異步發(fā)電機(jī)（用于小功率水輪發(fā)電機(jī)的機(jī)器）
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異步發(fā)電機(jī)
用于小功率水輪發(fā)電機(jī)的機(jī)器
異步發(fā)電機(jī)是利用定子與轉(zhuǎn)子間氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jī)。依工作原理又稱“感應(yīng)發(fā)電機(jī)”。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(jī) |
| 外文名 | asynchronous generator |
| 主要優(yōu)點(diǎn) | 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固 |
| 性質(zhì) | 交流發(fā)電機(jī) |
| 用途 | |
| 別名 | 感應(yīng)發(fā)電機(jī) |
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定義及種類
異步發(fā)電機(jī)又稱“感應(yīng)發(fā)電機(jī)”。利用定子與轉(zhuǎn)子間氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jī)。其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相同，但轉(zhuǎn)速略高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速。常用作小功率水輪發(fā)電機(jī)。
交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)又被人們稱之為雙饋發(fā)電機(jī).交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)子方采用交流電壓勵(lì)磁，使其具有靈活的運(yùn)行方式，在解決電站持續(xù)工頻過電壓、變速恒頻發(fā)電、抽水蓄能電站電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組的調(diào)速等問題方面有著傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)無法比擬的優(yōu)越性。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)主要的運(yùn)行方式有以下三種：1）運(yùn)行于變速恒頻方式；2）運(yùn)行于無功大范圍調(diào)節(jié)的方式；3）運(yùn)行于發(fā)電-電動(dòng)方式。
產(chǎn)生過程
優(yōu)缺點(diǎn)
主要優(yōu)點(diǎn)
籠型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固，特別適合于高圓周速度電機(jī)。無集電環(huán)和碳刷，可靠性高，不受使用場(chǎng)所限制。由于無轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)，不需要同期及電壓調(diào)節(jié)裝置，電站設(shè)備簡(jiǎn)化。負(fù)荷控制十分簡(jiǎn)單，多數(shù)情況下不需水輪 機(jī)調(diào)速器，水輪機(jī)可全速運(yùn)行或在鎖定導(dǎo)葉開度下在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變速運(yùn)行。異步發(fā)電機(jī)盡管可能出現(xiàn)功率搖擺現(xiàn)象，但無同步發(fā)電機(jī)類似的振蕩和失步問題，并網(wǎng)操作簡(jiǎn)便。
主要缺點(diǎn)
大容量異步發(fā)電機(jī)必須與同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行或接入電網(wǎng)運(yùn)行，由同步發(fā)電機(jī)或電網(wǎng)提供自身所需的勵(lì)磁無功，因此異步發(fā)電機(jī)是電網(wǎng)的無功負(fù)載。盡管從原理上說異步發(fā)電機(jī)可以借助于電容器孤立運(yùn)行在自激狀態(tài)，但處于這種運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)調(diào)壓能力很弱，當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到臨界負(fù)荷，將引起電壓崩潰。異步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁一般而言可由同步發(fā)電機(jī)，電網(wǎng)或靜止電容器提供。具體的勵(lì)磁提供方式由電站類型或電網(wǎng)運(yùn)行條件決定。雖然異步發(fā)電機(jī)不能提供自身和負(fù)載所需的無功，可能是一個(gè)缺陷，但當(dāng)其使用恰當(dāng)時(shí)，可作為電網(wǎng)無功優(yōu)化的一種手段。并將會(huì)對(duì)電站和電網(wǎng)帶來明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
經(jīng)濟(jì)性
⑶異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為隱極及無同步發(fā)電機(jī)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(jī).相同的水源下，采用異步發(fā)電機(jī)可多發(fā)電。
⑷異步發(fā)電機(jī)的上述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)將會(huì)由于異步發(fā)電機(jī)所需勵(lì)磁（或附加同步容量或附加電容器）受到部分抵消。
⑸異步發(fā)電機(jī)所需勵(lì)磁的大小與電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速成反比（即與電機(jī)的極對(duì)數(shù)成正比），轉(zhuǎn)速越高，標(biāo)幺值勵(lì)磁越低。
⑹異步發(fā)電機(jī)電站廠房面積較同步發(fā)電機(jī)電站廠房面積小。
簡(jiǎn)介
在皮克西伊的發(fā)電機(jī)中，磁場(chǎng)是一塊固定的永久磁鐵產(chǎn)生的。繞在板材組件上的一個(gè)繞組，在這個(gè)磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，繞組的一端接在永磁發(fā)電機(jī)的地線上，另一端接在發(fā)電機(jī)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(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于切割磁力線，在繞組的線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如發(fā)電機(jī)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(guó)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(jī)，是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的最早裝置。這種發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流為交流電，故又稱交流發(fā)電機(jī)。
直到1871年7月17日，比利時(shí)人齊納布·格拉姆發(fā)明了第一臺(tái)用機(jī)械能產(chǎn)生電能的直流發(fā)電機(jī)。格拉姆的發(fā)電機(jī)是這樣設(shè)計(jì)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(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，每個(gè)繞組電線的兩端連接在整流子的兩片上，兩個(gè)電刷與這個(gè)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(dòng)，因?yàn)橐郧八徊贿^是一個(gè)上過夜校的普通工人，在維也納博覽會(huì)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(jī)。當(dāng)時(shí)人們只能把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成交流電，格拉姆制造直流發(fā)電機(jī)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(jī)。
美國(guó)的馬薩諸賽州阿夫科研究實(shí)驗(yàn)，在1959年，又成功地制造出第一臺(tái)電磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)，它可以把熱能直接轉(zhuǎn)變成電能。在電磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)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(gè)失去電子的原子構(gòu)成。自由電子在很強(qiáng)的磁場(chǎng)作用下，向正電極移動(dòng)，為正電極所吸附而產(chǎn)生電流。由于電磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)渦輪機(jī)的中間程序，這一中間程序可使發(fā)電機(jī)效能降低40%。使用電磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)，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(jī)中，溫度不能超過800—900℃，若超過這個(gè)限度，渦輪機(jī)就會(huì)受到損壞。遺憾的是，電磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)勢(shì)的機(jī)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(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，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(tái)發(fā)電機(jī)。
中學(xué)物理教材中的發(fā)電機(jī)模型只能用于演示，沒有實(shí)用價(jià)值。實(shí)際應(yīng)用中為了提高發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)從而提高輸出電壓，需要采取兩點(diǎn)措施：第一必須增強(qiáng)發(fā)電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)，因此總是把產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的線圈繞在鐵心上，并用磁性較強(qiáng)的電磁鐵代替永磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng);第二為了提高電動(dòng)勢(shì)必須用多匝線圈代替單匝線圈。
交流發(fā)電機(jī)是把機(jī)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(chǎng)中要受到安培力。安培力對(duì)電樞繞組提供的是電磁阻力矩。當(dāng)外電路不帶負(fù)載時(shí)(外電路開路)，電樞繞組中沒有電流，此時(shí)電樞繞組不受安培力。為了維持電樞勻角速ω轉(zhuǎn)動(dòng)，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(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)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(shí)為保持電樞繞組仍以勻角速ω轉(zhuǎn)動(dòng)，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?？梢娫谀芰哭D(zhuǎn)化過程中安培力起了關(guān)鍵作用。一般對(duì)發(fā)電機(jī)提供外力矩的裝置主要有汽輪機(jī)、水輪機(jī)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(jī)為了有強(qiáng)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(jī)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(jī)稱為旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)?，F(xiàn)代發(fā)電廠中的發(fā)電機(jī)一般都是這種發(fā)電機(jī)。
同步
由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)以直流勵(lì)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(dòng)勢(shì)從而輸出電力的交流電機(jī)。它是利用電磁感應(yīng)原理，使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男D(zhuǎn)機(jī)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(jī)并聯(lián)發(fā)電時(shí)，頻率必須相等，也就是必須同步旋轉(zhuǎn)。
發(fā)展簡(jiǎn)史同步發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)發(fā)明后，同步發(fā)電機(jī)也改為三相。早期的同步發(fā)電機(jī)由蒸汽機(jī)、柴油機(jī)、水輪機(jī)或汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，容量都不大，隨后透平發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量增長(zhǎng)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(jī)按驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)來分，有透平發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分，則有凸極式發(fā)電機(jī)和隱極式發(fā)電機(jī)兩種基本類型。由于凸極式的磁極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中小型同步發(fā)電機(jī)多數(shù)采用凸極式轉(zhuǎn)子。水輪發(fā)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子也都采用凸極式結(jié)構(gòu)。透平發(fā)電機(jī)因?yàn)檗D(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(lì)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，不論轉(zhuǎn)子是凸極式還是隱極式的，同步發(fā)電機(jī)的工作原理都是相同的。水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組套在凸形磁極的鐵芯上，通入直流電流后，產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)。當(dāng)水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，跟透平發(fā)電機(jī)一樣，水輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)感應(yīng)出交流電動(dòng)勢(shì)，向負(fù)載輸出電流做功。
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