交流发电原理及交流发电机工作原理

直流发电机的工作原理是使线圈在磁场中转动，线圈的工作边不断切割磁力线而发电；反过来，如果磁场旋转，而将线圈固定在其周围，同样也能发电。交流发电机就是把通电线圈所产生的磁场在发电机中旋转，使磁力线切割定子线圈，在线圈内产生交变电动势，利用的是电磁感应原理。图2-24所示为交流发电机的工作原理。发电机的三相定子绕组按一定规律分布在发电机的定子槽中，彼此相差120°电角度。

若转子不停地旋转，则感应电动势和负载中电流的方向和大小将随时间作周期性变化，于是就产生交变电动势和交变电流。由于磁感应强度的分布近似于正弦规律，使交流电也按正弦规律变化，这就是所谓的正弦交流电，它是一般交流电的正弦波形。

实际使用的是三相同步交流发电机，是指转子的转速与旋转磁场的转速相同（同步转速）的三相交流发电机。

图2-24 三相交流发电机的工作原理

a）三相交流发电机 b）输出波形

交流发电机的磁路如图2-25所示。转子爪极的磁力线由转子的N极出发，穿过转子与定子之间很小的气隙进入定子铁心，最后又经过空气隙回到相邻的S极，并通过磁轭构成了磁回路。转子磁极呈鸟嘴形，可使定子绕组感应的交流电动势近似于正弦曲线的波形。

图2-25 交流发电机的磁路

1—磁轭 2—磁场绕组 3—爪极 4—定子铁心 5—三相绕组 6—爪极 7—漏磁 8—轴

由导磁回路可见，在设计交流发电机时，必须保证转子相邻异性磁极间的气隙大于转子与定子间的气隙，以使磁力线穿过定子铁心，定子绕组才能切割磁力线而产生感应电动势。

当转子旋转时，由于定子绕组与磁力线有相对的切割运动，所以在三相绕组中产生频率相同、幅值相等、相位互差120°电角度的正弦电动势e_A、e_B和e_C，其波形如图2-24b所示。三相绕组中电动势的瞬时值方程式为

式中 E_m——每相电动势的最大值；

E_Φ——每相电动势的有效值；

ω——电角速度（ω=2πf）。(www.xing528.com)

可知，交流发电机定子绕组内感应电动势的大小与每相绕组串联的匝数以及感应电动势的频率成正比。即定子绕组的匝数越多，转子转速越高，则绕组内感应电动势也就越高。公式表示为

EΦ=CnΦ

根据电工学原理，交流发电机在采用联结时（见图2-26a），任意两个输出端的输出电压（称为线电压u_L）、输出电流（称为线电流i_L）与每相绕组的相电压u_Φ、相电流i_Φ的关系为

式中 u_L——定子绕组输出的线电压；

u_Φ——每相绕组的相电压；

i_L——定子绕组输出的线电流；

i_Φ——每相绕组的相电流。

当交流发电机定子绕组采用△联结时（见图2-26b），则：

由此可见，在交流发电机相电压相同的情况下（相同转速时），联结比△联结具有较高的输出电压，而当输出线电压相同时，△联结输出电流则较大。因此，采用联结的交流发电机在发动机转速较低时（如怠速时）便可向蓄电池充电，而采用△联结的交流发电机则需较高的发动机转速才能向蓄电池充电（指在与联结有相同的传动比时）。所以，大多车用交流发电机都采用联结，只有在少数大功率交流发电机上才采用△联结。

图2-26 三相绕组不同联结时电压、电流关系

a）联结 b）△联结