發(fā)電機(jī)動(dòng)畫課件

1、發(fā)電機(jī)系列本欄展示用3d繪制的發(fā)電機(jī)系列教學(xué)課件，通俗易懂、直觀形象。這些課件為青少年科技愛好者而作，可作中學(xué)物理的參考讀物，有些可作為電工參考讀物。發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)原理：課件通過一個(gè)發(fā)電機(jī)原理模型講解了發(fā)電機(jī)的基本原理，動(dòng)畫顯示了磁力線走向、旋轉(zhuǎn)線圈中感應(yīng)電流的方向與輸出電壓的波形。固定磁場(chǎng)交流發(fā)電機(jī)原理模型發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理來發(fā)電的，發(fā)電機(jī)首先要有磁場(chǎng)，現(xiàn)在用一對(duì)磁鐵來產(chǎn)生發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)，磁力線從北極到南極。 在磁場(chǎng)內(nèi)放入矩形線圈，線圈兩端通向兩個(gè)滑環(huán)，滑環(huán)通過電刷連接到輸出線上，輸出線端連有負(fù)載電阻。 當(dāng)線圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線圈兩端將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)磁場(chǎng)是均勻的，矩形線圈作勻

2、速旋轉(zhuǎn)時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)按正弦規(guī)律變化，在負(fù)載電阻上有正弦交流電通過。動(dòng)畫中綠色小球運(yùn)動(dòng)的方向表示感應(yīng)電流的方向、運(yùn)動(dòng)的速度表示感應(yīng)電流的大小。（觀看動(dòng)畫固定磁場(chǎng)交流發(fā)電機(jī)原理模型）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)交流發(fā)電機(jī)原理模型在這個(gè)模型中磁場(chǎng)是不動(dòng)的，線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。在實(shí)際發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的線圈是不運(yùn)動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)的是磁場(chǎng)。產(chǎn)生磁場(chǎng)的是一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的磁鐵，也就是轉(zhuǎn)子，線圈在磁鐵外圍，與磁鐵轉(zhuǎn)軸同一平面。當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 由于空氣的磁導(dǎo)率太低，在旋轉(zhuǎn)磁鐵的外圍安上環(huán)型鐵芯，也就是定子，可大大加強(qiáng)磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在定子鐵芯的內(nèi)圓有一對(duì)槽，線圈嵌裝在槽內(nèi)。為了看清線圈電

3、流與轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，把定子變成半透明的。當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈切割磁力線感生交流電流。 真正發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是電磁鐵，轉(zhuǎn)子上繞有勵(lì)磁線圈，通過滑環(huán)向勵(lì)磁線圈供電來產(chǎn)生磁場(chǎng)。把定子與線圈安在轉(zhuǎn)子外圍，一個(gè)單相交流發(fā)電機(jī)原理模型就組成了。 轉(zhuǎn)子作勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈就感生交流電流，畫面中綠色小球運(yùn)動(dòng)的方向表示感應(yīng)電流的方向、運(yùn)動(dòng)的速度表示感應(yīng)電流的大小。（觀看動(dòng)畫旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)交流發(fā)電機(jī)原理模型）三相交流發(fā)電機(jī)原理模型實(shí)際應(yīng)用的都是三相交流發(fā)電機(jī)，其定子鐵芯的內(nèi)圓均勻分布著6個(gè)槽，嵌裝著三個(gè)相互間隔120度的同樣線圈，分別稱之為A相線圈、B相線圈、C相線圈。裝上轉(zhuǎn)子就組成了一臺(tái)三相交流發(fā)電機(jī)原理模型。 畫面中的三相

4、交流發(fā)電機(jī)采用星形接法，三個(gè)線圈的公共點(diǎn)引出線是中性線，每個(gè)線圈的引出線是相線。 當(dāng)轉(zhuǎn)子勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)三個(gè)線圈順序切割磁力線，都會(huì)感生交流電動(dòng)勢(shì)，其幅度與頻率相同。由于三個(gè)線圈相互間隔120度，它們感應(yīng)電勢(shì)的相位也相差120度。在畫面上有每根相線的輸出電勢(shì)波形。 （觀看動(dòng)畫三相交流發(fā)電機(jī)原理模型）汽輪發(fā)電機(jī)的構(gòu)造這里介紹汽輪發(fā)電機(jī)的構(gòu)造，是由蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)推動(dòng)的發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子與定子組成，由于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，故汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是兩極的，額定轉(zhuǎn)速每分鐘3000轉(zhuǎn)，輸出50赫茲的三相交流電。 這是轉(zhuǎn)子鐵芯構(gòu)造示意圖，在鐵芯圓周上開有一些槽，嵌有勵(lì)磁繞組，在圓周兩側(cè)各有一段槽距大的面稱為大

5、齒，就是磁極（圖1所示）。勵(lì)磁繞組兩端通過集電環(huán)（滑環(huán)）接到勵(lì)磁電源，在轉(zhuǎn)子圓周兩側(cè)就形成北極與南極，旋轉(zhuǎn)時(shí)就產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于轉(zhuǎn)子圓周上沒有凸出的磁極（不像原理模型中的轉(zhuǎn)子），稱之為隱極式轉(zhuǎn)子。 圖2為嵌有勵(lì)磁繞組的轉(zhuǎn)子模型，為降低發(fā)電機(jī)的溫度，在轉(zhuǎn)子兩端還裝有風(fēng)扇。 定子鐵芯由導(dǎo)磁良好的硅鋼片疊成，在鐵芯內(nèi)圓均勻分布著許多槽（圖3所示）。 在槽內(nèi)嵌放定子的三相繞組。每相繞組由多個(gè)線圈組成，按一定規(guī)律對(duì)稱排列。（圖4所示）。使定子鐵芯透明可看清繞組的分布（圖4所示）。 轉(zhuǎn)子插在定子內(nèi)部，定子與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置如圖5所示。 定子固定在發(fā)電機(jī)的機(jī)座（外殼）內(nèi)，轉(zhuǎn)子由機(jī)座兩端的軸承支撐，可在定子內(nèi)自

6、由旋轉(zhuǎn)。集電環(huán)在機(jī)殼外側(cè)，和碳刷架一同裝在隔音罩內(nèi)。在發(fā)電機(jī)外殼下方有發(fā)電機(jī)出線盒，發(fā)出的三相交流電從這里引出（圖6所示）圖7是發(fā)電機(jī)外觀圖下載動(dòng)畫可觀看汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)畫。 多磁極發(fā)電機(jī)原理模型多磁極發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子有多對(duì)磁極， 圖1是有3對(duì)磁極的轉(zhuǎn)子模型。由于每個(gè)磁極都是從轉(zhuǎn)子上明顯凸起，稱之為凸極式轉(zhuǎn)子。每個(gè)磁極上都繞有勵(lì)磁線圈，形成南北相間的6個(gè)磁極，勵(lì)磁電源通過滑環(huán)向勵(lì)磁線圈供電。 該模型的轉(zhuǎn)子有3對(duì)磁極，旋轉(zhuǎn)一周磁場(chǎng)將循環(huán)3個(gè)周期，每旋轉(zhuǎn)120度磁場(chǎng)變化1個(gè)周期。定子內(nèi)園周有18個(gè)槽 在120度機(jī)械角度里有6個(gè)槽，均勻分布A相、B相、C相3個(gè)線圈；另外兩個(gè)120度里同樣各自分布3個(gè)線圈

7、。3個(gè)A相線圈串聯(lián)起來即為整機(jī)的A相繞組，3個(gè)B相線圈串聯(lián)起來即為整機(jī)的B相繞組，3個(gè)C相線圈串聯(lián)起來即為整機(jī)的C相繞組，3個(gè)繞組按星形接法將三個(gè)繞組尾端連在一起引出即中性線，3個(gè)繞組的引出端為相線。 為看清線圈的分布與連接，圖4中定子為半透明。 轉(zhuǎn)子插在定子中，與定子有很小間隙，可自由旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)轉(zhuǎn)子勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)A、B、C相線圈順序切割磁力線，都會(huì)感生交流電動(dòng)勢(shì)，其幅度與頻率相同。由于三個(gè)線圈均勻分布，它們感應(yīng)電勢(shì)的相位也相差120度電角度（每周期為360度電角度）。 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周將感生出3個(gè)周期的三相交流電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為每分鐘1000轉(zhuǎn)時(shí)，所感生交流電動(dòng)勢(shì)的頻率為50赫茲。 本模型僅是個(gè)

8、原理模型，定子線圈的分布與連接僅表示基本規(guī)律，實(shí)際發(fā)電機(jī)上定子的槽數(shù)要多得多，繞組分布也復(fù)雜得多。 通過動(dòng)畫可看到每根相線的輸出電勢(shì)波形。觀看多磁極發(fā)電機(jī)原理模型動(dòng)畫。水輪發(fā)電機(jī)的構(gòu)造水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速都比較低，特別是立式水輪機(jī)，所以水輪發(fā)電機(jī)采用多對(duì)磁極結(jié)構(gòu)，這里介紹一個(gè)有12對(duì)磁極的水輪機(jī)發(fā)電機(jī)模型。 圖1是該水輪機(jī)的轉(zhuǎn)子模型，有南北相間的24個(gè)磁極，每個(gè)磁極上都繞有勵(lì)磁線圈。勵(lì)磁電源通過集電環(huán)（滑環(huán)）向勵(lì)磁線圈供電。集電環(huán)裝在轉(zhuǎn)子軸的端頭。發(fā)電機(jī)定子鐵芯由導(dǎo)磁良好的硅鋼片疊成，在鐵芯內(nèi)圓均勻分布著許多槽， 用來嵌放定子線圈。定子線圈嵌放在定子槽內(nèi)，組成三相繞組，每相繞組由多個(gè)線圈組成，按一定規(guī)

9、律對(duì)稱排列。定子由機(jī)座固定，一同安裝在水泥基礎(chǔ)上。轉(zhuǎn)子插在定子中間，與定子有很小間隙，轉(zhuǎn)子由下機(jī)架支撐，可以自由旋轉(zhuǎn)。安裝好上機(jī)架，鋪好上平臺(tái)地板，在外罩內(nèi)裝好電刷裝置，一臺(tái)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)模型就安裝好了。該水輪機(jī)發(fā)電機(jī)模型轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周將感生出12個(gè)周期的三相交流電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為每分鐘250轉(zhuǎn)時(shí)，所發(fā)交流電的頻率為50赫茲。 請(qǐng)下載動(dòng)畫觀看水輪機(jī)發(fā)電機(jī)模型的運(yùn)轉(zhuǎn)。爪極發(fā)電機(jī)構(gòu)造爪極發(fā)電機(jī)具有制造簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)，主要用在小型發(fā)電場(chǎng)合，特別是在汽車發(fā)電機(jī)、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。其實(shí)它也是一種多極發(fā)電機(jī)，只不過轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的磁極使用的是爪狀磁極。下面介紹一種6對(duì)磁極的爪極發(fā)電機(jī)。 發(fā)電機(jī)定

10、子鐵芯由導(dǎo)磁良好的硅鋼片疊成，在鐵芯內(nèi)圓均勻分布著36個(gè)槽，用來嵌放定子線圈。 在定子槽內(nèi)嵌放著定子線圈，有多種繞法組成三相繞組，以產(chǎn)生三相交流電。 轉(zhuǎn)子的磁極采用爪極結(jié)構(gòu)，這是裝在軸上的一個(gè)爪極，有六個(gè)極。 在爪極內(nèi)裝有產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁軛與勵(lì)磁線圈，在轉(zhuǎn)子軸上有向勵(lì)磁線圈供電的滑環(huán)。 在轉(zhuǎn)軸上再裝上另一個(gè)爪極，使兩個(gè)爪極的磁極交錯(cuò)排列。 下圖面說明爪極的磁場(chǎng)，先觀看沒有兩邊爪極的情況，在軸上裝上滑環(huán)向勵(lì)磁線圈供電，當(dāng)勵(lì)磁線圈通電后磁軛產(chǎn)生的磁場(chǎng)如下圖。 裝上兩邊爪極后，磁力線將沿爪極走動(dòng)，為便于看清磁力線的走向，磁力線改為紅色，爪極改為半透明。 從軸向可更清楚的看到6對(duì)磁極的磁力線走向。 如果把

11、勵(lì)磁線圈與磁軛換成永久磁鐵，同樣可以形成6對(duì)磁極。 為了發(fā)電機(jī)的散熱，在軸上還要裝上風(fēng)扇，這就是一個(gè)完整的轉(zhuǎn)子。 把轉(zhuǎn)子放入定子內(nèi)，裝上向轉(zhuǎn)子供電的電刷。 裝上前后端蓋，就是一臺(tái)爪極發(fā)電機(jī)外觀圖。 從另一個(gè)角度看該爪極發(fā)電機(jī)外觀 這是該爪極發(fā)電機(jī)的剖面圖 以上是爪極發(fā)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)式樣就不一一介紹了。 有關(guān)爪極發(fā)電機(jī)的剖面旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫請(qǐng)到下面網(wǎng)址觀看。變壓器的工作原理變壓器是利用電磁感應(yīng)原理，從一個(gè)電路向另一個(gè)電路傳遞電能的一種電器設(shè)備，它可將一種電壓的交流電能變換為同頻率的另一種電壓的交流電能。 圖1是單相變壓器的原理模型，由鐵心與套在鐵心上的兩個(gè)繞組組成。與電源相連的線圈為一次繞組，

12、與負(fù)載相連的線圈為二次繞組。 U1為輸入一次繞組的電壓，N1為一次繞組的匝數(shù)， U2為二次繞組輸出的電壓，N2為二次繞組的匝數(shù)。 當(dāng)這是一個(gè)理想變壓器時(shí)，在一次繞組輸入按正弦規(guī)律變化的交流電，根據(jù)變壓器的基本原理有： U1/U2=N1/N2 =k k=電壓比（匝數(shù)比） 即輸出電壓U2=U1N2/N1其輸入電壓，輸出電壓、鐵芯磁通的波形圖見圖2，圖中t表示波形移動(dòng)方向。 可下載單相變壓器的輸入輸出電壓波形動(dòng)畫觀看。我們平常使用的都三相交流電，圖3是三相變壓器的原理模型，它由A相繞組、B相繞組、C相繞組與鐵芯組成。三對(duì)繞組完全相同，每對(duì)繞組包含一次繞組與二次繞組，其匝數(shù)比為k。 當(dāng)這是一個(gè)理想變壓

13、器時(shí)，在一次繞組輸入按正弦規(guī)律變化的三相交流電時(shí)，根據(jù)變壓器的基本原理有： U1A、U1B、U1C分別為三相的輸入電壓，U2A、U2B、U2C分別為三相的輸出電壓。U1A/ U2A =U1B/ U2B =U1C/U2C=k 三相變壓器的輸入輸出電壓波形圖見圖4，圖中t表示波形移動(dòng)方向。可下載三相變壓器的輸入輸出電壓波形動(dòng)畫觀看。 電力變壓器的構(gòu)造這是一個(gè)三相電力變壓器的模型。從外觀看主要由變壓器的箱體、高壓絕緣套管、低壓絕緣套管、油枕、散熱管組成。 移去變壓器箱體可看到變壓器的鐵芯與繞組。在鐵芯上有A、B、C三相繞組，每相繞組又分為高壓繞組與低壓繞組。左邊是高壓繞組引出線，右邊是低壓繞組引出線

14、。 把鐵芯與繞組放入箱體，繞組引出線通過絕緣套管內(nèi)的導(dǎo)電桿連到箱體外，導(dǎo)電桿外面是瓷套管，通過它固定在箱體上，保證導(dǎo)電桿與箱體絕緣。為減小因灰塵與雨水引起的漏電，瓷套管外型為多級(jí)傘形。右邊是低壓絕緣套管，左邊是高壓絕緣套管，由于高壓端電壓很高，高壓絕緣套管比較長(zhǎng)。 變壓器箱體（即油箱）里灌滿變壓器油，鐵芯與繞組浸在油里。變壓器油比空氣絕緣強(qiáng)度大，可加強(qiáng)各繞組間、繞組與鐵芯間的絕緣，同時(shí)流動(dòng)的變壓器油也幫助繞組與鐵芯散熱。在油箱上部有油枕，有油管與油箱連通，變壓器油一直灌到油枕內(nèi)，可充分保證油箱內(nèi)灌滿變壓器油，防止空氣中的潮氣侵入。 油箱外排列著許多散熱管，運(yùn)行中的鐵芯與繞組產(chǎn)生的熱能使油溫升高，溫度高的油密度較小上升進(jìn)入散熱管，油在散熱管內(nèi)溫度降低密度增加，在管內(nèi)下降重新進(jìn)入油箱，鐵芯與繞組的熱量通過油的自然循環(huán)散發(fā)出去。（見下圖4、5）一些大型變壓器為保證散熱，裝有專門的變壓器油冷卻器。冷卻器通過上下油管與油箱連接，油通過冷卻器內(nèi)密集的銅管簇，由風(fēng)扇的冷風(fēng)使其迅速降溫。油泵將冷卻的油再打入油箱內(nèi)，下圖是一臺(tái)容量為400000kVA的特大型電力變壓器模型，其低壓端