《发电机动画》word版.docx
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《发电机动画》word版.docx
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《发电机动画》word版
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。
发电机根底原理:
课件通过一个发电机原理模型讲解了发电机的根本原理,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,如今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,嵌装着三个互相间隔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,其幅度与频率一样。
由于三个线圈互相间隔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构造动画。
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,其幅度与频率一样。
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根本规律,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构造,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,一同安装在水泥根底上。
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、本钱低廉的特点,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构造,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织排列。
以以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以以下图。
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。
假设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,这就是一个完好的转子。
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构造,其他构造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。
:
//v.youku/v_show/id_XMTM2Nzg0MjM2.html
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,根据变压器的根本原理有:
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表示波形挪动方向。
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。
三对绕组完全一样,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,根据变压器的根本原理有:
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表示波形挪动方向。
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。
〔见以以下图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,以以下图是一台容量为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构造较复杂,由于油是可燃物,也就存在平安性问题。
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迫通风散热。
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。
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