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異步發(fā)電機
用于小功率水輪發(fā)電機的機器
異步發(fā)電機是利用定子與轉(zhuǎn)子間氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流相互作用的一種交流發(fā)電機。依工作原理又稱“感應(yīng)發(fā)電機”。轉(zhuǎn)速略高于同步轉(zhuǎn)速。輸出功率隨轉(zhuǎn)差率大小而增減。可由電網(wǎng)激磁或用電力電容器自行激磁。
基本信息
| 中文名 | 異步發(fā)電機 |
| 外文名 | asynchronous generator |
| 主要優(yōu)點 | 結(jié)構(gòu)簡單，牢固 |
| 性質(zhì) | 交流發(fā)電機 |
| 用途 | 小功率 水輪發(fā)電機 |
| 別名 | 感應(yīng)發(fā)電機 |
收起
定義及種類
異步發(fā)電機又稱“感應(yīng)發(fā)電機”。利用定子與轉(zhuǎn)子間氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流相互作用的一種交流發(fā)電機。其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同，但轉(zhuǎn)速略高于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。常用作小功率水輪發(fā)電機。
產(chǎn)生過程
優(yōu)缺點
主要優(yōu)點
籠型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，牢固，特別適合于高圓周速度電機。無集電環(huán)和碳刷，可靠性高，不受使用場所限制。由于無轉(zhuǎn)子勵磁磁場，不需要同期及電壓調(diào)節(jié)裝置，電站設(shè)備簡化。負(fù)荷控制十分簡單，多數(shù)情況下不需水輪 機調(diào)速器，水輪機可全速運行或在鎖定導(dǎo)葉開度下在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變速運行。異步發(fā)電機盡管可能出現(xiàn)功率搖擺現(xiàn)象，但無同步發(fā)電機類似的振蕩和失步問題，并網(wǎng)操作簡便。
主要缺點
大容量異步發(fā)電機必須與同步發(fā)電機并列運行或接入電網(wǎng)運行，由同步發(fā)電機或電網(wǎng)提供自身所需的勵磁無功，因此異步發(fā)電機是電網(wǎng)的無功負(fù)載。盡管從原理上說異步發(fā)電機可以借助于電容器孤立運行在自激狀態(tài)，但處于這種運行狀態(tài)時，發(fā)電機調(diào)壓能力很弱，當(dāng)發(fā)電機達(dá)到臨界負(fù)荷，將引起電壓崩潰。異步發(fā)電機的勵磁一般而言可由同步發(fā)電機，電網(wǎng)或靜止電容器提供。具體的勵磁提供方式由電站類型或電網(wǎng)運行條件決定。雖然異步發(fā)電機不能提供自身和負(fù)載所需的無功，可能是一個缺陷，但當(dāng)其使用恰當(dāng)時，可作為電網(wǎng)無功優(yōu)化的一種手段。并將會對電站和電網(wǎng)帶來明顯的技術(shù)經(jīng)濟效益。
經(jīng)濟性
⑶異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子為隱極及無同步發(fā)電機類似的轉(zhuǎn)子繞組，因此一般效率高于同容量同轉(zhuǎn)速的同步發(fā)電機.相同的水源下，采用異步發(fā)電機可多發(fā)電。
⑷異步發(fā)電機的上述經(jīng)濟性優(yōu)勢將會由于異步發(fā)電機所需勵磁（或附加同步容量或附加電容器）受到部分抵消。
⑹異步發(fā)電機電站廠房面積較同步發(fā)電機電站廠房面積小。
簡介
在皮克西伊的發(fā)電機中，磁場是一塊固定的永久磁鐵產(chǎn)生的。繞在板材組件上的一個繞組，在這個磁場中旋轉(zhuǎn)，繞組的一端接在永磁發(fā)電機的地線上，另一端接在發(fā)電機的線柱上。繞組的閉合電路構(gòu)成感應(yīng)電流的電樞。當(dāng)繞組線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)時，由于切割磁力線，在繞組的線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如發(fā)電機外接負(fù)載則有電流產(chǎn)生。這里大家把旋轉(zhuǎn)的繞組稱為轉(zhuǎn)子電樞，把永久磁鐵稱為定子磁極。1831年，英國人邁克爾·法拉第就是這樣作示范表演的。這是最早的感應(yīng)發(fā)電機，是把機械能轉(zhuǎn)變成電能的最早裝置。這種發(fā)電機產(chǎn)生的電流為交流電，故又稱交流發(fā)電機。
直到1871年7月17日，比利時人齊納布·格拉姆發(fā)明了第一臺用機械能產(chǎn)生電能的直流發(fā)電機。格拉姆的發(fā)電機是這樣設(shè)計的：電線繞在環(huán)狀物上，在與環(huán)狀物的轉(zhuǎn)軸垂直的磁場中旋轉(zhuǎn)，每個繞組電線的兩端連接在整流子的兩片上，兩個電刷與這個整流子接觸形成正電極和負(fù)電極。格拉姆的情緒異常激動，因為以前他只不過是一個上過夜校的普通工人，在維也納博覽會上，他一下成了世界知名人士。1878年，他又發(fā)明了交流發(fā)電機。當(dāng)時人們只能把機械能轉(zhuǎn)變成交流電，格拉姆制造直流發(fā)電機是從1832年開始的，嚴(yán)格地說，格拉姆在1869年發(fā)明的是整流子發(fā)電機。
美國的馬薩諸賽州阿夫科研究實驗，在1959年，又成功地制造出第一臺電磁流體動力發(fā)電機，它可以把熱能直接轉(zhuǎn)變成電能。在電磁流體動力發(fā)電機中，燃燒器將燃料轉(zhuǎn)變成等離子體，燃燒能達(dá)到2500—3000℃。等離子體是經(jīng)過高度電離的氣體，由無數(shù)正離子構(gòu)成。即由無數(shù)個失去電子的原子構(gòu)成。自由電子在很強的磁場作用下，向正電極移動，為正電極所吸附而產(chǎn)生電流。由于電磁流體動力發(fā)電機不存在“中間程序”，因此其功率大，效能高。例如，不存在水蒸汽驅(qū)動渦輪機的中間程序，這一中間程序可使發(fā)電機效能降低40%。使用電磁流體動力發(fā)電機，不但效能可提高，而且還可節(jié)省一半的助燃劑。此外，所達(dá)到的溫度超過了通常的范圍。在渦輪機中，溫度不能超過800—900℃，若超過這個限度，渦輪機就會受到損壞。遺憾的是，電磁流體動力發(fā)電機的電極，在耐高溫方面仍然存在著一些嚴(yán)重的問題沒有解決。這里應(yīng)該提到的是，在電磁流體動力發(fā)電機的制造中，包含了瑞典物理學(xué)家阿爾芬在這以前十年研究工作的理論成果。
交流
利用電磁感應(yīng)原理獲得交變電動勢的機器。1831年10月28日，科學(xué)家法拉第使圓盤在大型磁鐵的磁場中轉(zhuǎn)動，由此獲得了連續(xù)的電流，用電磁感應(yīng)原理制成了世界上第一臺發(fā)電機。
中學(xué)物理教材中的發(fā)電機模型只能用于演示，沒有實用價值。實際應(yīng)用中為了提高發(fā)電機的電動勢從而提高輸出電壓，需要采取兩點措施：第一必須增強發(fā)電機內(nèi)的磁場，因此總是把產(chǎn)生電動勢的線圈繞在鐵心上，并用磁性較強的電磁鐵代替永磁鐵產(chǎn)生磁場;第二為了提高電動勢必須用多匝線圈代替單匝線圈。
交流發(fā)電機是把機械能變成電能的裝置。在能量轉(zhuǎn)換過程中安培力起著重要作用。由安培定律可知，載流導(dǎo)線在磁場中要受到安培力。安培力對電樞繞組提供的是電磁阻力矩。當(dāng)外電路不帶負(fù)載時(外電路開路)，電樞繞組中沒有電流，此時電樞繞組不受安培力。為了維持電樞勻角速ω轉(zhuǎn)動，外力矩只需等于摩擦阻力矩，外力矩的功全部轉(zhuǎn)化為摩擦所生的熱量，這種情況稱為空載運行。當(dāng)發(fā)電機帶負(fù)載(外電路接通)后，則有電流通過電樞繞組，它將受到安培力的電磁阻力矩，這時為保持電樞繞組仍以勻角速ω轉(zhuǎn)動，外力矩必須等于摩擦阻力矩與電磁阻力矩之和。外力矩的功除變?yōu)槟Σ了鸁岬牟糠滞鈱⑷哭D(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)載所消耗的電能。可見在能量轉(zhuǎn)化過程中安培力起了關(guān)鍵作用。一般對發(fā)電機提供外力矩的裝置主要有汽輪機、水輪機等，相應(yīng)地就有火力發(fā)電及水力發(fā)電等形式。近代發(fā)電機為了有強大的功率輸出，電樞繞組的電壓高達(dá)幾千伏乃至上萬伏，電流達(dá)幾千安培。為了避免由于高電壓、大電流在滑環(huán)與電刷間造成的嚴(yán)重火花，功率在幾十千瓦以上的發(fā)電機一般都把電樞和電磁鐵互換位置，讓電樞固定而磁極旋轉(zhuǎn)。這樣改造后電樞繞組就可以直接與負(fù)載相接，而讓電壓和電流都較小的電磁鐵的激磁繞組通過滑環(huán)、電刷與外部直流電源相接。這樣的發(fā)電機稱為旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機。現(xiàn)代發(fā)電廠中的發(fā)電機一般都是這種發(fā)電機。
同步
由原動機帶動以直流勵磁的磁極轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使靜止部分的定子繞組感應(yīng)出交流電動勢從而輸出電力的交流電機。它是利用電磁感應(yīng)原理，使機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男D(zhuǎn)機械。它輸出的電流頻率與轉(zhuǎn)速之比為恒定值，與其他同步發(fā)電機并聯(lián)發(fā)電時，頻率必須相等，也就是必須同步旋轉(zhuǎn)。
發(fā)展簡史同步發(fā)電機最初是單相的，在19世紀(jì)80年代初應(yīng)用于電力照明;19世紀(jì)80年代末三相異步電動機發(fā)明后，同步發(fā)電機也改為三相。早期的同步發(fā)電機由蒸汽機、柴油機、水輪機或汽輪機驅(qū)動，容量都不大，隨后透平發(fā)電機和水輪發(fā)電機的單機容量增長很快，在電力工業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。
類型同步發(fā)電機按驅(qū)動發(fā)電機的原動機來分，有透平發(fā)電機、水輪發(fā)電機、柴油發(fā)電機等。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點分，則有凸極式發(fā)電機和隱極式發(fā)電機兩種基本類型。由于凸極式的磁極結(jié)構(gòu)簡單，中小型同步發(fā)電機多數(shù)采用凸極式轉(zhuǎn)子。水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)速比較低，一般只有每分鐘幾十轉(zhuǎn)至幾百轉(zhuǎn)，極數(shù)很多，因此水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子也都采用凸極式結(jié)構(gòu)。透平發(fā)電機因為轉(zhuǎn)速較高，如采用凸極式磁極，其離心力太大，于是改變結(jié)構(gòu)形式，把勵磁繞組嵌在圓柱體轉(zhuǎn)子表面的線槽里，這就是所謂隱極式。
工作原理不論是由哪種原動機驅(qū)動，不論轉(zhuǎn)子是凸極式還是隱極式的，同步發(fā)電機的工作原理都是相同的。水輪發(fā)電機的勵磁繞組套在凸形磁極的鐵芯上，通入直流電流后，產(chǎn)生勵磁磁場。當(dāng)水輪機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，跟透平發(fā)電機一樣，水輪發(fā)電機定子繞組內(nèi)感應(yīng)出交流電動勢，向負(fù)載輸出電流做功。
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