成功大學電機系通識教育應用電學授課老師張天豪.pdfVIP

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成功大學電機系通識教育應用電學授課老師張天豪

發電機 成功大學電機系通識教育 應用電學 授課老師 張天豪 1 發電機的起源 ? 最早的發電機 1832年法國人皮克斯製出了世界上最早的手搖 式發電機。 ? 發電機原理 在靠近磁鐵凹槽處,裝上兩個繞在軟鐵芯上的 線圈,分別對準磁鐵的兩極。搖轉線圈時,線 圈導線中就感應出交流電。每當線圈轉半周, 線圈對應的磁極就改變一次,電流方向也跟著 改變。 發電機 ? 發電機(generator):一種將機械能轉換為電能的設備。基本 上可分為直流發電機(DC generator)與交流發電機(AC generator)兩種,交流發電機又可分為單相(single phase) 及三相(three phase)兩種。 ? 中小型發電機:大樓有緊急柴油引擎三相交流發電機、夜市照 明用的汽油引擎單相交流發電機、汽機車內部的單相或三相 交流發電機,此種發電機均以引擎帶動,由引擎內部的汽缸 使燃油發生進氣、壓縮、爆炸、排氣等過程產生轉矩推動發 電機。 ? 大型發電機: 一般電力公司發電廠則有水力發電機(以水流推 動水輪機轉動)、火力發電機(以燃燒油、煤或瓦斯方式產生 高溫高壓蒸氣,推動蒸氣渦輪機轉動)、核能發電機(以原子 分裂產生高溫高壓使蒸氣渦輪機轉動)等。發電廠的發電機通 常為大容量(高達數仟MW)的三相交流同步發電機。 感應電磁場的原理 (發電機) ? 根據佛萊明右手定則(Fleming’s right hand rule)知,當 右手食指指向磁場方向、姆指的方向為導體移動方向,則中 指指向電流的流動方向(感應電壓的正端) 直流發電機 ? 直流發電機的基本原理 直流發電機之作用原理,如圖 3-6所示,係在線圈兩端分別 焊接在半圓形銅片上,此銅片俗稱整流子,再由電刷將電流 由整流子引出。當線圈在磁場中轉動時,雖產生交流電,但 整流子能使電流以一 定的方向由 C 端電刷流出, D 端電刷 流入而成直流電 直流發電機電壓效應的改善 ? 直流發電機的電壓改善 為了讓原直流發電機的發電脈動電壓更加平滑, 可添加更多線圈及整流片,使輸出電壓的脈動 減少,趨近於理想的直流電壓 直流電機的結構圖 直流電機的實際結構圖 發電機的改進 ? 1867年德國的韋納·西門子發現用電磁鐵代替永久磁 鐵,同樣可以發電。電磁鐵的鐵芯,在不通電流時, 也還殘留有微弱的磁性,當轉動時,利用微磁發出 電流,再反饋給電磁鐵也就能産生出強磁性 ? 1872年,在西門子公司研究發動機的工程師阿特涅 簡化了製造方法,降低了生産成本,改進了發動機 的外觀和功能。於是,西門子公司也因此而更有名 氣,整個德國,以西門子公司爲核心,電力工業得 到了迅速發展。 直流發電機的限制 ? 直流發動機 雖然發展到了的水平,它能發出電壓接 近60萬伏特(volt)、功率近5百萬瓦(watt)的電,輸 送距離達180公里。但這樣的發展很快就達到了技術 上的極限,電壓過高會出現線圈的絕緣性無法保證 等問題。而且將高壓直接送給用戶很危險,許多家 用電器都無法承受幾千伏特甚至幾萬伏特高壓,於 是人們想到交流電可以解決這些難題 交流發電機的發展 ? 1873年阿特涅發明了交流發電機。到1891年, 在德國的法蘭克福實驗成功了利用交流電作 遠距離輸電。當時發出的交流電壓達2000伏 特,送到175公里之外再將電壓變至100伏特, 損失電能25%。由於遠距輸電問題的解決, 交流發電機得到廣泛應用 交流電的產生 ? 交流電壓的產生:將一個矩形線圈放在磁鐵N極、S 極所構成的固定磁場中,使該線圈以某一個特定方 向、特定速度旋轉。線圈旋轉切割了磁通鏈使磁通 鏈對時間發生變化,就發生了交變的感應電勢在導 體中。 單相交流發電機 ? 線圈的兩個端點分別連接不同的滑環(slip-rings) , 該對滑環會隨線圈轉動而旋轉,將滑環以電刷 (brushes)壓住,將電刷兩端加上負載(燈泡或電阻 器),則會有交變的電流通過負載,因此負載兩端會 產生交變的電壓,此種電壓即為單相交流發電機的 電壓 單相交流發電機 ? 單相交流發電機之兩極結構示意圖: 線圈可以串聯連接, 以增加感應電壓。當轉子磁極轉了一圈(360?機械度2?),電 壓的變化則產生一個週波(360?電度2?) 單相交流發電機 ? 單相交流發電機之四極結構示 意圖: 當轉子磁極轉了一圈(360?機 械度?m=2?),電壓的變化則產 生兩個週波(720?電氣度 ?e=4?) , 與總極數P有關。 me P ?? 2 ? 三相交流發電機 ? 若能將單相交流發電機的矩形線圈多加兩組,使它 們三個線圈的空間排列恰好呈現120?的相位差,則 這三組線圈所感應的電壓也會產生120?的相位差,

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