柴油发电机的工作原理与结构

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柴油发电机组的核心部件包括定子、转子、端盖及轴承等。定子部分由定子铁芯、线包绕组、机座以及其他结构件精心组成。而转子则包含转子铁芯（或磁极、磁扼）绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等多个部件。

通过轴承和端盖的巧妙连接，发电机的定子和转子得以组装在一起，使转子能在定内顺畅旋转，进行切割磁力线的动作。这一过程会产生感应电势，经过接线端子的引出，便可接入回路，从而产生电流，为设备提供稳定的电力支持。

汽轮发电机与汽轮机配套的发电机

为了追求更高的效率，汽轮机通常设计为高速运转，其转速标准为1500转/分（对应50赫兹频率）或1800转/分（对应60赫兹频率）。即便是核电站中使用的汽轮机，其转速也维持在1500转/分以上。为了应对高速汽轮发电机中由离心力引发的机械应力和风摩耗问题，其转子设计通常采用细长型，直径较小而长度较大。特别是在3000转/分以上的大容量高速机组中，由于材料强度的限制，转子直径一般不超过1.2米。同时，转子本体的长度也受到临界速度的约束，当本体长度超过直径的6倍时，转子的第二临界速度可能接近电机的运转速度，从而引发较大的运行振动。因此，大型高速汽轮发电机的转子尺寸在设计上必须遵循严格的规范。

10万千瓦左右的空冷电机已接近其转子尺寸的极限，若需进一步提升电机容量，则必须增强其电磁负荷，而这通常通过强化电机冷却来实现。因此，5至10万千瓦以上的汽轮发电机普遍采用高效的氢冷或水冷技术。自70年代起，汽轮发电机的最大容量已提升至130至150万千瓦。近年来，在高临界温度超导电材料领域取得了重大进展，预示着超导技术有望在汽轮发电机中得到应用，这将推动汽轮发电机技术的显著进步。

发电机可分为直流发电机和交流发电机两大类别。其中，交流发电机又进一步细分为同步发电机和异步发电机。在现代化发电站中，同步发电机因其独特的励磁方式和能够同时提供有功功率与无功功率的能力，而成为最常用的类型。相对而言，异步发电机结构简单、操作便捷，但因其缺乏独立的励磁绕组，无法向负载提供无功功率，且需从电网中汲取滞后的磁化电流。这使得异步发电机在运行时必须与其他同步电机并联，或并接大量电容器，从而限制了其应用范围，主要适用于小型自动化设备以及城市电车、电解、电化学等行业的直流电源需求。

过去，直流电源在20世纪50年代之前常采用直流发电机来提供。然而，直流发电机因换向器结构复杂、制造维护成本高、易出故障等缺点，逐渐被交流发电机所取代。随着大功率可控整流器的出现，人们开始采用交流电源经半导体整流来获得直流电，这一技术革新进一步推动了直流发电机在电力领域的退出。

同步发电机，根据所配备的原动机不同，可分为汽轮发电机、水轮发电机以及柴油发电机三大类。尽管它们在结构上有所差异，但共同之处在于，除了小型电机采用永久磁铁产生磁场外，其余大多数情况下，磁场是由通直流电的励磁线圈所产生。这些励磁线圈通常位于转子上，而电枢绕组则固定在定子上。由于励磁线圈的电压和功率相对较低，且仅有两个出线头，因此可以通过滑环轻松引出。相比之下，电枢绕组的电压较高、功率较大，多采用三相绕组，并设有3个或4个引出头，固定在定子上更为便捷。此外，发电机的电枢（定子）铁心由硅钢片叠成，旨在减少铁耗。而对于转子铁心，由于其磁通保持不变，可以由整体钢块制成。特别是在大型电机中，转子承受着巨大的离心力，因此制造转子的材料必须选用高品质钢材。

由于一次能源形态的差异，可以制造出不同类型的发电机。例如，通过利用水利资源和水轮机，我们可以制造出水轮发电机。水库容量和水头落差的差异，会进一步影响到水轮发电机的容量和转速。同样，通过煤、石油等资源与锅炉、涡轮蒸汽机的结合，我们可以制造出汽轮发电机，这种发电机通常以高速运转，如3000rpm。
此外，还有许多其他类型的发电机，如利用风能、原子能、地热和潮汐能的发电机。根据发电机的工作原理，又可以进一步细分为直流发电机、异步发电机和同步发电机。目前，广泛应用的大型发电机主要是同步发电机。

水轮发电机是一种由水轮机驱动的发电机。它将水的动能和重力势能转化为机械功，进而产生电能。我国的三峡工程就是一个很好的例子，展示了水利发电的巨大潜力。然而，核能发电虽然效率高，但污染相对较大，因此在我国的能源结构中，煤炭发电仍然占据重要地位。

目前，由于煤炭资源的紧张和价格上涨，我国正面临着电力供应的挑战。水电站通常位于远离城市的地方，需要通过长距离输电线路向城市供电，这要求水轮发电机必须具备高度的运行稳定性。因此，在电机参数的选择和转子转动惯量的要求上，都有严格的标准。

与汽轮发电机不同，水轮发电机的转子设计得直径大而长度短，这样有利于提高其运行稳定性。此外，水轮发电机组起动和并网的时间较短，运行调度灵活，特别适合作为调峰机组和事故备用机组使用。目前，水轮发电机组的最大容量已达到70万千瓦，展现了其在电力领域的重要地位。

柴油发电机

柴油机与发电机相结合，通过柴油的能量转换，驱动发电机运转，从而产生电能。在柴油机的汽缸内，经过空气滤清器净化后的空气与喷油嘴喷出的高压雾化柴油充分混合。当活塞上行时，混合气体受到挤压，体积缩小，温度急剧上升，达到柴油的燃点后被点燃。随后，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，完成“作功”过程。各个汽缸按照预定的顺序依次进行作功，活塞上的推力经过连杆转化为推动曲轴转动的力量，进而带动整个曲轴旋转。

与此同时，将无刷同步交流发电机与柴油机曲轴同轴安装，利用柴油机的旋转带动发电机的转子。通过“电磁感应”原理，发电机输出感应电动势，经闭合的负载回路即可产生电流。

柴油发电机以内燃机为驱动，启动迅速且操作便捷。然而，由于其发电成本相对较高，因此柴油发电机组主要被应用于应急备用电源的场合，或在流动电站及大电网未覆盖的地区使用。其转速通常控制在1000转/分以下，容量范围在几千瓦至几千千瓦之间，以200千瓦以下的机组使用最为广泛。柴油发电机结构简单，但在剧烈振动的工作环境下，其结构部件特别是转轴必须具备足够的强度和刚度，以防止因振动而断裂。此外，为确保发电机旋转角速度的均匀性，避免电压波动和灯光闪烁，柴油发电机的转子也被设计成具有较大的转动惯量。同时，还需确保轴系的固有扭振频率与柴油机的转矩脉动频率相差至少20%，以防止共振和断轴事故的发生。

柴油发电机组是由柴油机、发电机以及控制系统共同构成。柴油机与发电机之间，通常采用两种连接方式：一种是柔性连接，通过连轴器将两者对接；另一种是刚性连接，则利用高强度螺栓将发电机钢性连接片和柴油机飞轮盘相连结。目前，刚性连接方式在实际应用中更为普遍。在柴油机和发电机安装就绪后，会配备各种传感器，例如水温传感器，它们负责监测柴油机的运行状态，并将数据呈现给操作员。当某些参数达到或超过预设限定值时，控制系统会提前发出警告，若操作员未及时响应，控制系统将自动停机，从而实现对柴油发电机组的自我保护。传感器在这里扮演着接收和反馈信息的重要角色，而机组本身的控制系统则负责解析数据并执行保护措施。

风力发电机，一种将风能转化为机械功的装置
有时也被称为风车。从更广阔的视角来看，它是一种利用太阳能和大气为媒介的热能发动机。与柴油发电相比，风力发电具有显著的环保优势，利用的是可再生的自然能源。然而，在应急情况下，风力发电的可靠性可能不及柴油发电。尽管如此，它仍然是一种适宜长期利用的发电方式，不适合作为备用电源，但非常适合长期稳定供电的需求。

在使用滚筒直流发电机时，需要注意确保其稳定运行和安全操作。
1、在使用发电机时，必须遵循铭牌上的技术规格，如电压、功率和额定输出电流等。例如，对于丰收—27型拖拉机、东方红—40型拖拉机等，常选用150瓦发电机，其额定输出电流为13安；而铁牛—55型拖拉机则通常配备220瓦发电机，额定输出电流为18安。

2、拖拉机上使用的发电机多为并激式，即激磁线圈是并联的，并且总有一端通过机壳与电枢线圈相连。根据激磁线圈的搭铁位置，发电机可分为“内搭铁发电机”和“外搭铁发电机”。国产拖拉机目前普遍采用内搭铁直流发电机。在接线时，需确保激磁线圈的引出线与搭铁的碳刷架相连，以切断激磁线圈中的电流，从而防止发电机发电。此外，某些进口拖拉机上可能使用外搭铁发电机，若需改为内搭铁发电机，只需调换发电机激磁线圈抽头的接线即可。

3、发电机壳上通常标有两个接线柱，分别注明“电枢”和“磁场”。若文字标注模糊，可依据以下方法进行识别。

• 电枢接线柱的特征是直径较粗，它通常接在绝缘的刷架上。
• 磁场接线柱则直径较细，磁场线圈的一个端头会按在上面。
  

4、拖拉机上的发电机组是由发动机驱动的，其转动方向是固定的。在检修时，若发电机被反向旋转，它将无法发电。这是因为正转时，电枢线圈在磁场的作用下会产生感应电流，该电流经调节器与激磁线圈相连通。激磁线圈通电后产生的磁场方向与铁芯的剩磁方向相同，从而使得磁场不断增强，电压迅速升高。然而，在反转时，电流的方向会与正转时相反，导致激磁线圈通电后的磁场方向与铁芯的剩磁方向相反，磁场逐渐减弱，进而导致发电机无法发电。

5、当发电机的电枢未经负载而短路时，发电机并不会烧坏。这是因为在拖拉机上使用的直流发电机通常为并激式。在额定功率下工作时，电枢绕组产生的电流主要输向外电路，仅有小部分输入激磁绕组以产生磁场。当电枢接线柱与机壳短路时，发电机电流会迅速增加，这会在电机内部产生大的压降和强烈的电枢反应，导致输出的电压急剧下降，而激磁电流则迅速消失，使发电机电压接近于零。因此，在这种情况下，发电机并不会烧坏。

6、有时在使用中会发现发电机极性突然改变的现象，即发出的电流方向发生改变。这通常是因为输出电流骤然增大时，电机内部的强烈电枢反应导致铁芯剩磁方向发生改变所引起的。遇到这种情况时，必须及时调整磁极铁芯的剩磁方向以恢复充电电路的正常工作。调整的方法是将蓄电池正极与机壳连接，负极与磁场接线柱短暂触碰2-3秒即可改变磁极铁芯的剩磁方向。此外，在检修中使用蓄电池做电源时，如果不注意连接的极性而改变了激磁线圈的电流方向，也会影响铁芯剩磁的方向和发电机电压的极性。因此，在操作时需特别小心注意。

7、关于直流柴油发电机组的整流子铜片与云母片的关系，一般的做法是整流子铜片间的云母片应低于铜片。这是因为铜片比云母片更容易磨损，随着时间的推移云母片可能会高出整流子铜片，导致碳刷悬空并产生强烈的火花。为了避免这种现象的发生，整流子车光后需要用锯片将云母割低约0.8毫米以使其低于整流子铜片。然而，对于某些直流发电机如ZF—28型和ZF—33型来说，它们采用人工云母与铜片磨损速度相近的设计，因此出厂时并未将云母片割低。对于这类发电机在检修时则无需进行割低操作。