高頻發電機

高頻發電機

高頻發電機（high frequency generator），這是一種原理上與一般工業發電機相同的發電機，只是由予結構上的特殊設計，使所得出的交流電的頻率可達到超聲頻的範圍。由於它結構牢固，工作可靠，恆壓輸出，故對獲得大功率超音波來說，這是一種比較好的交流電能源。

基本介紹

  • 中文名：高頻發電機
  • 外文名：High frequency generator
  • 頻率：超聲頻
  • 工作原理：電磁感應（與一般發電機相同）
  • 特點：轉速高、頻率高、電壓高
  • 套用：金屬冶煉
簡介,高頻發電機的原理,高頻發電機的結構,高頻發電機的幾個特徵,

簡介

高頻發電機實際上這是一個轉速高、頻率高、電壓高的交流發電機。它的頻率特性亦和汞弧管變換器一樣，不能到達很高的頻帶。不過它的電源容量可以很大，例如1000周的功率在1000瓦以上的也很普遍，中小型的亦有數十數百瓦。這類發電機大都適用於金屬冶煉工業方面。

高頻發電機的原理

發電機的發電原理如圖所示。
1）在發電機內部有一個由發動機帶動轉子（旋轉磁場）。
交流發電機發電原理交流發電機發電原理
2）旋轉磁場外有一個定子繞組，繞組有三組線圈（三相繞組），三相繞組彼此相隔120°。
3）當轉子旋轉時，旋轉的磁場使固定的電樞繞組切割磁感線（或者說使電樞繞組中通過的磁通量發生變化）而產生電動勢。
①定子三相繞組感生電動勢的大小為
em = Emsinωt =
EΦsinωt
ev = Emsin（ωt -2/3π）=
EΦsin（ωt -2/3π）
ew =Emsin（ωt+2/3π）=
EΦsin（ωt+2/3π）
式中Em——每相電動勢的最大值；ω——電刷角速度。
②定子每相電動勢的有效值為Eφ=Em/（
）=4.44KfNΦ
③交流電動勢波形如圖所示，由圖可見，交流電動勢的幅值是發電機轉速的函式。因此，當轉速凡變化時，三相電動勢的波形為變頻率、變幅值的交流波形。
交流電動勢波形圖交流電動勢波形圖
4）定子三相繞組的接法：定子三相繞組的接法有星形和三角形兩種。
①星形接法：星形接法是每相繞組都有一根線頭都接至公共接點，另外三根線頭分叉成丫形，故也稱為丫形接法。星形接法的優點是低速發電性能好，所以目前多數車用發電機多採用星形接法。
②三角形接法：三角形接法是三相繞組的首尾線頭彼此相接，就像三角形，所以稱為三角形接法。其優點是發電機內部損失小，高轉速時能產生較大的輸出電流，因而主要用在高轉速時有高輸出的交流發電機上，如神龍富康轎車等。三角形接法的缺點是低轉速時輸出的電壓較低。

高頻發電機的結構

只有頻率不超過1000Hz、功率不小於500千伏安的高頻發電機才能根據具有凸極轉子勵磁的同步發電機的製造原理來製造。當功率更小和頻率更高時，由於轉子上相鄰磁極間的間隙過小，所以使用這種結構的可能性就受到了限制。因而難以將勵磁繞組放入轉子內。
感應發電機與標準同步發電機不同，它並不受上述的限制。標準同步發電機阿的勵磁繞組和工作繞組繞在電機的不同部分上，一個繞在定子上，另一個繞在轉子上，這樣，當電機運轉時，兩繞組就相對地位移；在感應發電機內的這兩繞組之間是永遠沒有相對運動的，通常把它們放在定子上，而在轉子上是不放任何繞組的。
感應發電機的結構式樣有多種。首先可根據勵磁繞組放置的位置不同，將它們分為兩類。第一類：勵磁繞組放在定子槽內，並且它們不環繞轉子的軸線，這類稱為分段磁路式。勵磁繞組所產生的磁通跨越兩段之間而成閉合迴路，如圖所示。沿定子內表面一周極性的改變次數相當於定子勵磁繞組槽的數目，在這種情況下，每一段即是一極。這種發電機的轉子是用0.2～0.35公厘厚的電機矽鋼片疊成。
分段磁路式感應發電機分段磁路式感應發電機
第二類：發電機的勵磁繞組是成環狀繞著轉子的軸線，故可稱為環形磁路式。這類發電機一般是由兩個或數個用綱片疊戍的定子采且成，並壓入鋼或鑄鐵制的實心體殼內。轉子通常是用一整塊鋼製成，轉子的周圈沿軸向銑成許多槽；有時為了減少同空氣的摩擦，再用非磁性材料（如鉛）把槽填滿。環形勵磁繞組是放在兩定子之間的縫隙內。在此情況下，激勵磁通從一個定子通過轉子和外殼到另一個定子而閉合。每個定子周圍內表面的極性總是不變的，並且相鄰兩定子的極性總是相反。
感應發電機轉子的表面為齒狀。轉子齒頂的寬度約為齒距的40%。齒間凹槽的底常成圓形，槽深一般不超過槽寬。

高頻發電機的幾個特徵

用發電機來作為高頻電源，若與其它的幾種高頻電源器來比較，則它在某些性質上有很大的不同。同時高頻
發電機與普通交流發電機，亦因要求與目的之不同，決不能簡單地混為一談。現在扼要地把高頻發電機的幾個主要特徵說明 如下。
一、串聯電容器的效果
高頻發電機有相當大的電樞感抗，因此，如果不加糾正的話，則在負載加上時，端電壓將發生大量下降的後果，從而不能把相當的輸出電功率加在負載上面。通常可按圖（甲）的辦法，在負載R與發電機巨之同串接一個電容器C，這電容器就有抵消部分電根威抗的效果。如果所串聯電容器的容抗（XC）相等於電樞繞組感抗（XL），即XC=XL，事實上像串聯諧振電路，負載可當作純粹的電阻看待了。
串聯效果串聯效果
二、發生電壓的計算
把圖（乙）的定子與轉子排列法拉平後印成下圖，圖中（甲）是定子，（乙）是轉子，（丙）是分布在隙口同磁通波形，（丁）是定子繞組。圖中的地位表示轉子的齒恰在定子的兩個槽口之間，故此時磁通量亦最強。由圖可知，嵌在定子槽中的電線圈，發生作用的只是它的兩邊。所以，電樞線圈的感應電壓顯然是由於在這兩邊的導體割切磁通而發生的；這感應電壓關係到達部分導體的長度（l，m）與磁通密度（B，Wb）及相關的運行速度（v，m/s），並總保持在導體與磁場互成90度角上。電壓e的計算公式是：
感體式發電機的定子與轉子的排列法感體式發電機的定子與轉子的排列法
e=Blv×10（V）
從上式可以看出，無論定子繞圈的導體在磁通中掠過，或是匝連導體的磁通密度變化，都可以得到成應電壓e的結果。在這種感體式發電機上，如圖（丙）所示，隙口間磁通強度分布是由“B最小到B最大”作循環起伏形式的變化。當轉子移動時（轉子在定子下掠過），定子導體所割切的磁通波形將隨轉子所在的位置不同而變化，不過定子的槽口是半封閉的，所以這種變化並不太大。
磁通割切定子線圈導體的變化是介於B最大與B最小之間，可注意的，這裡並不是磁通方向的變換。因此一個單匝線圈繞在一定子齒上時，它的兩邊即在兩個槽口中，它所產生的總電壓將是兩邊所生電壓之差。第一邊線圈的最高電壓：e1 = Bmaxlv×10（V）
在這一瞬時的第二邊族圖的最低電壓：e2 = Bminlv×10（V）
三、高頻發電機的電壓控制
由於感體式高頻發電機含有較高的電樞感抗，所以一經負載就發生很大的端電壓變動。為了減少這種變動，所以常用串聯電容器，有的時候還用自動電壓調整器，使在變動負載時，端電壓能夠保持在一定常值。在有些場合，就是用普通的手動控制亦夠應付了，這是指負載是單一的、又加熱時間是較長的情況（如金屬熔冶等）。現在不論是手動抑自動控制，都是控制發電機的激磁電流。
自動電壓控制的方法亦有多種，有的用機械方法來控制，依靠小電動機及齒輪等拖動，並將激磁電流適當地開大開小。進步的方法是用電子學方法，它的特點是速度很高，它能在整個負載范國內把端電壓保持在1%的變動之內。
控制的速度反應亦與激磁電路的時間常數有關，如前邊的異極發電機反應鞍快，單極發電機則反應較慢。原來激磁電流的增減，雖然在一定範圍內影響發電機輸出電壓的大小，但這中間尚有反應時間快慢的問題；即單極發電機在激磁電流變動時，它控制輸出電壓的時間，慢於異極發電機。

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