發(fā)電機(jī)的電磁感應(yīng)、右手定則及正弦交流電的發(fā)生

摘要：同步發(fā)電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)一樣，是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是一種交流發(fā)電機(jī)，從原理上講其工作是可逆的，它不僅可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。同步發(fā)電機(jī)的另一種特殊運(yùn)轉(zhuǎn)方法為同步調(diào)相機(jī)，或稱同步補(bǔ)償機(jī)，專門用來向市電發(fā)送滯后無功容量，以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。

      由《發(fā)電機(jī)電氣工程師學(xué)》所學(xué)常識可知，當(dāng)導(dǎo)體與磁場間有相對運(yùn)動，而使兩者相互切割時，就會在該導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。如果該導(dǎo)體是閉合的，在感應(yīng)電動勢的功用下，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生電流，這個電流稱為感應(yīng)電流。如圖1所示。將一根導(dǎo)線放在兩個磁極的均勻磁場內(nèi)，并在導(dǎo)線的兩端接上一只電壓表，當(dāng)導(dǎo)線在垂直于磁力線方向以一定轉(zhuǎn)速移動時，電壓表的指針就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。以上現(xiàn)狀說明導(dǎo)線與磁場發(fā)生相對運(yùn)動和相互切割后，在其內(nèi)部已產(chǎn)生出感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。

      導(dǎo)線在磁場中發(fā)生感應(yīng)電動勢的方向可以用右手定則來確定。如圖2所示。將右手平伸，掌心迎著磁極N，并使磁力線垂直穿過手掌，拇指和其余四指伸直。這時拇指所指的方向?yàn)閷?dǎo)線的運(yùn)動方向，其余四指的指向就是感應(yīng)電動勢方向。從上述試驗(yàn)可知，導(dǎo)線在均勻磁場內(nèi)沿著與磁力線垂直的方向運(yùn)動時，它所產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的大小與導(dǎo)線在磁場中的高效長度l、磁場的磁通密度B以及導(dǎo)線在磁場中的運(yùn)動速度v成正比，即

      若將導(dǎo)線與外負(fù)載接成閉合回路，導(dǎo)線中就會產(chǎn)生電流并輸出電容量，而同步發(fā)電機(jī)就是根據(jù)這一機(jī)理來制造的。

      在現(xiàn)代社會，交流電被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸和信息通信等各個方面。人們的平常生活，如電風(fēng)扇、空調(diào)、電冰箱、電視機(jī)和計(jì)算機(jī)等家用電器同樣離不開交流電。因此，交流電在生產(chǎn)、生活中占有極其重要的地位?？得魉蛊匠Ｋ玫慕涣麟姸际前凑乙?guī)律變化。正弦交流電是一種大小和方向隨時間做周期性變化的電流。

      如圖3所示為一根直導(dǎo)線在兩極均勻磁場內(nèi)做等速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的交變電動勢。由以上敘說可知，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線中感應(yīng)電動勢的大小取決于磁場的磁通密度、導(dǎo)線在磁場中的高效長度、導(dǎo)線切割磁力線的轉(zhuǎn)速以及導(dǎo)線運(yùn)動方向與磁力線方向的夾角α。而感應(yīng)電動勢的方向則取決于導(dǎo)線切割磁力線的方向。因此，當(dāng)長度不變的導(dǎo)線在均勻磁場內(nèi)按一定方向做等速旋轉(zhuǎn)時，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢數(shù)值將只與導(dǎo)線切割磁力線時的角度有關(guān)。

      由圖3可見，當(dāng)導(dǎo)線時，由于導(dǎo)線的轉(zhuǎn)動方向與磁力線平行，故而并未切割磁力線，也就不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；當(dāng)導(dǎo)線時，導(dǎo)線與磁力線間的夾角比較小，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也較??；當(dāng)導(dǎo)線時，與磁力線的夾角有所增大，于是它發(fā)生的感應(yīng)電動勢也相應(yīng)增大；當(dāng)導(dǎo)線時，導(dǎo)線與磁力線相垂直，這時導(dǎo)線切割磁力線的角度為較大，正好處于磁極的*位置，因而它所發(fā)生的感應(yīng)電動勢也較大。經(jīng)過位置4以后，導(dǎo)線與磁力線的夾角又逐漸減少，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也就漸次降低。當(dāng)轉(zhuǎn)動到位置7時，導(dǎo)線的感應(yīng)電動勢減到零。

      導(dǎo)線以后就進(jìn)入磁場的另一個磁極下面。這時，由于導(dǎo)線切割磁力線的方向與前半轉(zhuǎn)時的方向相反，于是它產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向也隨之相反。當(dāng)導(dǎo)線時，隨著導(dǎo)線切割反方向磁力線角度的變化又逐漸使感應(yīng)電動勢增大；在導(dǎo)線時，將達(dá)到反方向感應(yīng)電動勢的較大值；隨著導(dǎo)線切割磁力線角度的相繼減輕，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也隨之逐漸減少；當(dāng)導(dǎo)線時，感應(yīng)電動勢又回落到零。若導(dǎo)線繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，則該導(dǎo)線內(nèi)的感應(yīng)電動勢數(shù)值將重復(fù)以上的變化。

      如果將導(dǎo)線在圓周上旋轉(zhuǎn)的各點(diǎn)位置展開，用一根直線來表示導(dǎo)線在圓周上移動的角度位置，而在垂直方向按比例畫出導(dǎo)線在這些位置上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，并規(guī)定一個方向的感應(yīng)電動勢為正，相反方向的感應(yīng)電動勢則為負(fù)。這樣，就可以依照這些感應(yīng)電動勢的大小繪出一條按一定規(guī)律變化的曲線所示。這條波動起伏的曲線在數(shù)學(xué)上稱之為正弦曲線，而按這種正弦規(guī)律變化的交流電源，稱為正弦交流電。

      交變電壓或電流完成正負(fù)變化一個循環(huán)所需要的時間稱為周期，并用符號T表示。在單位時間每秒內(nèi)變化的周期數(shù)即為頻率，以符號f表示。不難看出，頻率f與周期T是互為倒數(shù)的關(guān)系。即

      周期的單位為秒（s），頻率的單位為赫茲（Hz）。我國交流電的供電頻率為50赫茲，一般簡寫為f＝50Hz。

      由于交流電壓或電流的大小和方向總是隨時間而不斷變化，因而它在每一瞬間均具有不同的數(shù)值，這個不一樣的值稱之為瞬時值，并規(guī)定用小寫字母表示。一般用i表示電流的瞬時值；v表示電壓的瞬時值；而用e表示電動勢的瞬時值。

      電流、電壓或電動勢在一周期內(nèi)的較大瞬時值稱為較大值，并規(guī)定用大寫字母表示，同時還應(yīng)在字母的右下角標(biāo)以m字樣。例如，康明斯通常用Im表示電流較大值，Um表示電壓較大值，而用Em表示電動勢較大值。

      由以上所述可知，交變電動勢或交變電流均可用一根水平方向的直線來表示時間，再從這根直線上引出垂直線的高度，以表示其電壓或電流的瞬時值。如圖5所示。這種手段能將正弦交流電在一周內(nèi)的變化完整地反映出來。但實(shí)際上正弦交流電是一種持續(xù)的波形，它并沒有確定的起點(diǎn)和終點(diǎn)。不過，為了說明正弦波全面而真實(shí)的情形，還是有必要為正弦波選定一個起點(diǎn)。正弦波的起點(diǎn)及與它由零值開始上升時形成的角度稱為初相角，或稱為起始相位，并用符號表示。

      與此同時，也可以用旋轉(zhuǎn)相量來表示正弦波。這時，相量的長度用來表示正弦電壓或正弦電流的較大值，而旋轉(zhuǎn)相量與水平線之間的夾角表示為相角，并且規(guī)定以逆時針方向旋轉(zhuǎn)為相角的正方向，順時針方向旋轉(zhuǎn)為相角的負(fù)方向；而大于180°的相角，可以改用較小的負(fù)值相角來取代原來大于180°的相角。圖5（a）所示表示導(dǎo)線角時的位置，也即為計(jì)算交變電動勢時的起點(diǎn)；圖5（b）所示為用正弦曲線（c）所示為旋轉(zhuǎn)矢量所表示的正弦波。

      旋轉(zhuǎn)矢量常用來表示幾個頻率相同但相位不一樣的電壓或電流及其相互間的關(guān)系。如圖6（a）所示，在發(fā)電機(jī)電樞上嵌繞有相同的兩個線圈U和V，兩者幾何位置相差90°。根據(jù)電樞的旋轉(zhuǎn)方向可以看出，線圈U的位置要超前于線（b）所示為U和V兩個線圈所產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的正弦曲線。從圖中可以看出，若以圖6（a）所示的位置作為正弦波的起始相位，則線°，線（c）所示為這兩個線圈所產(chǎn)生交變電動勢的矢量圖，因?yàn)檫@兩個線圈用同樣的角速度旋轉(zhuǎn)，因此兩個旋轉(zhuǎn)矢量間將始終保持相差90°相角。

      由此可知，當(dāng)電樞在磁場中以不變的角轉(zhuǎn)速ω逆時針旋轉(zhuǎn)時，兩個線圈都將會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并且其頻率相同、較大值相等。但因兩個線圈所處的空間位置不同，從而導(dǎo)致它們的初相角不相等，以致不能同時達(dá)到較大值或零值。它們的電動勢分別為

      若已知電動勢的較大值Em和初相角ψ，則任意時刻t的電動勢瞬時值e為

      兩個同頻率的正弦量初相角之差（或相位角之差）稱為相位差，用φ表示。eu和ev在任意時刻t的相位差為

      如果兩個正弦量存在相位差，稱它們?yōu)椴煌嗟恼伊?；?dāng)兩正弦量的相位差φ等于零時，稱為同相的正弦量。

      三相正弦交流電就是三個頻率相同，但相位互差120°電氣角度，并且其每相繞組均能在運(yùn)行時發(fā)生按正弦變化的交流電動勢。如圖7所示。

      如圖7（a）所示的交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上設(shè)計(jì)有三個相位互差120°電氣角度的線圈。當(dāng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，就會在電樞線圈內(nèi)發(fā)生三相交流電動勢，而三相間的相位差為互差120°。如圖7（b）所示為該三相正弦交變電動勢的變化曲線，圖中以U相繞組的電動勢從零值開始上升時來作為起始相位；V相繞組的電動勢比U相滯后120°，W相繞組的電動勢又比V相滯后120°（也即W相繞組電動勢比U相滯后240°或比U相超前120°）。就是這樣，U、V、W三相繞組依次產(chǎn)生按正弦變化的電動勢。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)本身組成是對稱的，它所產(chǎn)生的電動勢在一般狀況下是對稱的三相正弦電動勢，若以圖7（b）中U相電動勢經(jīng)零位向正值增加的瞬態(tài)作為起點(diǎn)，這時U相電動勢的瞬時值為

      V相電動勢的瞬時值比U相滯后120°電氣角度，即為

      W相電動勢的瞬時值比V相滯后120°電氣角度，即比U相滯后240°電氣角度（或者說是比U相超前120°電氣角度）。即為

      圖7所示為三相正弦交流發(fā)電機(jī)示意圖。而在實(shí)際應(yīng)用中，三相交流發(fā)電機(jī)的三套繞組是按布置規(guī)定的接法進(jìn)行內(nèi)部連接，并將三相繞組的6根首、尾線端引出，然后按星形或三角形接法連接的。下面將分別分析這兩種接法。

      如將三相繞組的首、尾線端依次相連接，以形成一個自行閉合的三角形回路，并以三相的首端U、V、W與負(fù)荷相接，這種接法稱為三角形接法。如圖8所示。從圖中可以明顯看出，三角形接法時其線電壓等于相電壓。因?yàn)槿嘟涣靼l(fā)電機(jī)的合成電動勢在許多狀況下不可能絕對為零值，所以三相繞組中存在的電動勢差值將會在這個閉合三角形回路內(nèi)發(fā)生環(huán)流，引起繞組發(fā)燙，這種高溫對發(fā)電機(jī)顯然是極為不利的。因此，在中小型三相交流發(fā)電機(jī)繞組中極少采用三角形接法。 

      按三角形連接的三相發(fā)電機(jī)繞組，其線電流與流過每相繞組的相電流，在三相負(fù)載對稱的要素下有著以下關(guān)系：

      即三相交流發(fā)電機(jī)繞組三角形接法時，其線倍。

      將三相繞組的3根首端直接作為相線（或稱端線）輸出，而把三相繞組另外的3根尾端并接在一起作為各相繞組的公共回路，稱為中性線所示，這種接法稱為星形（Y）接法。

      如圖10所示，當(dāng)繞組采用星形接法時，用電壓表測出的每相繞組首端與尾端之間的電壓稱為相電壓。從檢測中可以看出，在正常情形下，三個相電壓的數(shù)值應(yīng)大小相等。而用電壓表所測出的各相繞組首端與首端之間的電壓（即相線之間電壓）稱為線電壓。從檢測中可知，繞組三個線電壓的數(shù)值大小也相等。經(jīng)實(shí)踐和綜述證明，三相繞組在對稱條件下，其相電壓與線電壓之間的相互關(guān)系為：

      即三相對稱繞組若按星形接法連接時，其線倍。如果它們所連接的三相負(fù)荷也是平衡對稱的，其線電流等于相電流。

      同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)的主要差別在于它們的轉(zhuǎn)子速度是否與市電的頻率同步。同步發(fā)電機(jī)需要與市電同步運(yùn)轉(zhuǎn)，而異步發(fā)電機(jī)則需要通過調(diào)節(jié)其速度來匹配電網(wǎng)的頻率。此外，同步發(fā)電機(jī)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、效率高、容量密度大、噪聲低、保養(yǎng)簡易、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因此在大型電力設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。