压器的箱体、高压绝缘套管、低压绝缘套管、油枕、散热管组成。

移去变压器箱体可看到变压器的铁芯与绕组。

在铁芯上有A、B、C三相绕组，每相绕组又分为高压绕组与低压绕组。

左边是高压绕组引出线，右边是低压绕组引出线。

把铁芯与绕组放入箱体，绕组引出线通过绝缘套管内的导电杆连到箱体外，导电杆外面是瓷套管，通过它固定在箱体上，保证导电杆与箱体绝缘。

为减小因灰尘与雨水引起的漏电，瓷套管外型为多级伞形。

右边是低压绝缘套管，左边是高压绝缘套管，由于高压端电压很高，高压绝缘套管比较长。

变压器箱体（即油箱）里灌满变压器油，铁芯与绕组浸在油里。

变压器油比空气绝缘强度大，可加强各绕组间、绕组与铁芯间的绝缘，同时流动的变压器油也帮助绕组与铁芯散热。

在油箱上部有油枕，有油管与油箱连通，变压器油一直灌到油枕内，可充分保证油箱内灌满变压器油，防止空气中的潮气侵入。

油箱外排列着许多散热管，运行中的铁芯与绕组产生的热能使油温升高，温度高的油密度较小上升进入散热管，油在散热管内温度降低密度增加，在管内下降重新进入油箱，铁芯与绕组的热量通过油的自然循环散发出去。

（见下图4、5）

一些大型变压器为保证散热，装有专门的变压器油冷却器。

冷却器通过上下油管与油箱连接，油通过冷却器内密集的铜管簇，由风扇的冷风使其迅速降温。

油泵将冷却的油再打入油箱内，下图是一台容量为400000kVA的特大型电力变压器模型，其低压端电压为20kV，高压端电压为220kV。

采用油冷却的变压器结构较复杂，由于油是可燃物，也就存在安全性问题。

目前，在城市内、大型建筑内使用的变压器已逐渐采用干式电力变压器，变压器没有油箱，铁芯与绕组安装在普通箱体内。

干式变压器绕组用环氧树脂浇注等方法保证密封与绝缘，容量较大的绕组内还有散热通道，大容量变压器并配有风机强制通风散热。

由于材料与工艺的限制，目前多数干式电力变压器的电压不超过35kV，容量不大于20000kVA，大型高压的电力变压器仍采用油冷方式。