转载--科普丨电力设备：发电机

来源：电力四射

发电机

电力有发输变配用5个环节，其中发电是指利用发电动力装置将水能、化石燃料(煤炭、石油、天然气等)的热能、核能以及太阳能、风能、地热能、海洋能等转换为电能。

发电就需要用到发电机。常见的有水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动的发电机，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。

常见发电机

发电机主要结构

发电机主要机构

发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。

定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。

转子由转子铁芯（或磁极、磁扼）绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。

由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。

发电机工作原理

发电机的工作原理

发电机是基于法拉第电磁感应定律而来的，即一块金属，比如一根铜线，在磁场中运动，金属内部会产生电场。

金属内部的电荷就会沿着电场流动。如果这块金属不是一个环，电荷就会积累在两端，以电压的形式存在，把这块金属接在一个回路中（回路除金属以外的其他部分并没有在磁场中），就产生了电流，于是，发电机发出了电。

所以，发电机的基本原则就是固定住永磁体或者是金属，让金属或者是永磁体不停的运动，运动是相对的嘛，这样，那块不停的在磁场中运动的金属就会源源不断的发电。

由这一点可以区分不同的发电机，水力发电机就是利用水从高处落下的能量维持金属的运动，火电就是利用火烧开水产生的蒸汽的力量维持金属运动。

发电机分类

发电机组类型有很多，按照不同的标准划分有不同类型的机组，例如：

1、按照动力来源划分

有柴油发电机组、燃气发电机组、汽油发电机组、风力发电机组、太阳能发电机组、水力发电机组、燃煤发电机组等。

2、电能方式

按转换的电能方式可分为交流发电机和直流发电机两大类。

交流发电机又分为同步发电机和异步发电机两种。同步发电机又分为隐极式同步发电机和凸极式同步发电机两种。现代发电站中最常用的是同步发电机，异步发电机很少用。

其中最常用的是柴油发电机组。

常见发电机

接下来介绍的是各类常见发电机的工作原理。

01

同步发电机

三相交流同步发电机 ▲

同步发电机是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。

由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。

同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。

表征同步发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性。这些特性是用户选用发电机的重要依据 。

同步发电机工作原理 ▲

工作原理：

同步发电机的基本工作原理包含以下几个方面。

1.磁场的建立。 发电机运行时，励磁绕组通过直流励磁电流，建立极性相同的励磁磁场，即建立起主磁场。

2.切割运动。 原动机，柴油发电机组或汽油发电机组拖动转子旋转，机型形同的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组的过程。

3.载流导体发电机运行后 ，三相对称的电流组充当功率绕组，称为感应电动势或者感应电流的载体。

4.交变电动势的产生

同步发电机的工作原理是实际上就是电磁感应原理。通过转子磁场和定子绕组的相对运动，将机械能转变为电能。当转子在原动机的带动下，转子磁场和定子导体做相对运动，即导体切割磁路线，因此在导体中产生感应电动势，其方向可根据u右手定则判断。由于转子磁极的位置是导体以垂直方向切割磁力线。所以此时定子绕组中的感应电动势最大，当磁极转动90度时，磁极成水平位置，导体不切割磁力线，器感应电动势为零。转子在转90度，定子绕组感应电动势又以垂直方向切割磁力线，使感应电动势达到最大值，但方向与前相反。当转子再转90度。感应电动势又为零。这样转子转动一周，定子绕组的感应电动势也发生正，负变化。如果转子连续均匀旋转，在定子绕组中就会感应出一个周期性不断变化的交流电动势，通过引出线，即可输出交流电流。

02

水力发电机

水力发电机 ▲

水力发电机组也称“水轮发电机组”，作用是将河川、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，经水轮机转换成水轮机的机械能，水轮机又推动发电机发电，将机械能转换成电能。（如：中国的三峡）。

工作原理：

水力发电机组的能量转换过程分为两个阶段：

首先由水轮机将水失去的位能转换为机械能，再由发电机将水轮机的机械能转换为电能。

具体的过程为：在水流的冲击作用下，水轮机开始旋转，将水的位能转换为机械能；水轮机又带动同轴相连的发电机旋转，在励磁电流的作用下，旋转的转子带动励磁磁场旋转，发电机的定子绕组切割励磁磁力线在其中产生感应电动势，在输出电能的同时会在转子上产生一个与其旋转方向相反的电磁制动转矩。由于水流不问断地作用于水轮机，水轮机从水流中获得的旋转力矩用于克服电机转子上产生的电磁制动转矩，当两个力矩达到平衡时，水力发电机组将以某一恒定的转速运转，稳定地发出电力，实现能量的转换。所以水轮机和发电机是水力发电机组中最关键的两个部件。

03

风力发电机

风力发电机 ▲

风力发电机是将风能转换为机械功、并带动发电机运转来发电的，是一种价格低廉、运行可靠、无温室气体排放的新型发电系统。

工作原理： 利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风力发电机技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。

04

交流发电机

汽车交流发电机 ▲

工作原理：

交流发电机和直流发电机产生电流的原理是一样的，都是“运动的磁场磁力线”在“切割”固定的导线，或者是“运动的导线”在切割固定的磁场磁力线，只要能输出电流的导线与发电机磁场有相对运动，发电机就能发电了，这里的相对运动就是靠动力拖动发电机的旋转部分（转子）使之旋转来实现的，只不过直流发电机是通过一个叫换向器（也叫整流子）的装置把交流电整流成直流电输出，而交流发电机没有换向器，直接输出交流电而已。

05

三相异步发电机

三相异步发电机结构图 ▲

异步发电机又称“感应发电机”。

工作原理：

利用定子与转子间气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用的一种交流发电机。其转子的转向和旋转磁场的转向相同，但转速略高于旋转磁场的同步转速。常用作小功率水轮发电机。

06

柴油发电机

柴油发电机 ▲

柴油发电机组是一种独立的发电设备，系指以柴油等为燃料，以柴油机为原动机带动发电机发电的动力机械。

工作原理：

简而言之，就是柴油发电机驱动发电机运转。

在汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油充分混合，在活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为‘作功’。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。将无刷同步交流发电机与柴油发电机曲轴同轴安装，就可以利用柴油发电机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。

07

测速发电机

永磁式直流测速发电机 ▲

测速发电机是一种测量转速的微型发电机，他把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比。原理就不赘述了。

发电能源占比

2011～2020年全国电力装机结构（单位：万千瓦）

截至2020年底，全国全口径火电装机容量12.5亿千瓦、水电3.7亿千瓦、核电4989万千瓦、并网风电2.8亿千瓦、并网太阳能发电装机2.5亿千瓦、生物质发电2952万千瓦。

2011～2020年全国电力装机占比

从电源结构看，十年来我国传统化石能源发电装机比重持续下降、新能源装机比重明显上升。2020年火电装机比重较2011年下降了15.7个百分点，风电、太阳能发电装机比重上升了近20个百分点，发电装机结构进一步优化

【热力发电】一文看懂发电机结构

这里介绍汽轮发电机的构造，由于发电机大小不同，结构也不相同，但主要部分的结构与功能相同，本文就汽轮发电机的基本结构与组成进行介绍。为显示清楚，定子与转子槽数都较少，定子线圈外形按导线绕制的线圈绘制（不是用铜条或铜管连接成的线圈）。发电机主要部件结构则参考大中型汽轮发电机绘制。

汽轮发电机是同步发电机，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只有一对磁极，在额定转速每分钟3000转时输出50赫兹的三相交流电。下面通过一个汽轮发电机模型来介绍汽轮发电机的基本构造与组成。

转子

由于大型汽轮发电机转速高，转子磁极表面线速度达150m/s以上，离心力很大，故转子直径不能过大，大型发电机转子都为细长型。转子圆周上没有凸出的磁极（不像三相发电机模型中的转子），转子铁芯是一个在轴向上开有一些槽的圆柱，在圆柱两侧各有一段槽距大的面称为“大齿”，就是磁极（图1所示），称之为隐极式转子。在槽中嵌有励磁绕组，隐极式转子将励磁绕组分成多个线圈，便于安装与加固。

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。

图1--隐极式转子示意图

图2是汽轮发电机定子铁芯与转子铁芯截面图 ，中部是转子铁芯，外部是定子铁芯，转子铁芯采用隐极式结构。为了显示清晰，本模型定子铁芯与转子铁芯设为较少的槽数。

图2--定子铁芯与转子铁芯截面

图3是放大的定子铁芯与转子铁芯截面图 ，两铁芯间有气隙。定子铁芯的内圆周有嵌放定子线圈的槽，在槽口有固定槽楔的鸠尾槽，槽楔用途是压住定子线圈。转子铁芯的外圆周有嵌放转子线圈的槽，在槽口两侧有鸠尾槽，用来固定槽楔，在槽底有用于通风的副槽。

图3--定子铁芯与转子铁芯截面局部图

转子大轴用高强度高磁导率的合金钢材整体制作，在转子本体和绕组上有一些轴向与径向的孔隙，用来通风冷却。由于各种电机冷却方式不同，孔隙布置走向也不同，这里就不作介绍了，见图4。

图4--汽轮发电机转子

转子励磁绕组由多个线圈组成，嵌放在转子铁芯的槽中，多个线圈串联起来组成转子绕组，在转子轴的励磁端（简称励端）安装集电环，转子绕组的两个线端分别连接到两个集电环。见图5。

图5--嵌装好绕组的汽轮发电机转子

嵌放好线圈后在槽口打入槽楔，压住槽内线圈，线圈在槽外的端部用护环压住，防止线圈被离心力甩出，见图6。

为减小负序磁场的影响，在转子表面还装有阻尼装置，这里就不介绍了。

图6--转子线圈与护环

为降低发电机的温度，在转子两端装有轴流或离心风扇对机内气体进行强制循环。见图7，这是整个转子，是发电机中的旋转部件。

图7--安装好集电环与风扇的汽轮发电机转子

定子

因为定子铁芯内的磁通是在不停的变化，为防止涡流损耗，定子铁芯采用多层硅钢片叠成，硅钢片涂绝缘漆相互绝缘。硅钢片导磁良好。为通风冷却，定子铁芯分成多段，段间有缝隙实现径向通风。在定子铁芯的两端用压圈与穿心螺杆压紧定子铁芯，见图8。

图8--汽轮发电机定子铁芯

在定子铁芯槽内嵌放定子的三相绕组，绕组形式一般为双层叠绕。每相绕组由多个线圈组成，按一定规律对称排列，大型发电机的线圈只有几匝，是用一根根铜条或铜管弯成，在端部进行连接形成线圈。本模型简化处理，线圈是由表皮绝缘的导线绕成多匝的线圈。

在24槽电机模型有24个线圈，分为3组，组成三相绕组，6个引出线中3个是A、B、C相输出端，3个为中性线端，一同连接到到电机下方的出线盒的瓷套管端子。

图9为排列在一起的24槽绕组示意图。

图9--汽轮发电机定子绕组

这些线圈是嵌装在汽轮发电机定子铁芯的槽内，见图10。

图10--嵌装绕组的定子铁芯

嵌装好线圈还要在槽口插入槽楔，把线圈压紧固定。图11是嵌装好线圈的定子铁芯剖视图。

图11--定子与绕组剖视图

发电机的实际组装过程是定子铁芯先安装进机座，然后才进行线圈的嵌装工作。

定子与转子装入机座

机座（机壳）由钢板卷制焊接而成，为确保刚度，在机壳内壁焊有多圈圆环筋与轴向筋。本模型圆环筋较宽，为便于冷却气体流动，开有多个通气孔。在机座下方有发电机出线盒，发出的三相交流电从这里引出，见图12。安装好的机壳加端盖具有很好的气密性，以防止冷却介质泄露。

图12--发电机机壳

把定子铁芯安装在发电机机座内，再进行定子线圈嵌装，把各相线圈连接起来组成Y型三相绕组。在定子铁芯的槽口插入定子槽楔，压紧槽内线圈，见图13。三相绕组的6个线端连接到出线盒的六个瓷套管端子，按三相四线输出。

图13--装入机座的发电机定子铁芯与绕组

把转子插入定子铁芯内是发电机安装的重要工序，要保证不损伤定子与转子的任何部分。图14是插入转子后的状态。

图14--发电机安装转子

本模型的两个转子轴承安装在机壳两侧的端盖上，称为端盖式轴承。每块端盖由上下两半组成，在端盖上安装轴承部件，轴承部件由轴瓦与轴承油密封等组成，循环的密封油可以润滑轴瓦、防止氢气泄露、降低轴瓦温度。

安装好机壳两侧的下端盖，在端盖上安装轴承部件，轴承把转子支撑起来，转子磁极与定子铁芯间留有气隙，转子可自由旋转，见图15。

图15--发电机安装轴承

安装电刷装置

转子的励磁电源连接到电刷，电刷与集电环紧密接触，励磁电流先通过电刷，再通过集电环导通到转子励磁绕组。电刷由天然石墨制成，有很好的自润滑特性，导电良好，电刷通过刷辫接到励磁端子。电刷装在刷盒内，可自由上下移动，压簧把电刷压向集电环。压簧采用恒压弹簧，在电刷整个行程中压力基本不变，恒压弹簧固定在弹簧夹上，弹簧夹上有楔形卡子，弹簧夹插在刷盒内，卡子进入卡孔就卡住了。图16左图是压簧，右图是较新的电刷在刷盒的状态，中图是磨损较多的电刷（待换电刷）在刷盒的状态。

图16--电刷盒结构

刷盒固定在刷握上，刷握固定在刷握架上，刷辫连接到励磁电源接线端子上，见图17左图，在图17右图中显示了电刷与集电环的相对位置（图中隐去了转子轴）。

图17--电刷装置与集电环

图17仅为发电机电刷示意图 ，实际大型发电机的励磁电流很大，每个集电环由几段组成，电刷组相应增多，电刷数量达数十个。集电环采用耐磨的优质合金钢制成，为降低集电环温度，集电环有通风孔，在两集电环之间还装有离心风扇。

电刷装置安装在发电机的励端集电环的圆周方向。在转子两端还要安装转子上的风扇，为了使风扇的气流按照指定路径流动，必须安装上导风罩，见图18。

图18--发电机安装电刷与风扇

发电机整机

把机座两端的上半端盖安装好，发电机就组装好了，图19是汽轮发电机的剖视图 。

图19--汽轮发电机的剖视图

图20是汽轮发电机的励端（集电环与电刷端）外观图。

图20--汽轮发电机励端外观图

图21是汽轮发电机的汽端（接汽轮机端）外观图 。

图21--汽轮发电机汽端外观图

冷却系统

中文字幕，火力发电厂电力生产全过程的高清视频，全程高能~

视频号

大型发电机产生的热量很大，必须有强有力的冷却措施，不同型号发电机的定子、转子、机座等主要结构基本一样，但冷却系统五花八门，也较复杂。

主要的冷却介质是氢气、水和空气。氢气比空气的密度小很多、导热系数大很多；水有很大的比热容、导热系数大、价格低廉。

冷却方式主要有：

全氢冷发电机，电机定子绕组、转子绕组、定子铁芯均用氢气冷却。

水氢氢发电机，电机定子绕组采用水内冷、转子绕组与定子铁芯用氢气冷却。

水水空发电机，电机定子绕组与转子绕组采用水内冷、定子铁芯用空气冷却。

水水氢发电机，电机定子绕组与转子绕组采用水内冷、定子铁芯用氢气冷却。

全水冷发电机，电机定子绕组、转子绕组、定子铁芯均用水内冷。

空冷发电机，电机定子绕组、转子绕组、定子铁芯均用空气冷却。

氢气或空气如何在电机内循环则有多种途径，根据循环路线在定子铁芯与转子铁芯上制作冷却介质的通道。绕组水冷采用空心铜管作导线，在管内通水冷却。

图22是全氢冷发电机的氢气流动示意图，机座完全密封，在机壳靠两端设有氢气冷却器，氢气冷却器就是排管式热交换器，管内是流动的水，水通过电机外设备冷却。在机壳内部充满氢气，风扇向两端抽出热氢气，热氢气经过氢气冷却器降温，再次进入定子与转子带走热量。图中浅蓝色箭头线示意氢气的流动路径。（编注：编者接触过的发电机组的冷却风路方向与此图相反。）

图22--全氢冷发电机氢气流动示意图

一些大型发电机将氢气冷却器设在机壳外部的上面，见图23。

图23 --600MW水氢冷发电机

除了上述的基本部件外，在定子、转子、绕组、轴承等部位分布着许多温度传感器；在一些部位还有压力传感器、振动传感器、位移传感器等，全面监视发电机的工作状态。

在机外还配有发电机的励磁系统、冷却水的净化装置与循环装置、氢气的储存与控制装置、密封油的循环系统等

相关问答

电厂的发电机一般有多大?

电厂的发电机一般有600MW。现代化的大型发电厂单机容量已经做得非常大了,我国现在600M瓦机组已经成为了主力机组。单机容量达到1000M瓦的发电机组也已经相当...

发电机的单位是kw还是KVA?

在选购柴油发电机组时要充分考虑发电机组的综合性能和经济指标,用户首先要确定你需要的机器的使用频率和每次的最大使用时间,以此来判定你需要买多大的柴油发...

汽轮机和发电机有什么区别?

汽轮机和发电机的区别如下:1、从能量转换的角度来看,汽轮机是将蒸汽的热能转换为机械能,而发电机是将机械能转换为电能。2、从机型...汽轮机和发电机的区别...

十大发电机品牌排行榜

[最佳回答]发电机品牌排行榜前十名的有:康明斯发电机;沃尔沃发电机;奔驰发电机;道依茨发电机;玉柴发电机;潍柴发电机;上柴发电机;凯普发电机;低噪音发电机;组...

发电机无法启动可能的原因?

发电机无法启动二十点原因1.柴油发电机组卡死,人工无法盘车排除方法:彻底检查,寻找原因2.燃油滤清器严重堵塞排除方法:定期更换燃油滤清器3.进气系统堵塞...

发电机能带动多大功率?

10千瓦的三相柴油发电机能带动最大5千瓦的电机。10千瓦的三相柴油发电机实际的有效输出功率为8kw左右。如果装有静音装置,则实际输出在7kw左右。为保证供电的...

请问谁知道:发电机组包括哪些?

[回答]发电机组风冷柴油发电机组如金属材料受力过大会变形,在风冷柴油发电机组高温作用下会氧化;非金属材料会老化,油料中所含的酸性物质对金属有腐蚀作用...

水力发电机厂家?

目前市场上有许多水力发电机厂家,其中一些知名的厂家包括阿尔斯通、西门子、通用电气、三菱重工、华东电机等。这些厂家拥有丰富的经验和先进的技术,能够提供...

柴油发电机组报价表!2017最新!

[最佳回答]柴油发电机品牌众多,机组功率范围广,机组配置多样,一台国产柴油发电机的零售参考价格如下:30千瓦1.5-1.6万元、100千瓦6万元左右、200千瓦15万元左...

发电机串联和并联哪个好?

并联好。电源串联只能提高电压,发电机串联越多,电压越高,而用户要求的是稳定的电压,这是相矛盾的.并且在串联回路中只要一点断开,就是会造成全线停电.并联电...