直流發電機

1831年法拉第發現電磁感應定律，並製成第一台圓盤式單極直流發電機。

1832年皮克西製成永久磁鐵手搖直流發電機，它是世界上首台報導製造的直流發電機。

1838年楞次提出電機既可作發電機運行，又可作電動機運行的電機可逆原理。

1845年惠斯通製成首台電磁鐵勵磁的直流發電機(以前用永久磁鐵)。

1851年辛斯特登提出用通電線圈代替永久磁鐵，作為電機的勵磁。

1852年～ 1856年英法聯盟公司成立，並製成蒸汽機驅動的電磁式直流發電機，發電機首次進入工業、商業運用領域。

1860年 巴辛諾特應用電機可逆原理，製成第一台既可作發電機運行，又可作電動機運行的直流電機。

1866年W．西門子提出直流電機利用電機剩磁進行自勵的原理，並製成自勵直流發電機(Dy．namo)。

1 873年方丹在維也納世界博覽會上用直流發電機發出的電使直流電動機運轉，解決了困擾多年的直流電動機的電源問題(在此以前，直流電動機採用電池作為電源)，推動了直流電動機的應用。

直流電機萌芽、發展時期(1821～ 1895)

從1821年第一台直流電動機雛形誕生到I895年直流發電機在尼亞加拉瀑布Adams電站水輪發電機國際招標中敗北，是直流電機萌芽發展時期。在此期間，1 880年前後愛迪生和斯旺(J．W_Swan，1828～ 1914)(圖8．1)獨立發明的白熾燈，極大地推動了直流電的應用，刺激了直流發電機的發展。自此，直流電機一路高歌，獨霸世界。但1895年直流發電機在尼亞加拉瀑布Adam s電站投標的敗北，迅速遏制了直流電機一路飆升的勢頭和直流電機稱雄世界的局面。1821年～ 1895年期間，直流電機在理論方面日益完善，逐漸成熟；在結構方面不斷改進，走向統一；在產品方面，由小到大，從實驗室全面進入實際應用領域。

用電動機拖動電樞使之逆時針方向恆速轉動，線圈邊 a b 和 c d 分別切割不同極性磁極下的磁力線，感應產生電動勢。

直流發電機的工作原理就是把電樞線圈中感應產生的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變為直流電動勢 因為電刷 A 通過換向片所引出的電動勢始終是切割N 極磁力線的線圈邊中的電動勢。所以電刷 A 始終有正極性，同樣道理，電刷 B 始終有負極性。所以電刷端能引出方向不變但大小變化的脈動電動勢。

結論：線圈內的感應電動勢是一種交變電動勢，而在電刷 A B 端的電動勢卻是直流電動勢。當發電機的電樞被其他機器帶動以均勻速逆時針旋轉時，線圈abcd作切割磁感線運動。線圈轉到圖1.1.B所示位置時，用右手定則可以判斷出ab段導體產生的感應電動勢方向為b→a；cd段導體產生的感應電動勢方向為d→c，則與滑片1接觸的電刷A為正極，與滑片2接觸的電刷B為負極。當線圈轉到中性面（與磁感線相垂直的平面）時，感應電動勢從最大值逐漸減小到零。當線圈轉過中性面后，ab段導體產生的感應電動勢方向由a→b；cd段導體的感應電動勢方向由c→d。此時，電刷A改為與換向器的滑片2接觸，電刷B與滑片1接觸。隨著線圈在磁場中的不斷轉動，換向器滑片1和2間的感應電動勢是大小和方向都隨時間變化的交變電動勢，但電刷A與B交替地接觸與線圈同時轉動的換向器滑片1和2，因此在電刷A與B間產生的是脈動直流電動勢，從A與B輸出的就是直流電了。

直流發電機和直流電動機在結構上沒有差別。只不過直流發電機是用其他機器帶動，使其導體線圈在磁場中轉動，不斷地切割磁感線，產生感應電動勢，把機械能變成電能。直流發電機由靜止部分和轉動部分組成。靜止部分叫定子，它包括機殼和磁極，磁極當然是用來產生磁場的；轉動部分叫轉子，也稱電樞。電樞鐵芯呈圓柱狀，由硅鋼片疊壓而成，表面沖有槽，槽中放置電樞繞組。換向器是直流電機的構造特徵，，換向器就是那兩個與線圈abed兩端a與d相連的弧形導電滑片1和2，這兩個弧形導電滑片相互絕緣。隨著線圈轉動。兩個固定不動的電刷A和B，緊壓在換向器滑片上，並與外電路相連接。為了減小直流發電機輸出的直流電的脈動性，電樞繞組並不是單線圈，而是由許多線圈組成，繞組中的這些線圈均勻地分佈在電樞鐵芯的槽內，線圈的端點接到換向器的相應的滑片上。換向器實際上由許多弧形導電滑片組成，彼此用雲母片相互絕緣。線圈和換向器的滑片數目越多，產生的直流電脈動就越小，這當然也給製造上帶來困難。直流發電機產生的感應電動勢的大小與定子磁場的磁感應強度和電樞的轉速成正比。中小型直流發電機輸出的額定電壓並不高，為115伏、230伏、460伏。大型的直流發電機輸出的額定電壓在800伏左右，輸出更高電壓的直流發電機屬於高壓特殊機組的範圍內，比較少用了。

旋轉電機結構形式 , 必須有滿足電磁和機械兩方面要求的結構, 旋轉電機必須具備靜止和轉動兩大部分。

1.直流電機靜止部分稱作定子

作用 -- 產生磁場

由主磁極、換向極、機座和電刷裝置等組成

2.直流電機轉動部分稱作轉子(通常稱作電樞)

作用 -- 產生電磁轉矩和感應電動勢

由電樞鐵心和電樞繞組、換向器、軸和風扇等組成

1.主磁極是一種電磁鐵，用 1-1.5 毫米厚的鋼板沖片疊壓緊固而成的鐵心主磁極和換向極示意圖

2.換向極（又稱附加極或間極）

作用 -- 改善換向

換向極裝在兩主磁極之間，也是由鐵心和繞組構成

鐵心一般用整塊鋼或鋼板加工而成；換向極繞組與電樞繞組串聯

3.機座 機座通常由鑄鐵或厚鐵板焊成，有兩個作用：

固定主磁極、換向極和端蓋

作為磁路的一部分。機座中有磁通經過的部分稱為磁軛

4.電刷裝置

作用--把直流電壓、直流電流引入或引出

由電刷、刷握、刷桿座和銅絲辮組成

1.電樞鐵心 兩個用處：

作為主磁路的主要部分

嵌放電樞繞組，通常用0。5mm厚的硅鋼片沖片疊壓而成

2.電樞繞組

直流電機的主要電路部分，用以通過電流和感應產生電動勢以實現機電能量轉換，由許多按一定規律聯接的線圈組成，元件及嵌放方法（圖1.1.16）

3.換向器

直流電機的重要部件，作用---將電刷上所通過的直流電流轉換為繞組內的交變電流或將繞組內的交變電動勢轉換為電刷端上的直流電動勢

按勵磁方式不同，直流發電機可分為

電樞和勵磁繞組由兩個獨立的直流電源供電。

電樞和勵磁繞組並聯後由一個獨立的直流電源供電。

電樞和勵磁繞組串聯後由一個獨立的直流電源供電

復勵電機有兩個繞組，一個並勵繞組，一個串勵繞組，並勵繞組和電樞並聯，和串勵繞組串聯後由 一個獨立的直流電源供電。

直流發電機的主要勵磁方式是他勵式、並勵式和復勵式。

汽車、拖拉機用直流發電機，如不發電或發電很弱可根據情況從下列幾方面找原因：

(1)驅動膠帶過松或因有油污使膠帶打滑，導致發電機達不到規定轉速。

(2)發電機旋轉方向不對。

(3)整流子表面油污影響電流輸出。

(4)整流子脫焊，造成電樞線圈斷路。脫焊線頭往往發生在燒得最嚴重的整流片上。

(5)整流子燒蝕嚴重，出現黑色斑跡，影響電流輸出。

(6)電刷磨損過甚，或電刷彈簧彈力減弱，使電刷與整流子的接觸壓力減小。影響電流輸出。

(7)磁場線圈絕緣受潮，絕緣失效，造成搭鐵短路或者線圈斷路。(8)電樞線圈受潮，造成連線短路。

(9)電樞或磁場接線柱絕緣損壞，與發電機外殼搭鐵。

(10)電刷架與發電機外殼搭鐵。

(11)接線柱鏽蝕。

(12)接線錯誤，絕緣電刷未與電樞接線柱連接+，搭鐵電刷卻與其連接。

(13)發電機磁場剩磁消失。可用蓄電池接於激磁線圈兩端。通以1～4安電流重新充磁，但通電時間要盡量短暫。

大型徠發電機的結構

事實上，轉子也不是永磁體（普通的磁鐵），為了更容易獲得以及可以控制磁場強度，事實上轉子是用電磁鐵的。

大型發電機都為3相交流發電機，並且為了提高發電容量，發電機輸出電壓通常都為幾千伏左右，而這樣根據P=UI就可以讓電流下降減少導線的損耗。

定子有3個繞組，分別以120度的角度擺放，這樣3個繞組的2個端點中的其中一個，捆綁在一起，即為中性線（零線）而其他3個繞組的另一個端點的線，則為相線（火線）

並且轉子通常為2-6極轉子，由於轉子的極數直接決定著發電的頻率，但中國供電為50HZ，即每秒50次切割磁感線，或說每分鐘3000次切割磁感線。這時候，如果是單極（只有一個電磁鐵的轉子）旋轉的話需要3000轉的轉速，則如果使用2極的，只需要1500轉即可。6極則只需要500轉即可（公式為3000轉/分鐘÷極數=轉速）

並且這些每一個極中，事實上是一個繞組，他們通過碳刷以及受電環（不是換向器，是一種圓環，起到讓電力流入轉子但不影響轉子運轉的功能）將定子發出來的電的一小部分，整流後送到轉子進行勵磁。只要控制勵磁的電流，即可控制磁場強度，控制發電電壓和電流。

由於發電機轉子即使沒有電流流過線圈，他也具有少量剩磁（殘留磁性，即鋼鐵被少量磁化）然後只要運轉起來，定子哪怕發出一點點的電也可以緩慢的建立起電壓，然後建立起電流來運轉，如果是新機組或一點剩磁都沒有了，可以接外部電源進行勵磁，等電壓建立起來后再轉為自勵磁。

大型發電機就這樣發電的。

實驗室中的發電機，通常使用定子為永磁體（即普通磁鐵），讓轉子運轉，轉子中的導線切割磁感線而發電，發的電通過受電環（發電機都是用受電環，他每一個繞組有2個環，通常實驗室的就1個繞組，這樣實現發電的）當然也有的是2個繞組的，為了得到直流就需要使用換向器了。不然如果直接用受電環，發出的電就是交流電。

顯然，大型機組的效率肯定比實驗室的高。

很簡單的道理，那麼如果使用受電環來輸出電能，這個設備就會負載非常重同時可能由於接觸不良好而導致電壓電流等不穩定，同時產生的火花也是一種損耗，之所以有火花，就是電能通過熱量而損耗掉了.

發電機通常由定子、轉子、端蓋。電刷。機座及軸承等部件構成。

定子由機座。定子鐵芯、線包繞組、以及固定這些部分的其他結構件組成。

轉子由轉子鐵芯、轉子磁極（有磁扼。磁極繞組)、滑環、(又稱銅環。集電環)、風扇及轉軸等部件組成。

通過軸承、機座及端蓋將發電機的定子，轉子連接組裝起來，使轉子能在定子中旋轉，通過滑環通入一定勵磁電流，使轉子成為一個旋轉磁場，定子線圈做切割磁力線的運動，從而產生感應電勢，通過接線端子引出，接在迴路中，便產生了電流。

從物理結構來說，發電機的定子和轉子除了是一個原動力的拖動外，是完全獨立、互不干擾的兩部分；

發電機的定子是有功源，產生感應電動勢、電流，在原動力的拖動下，向外輸出交流電的有功，由原動力（油量、氣量、風量、水量等）決定有功功率的大小。

發電機的轉子是無功源、繞組從外部引入直流電建立磁場，在原動力的拖動下，向外輸送交流電的無功，由外部輸入（多數用發電機自發的交流電整流而得）的直流電決定無功功率的大小。

從電磁原理來說，轉子和定子又是精密聯繫的，發電機的有功和無功都是由定子輸出的，轉子的力矩決定有功功率的大小，轉子線圈的直流電流決定無功功率的大小。

負載分析

許多因素影響選用發電機組的大小。其中系統用電負載的特性就是一個重要的因素。用戶在選用一台柴油發電機組以前必須仔細考慮以下幾點：

a、是用作常用發電機組還是備用發電機組。

b、考慮今後系統增加的用電量。

c、系統容許的電壓降。

d、電動機起動的情況。

2.機組功率標定

一般供給用戶的柴油發電機組為常用機組它可以連續12小時以額定功率向負載供電(其中有1小時以110%額定功率運行的能力)。在市電故障不太頻繁且供電時間不長的時候用戶可以使用功率標定為備用機組的發電機組。它每年不超過200小時以平均80%最大功率運行，另外每年以100%最大功率運行的時間不應超過25小時。