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異步發(fā)電機
用于小功率水輪發(fā)電機的機器
定義及種類
異步發(fā)電機又稱“感應發(fā)電機”。利用定子與轉子間氣隙旋轉磁場與轉子繞組中感應電流相互作用的一種交流發(fā)電機。其轉子的轉向和旋轉磁場的轉向相同，但轉速略高于旋轉磁場的同步轉速。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
籠型轉子異步發(fā)電機結構簡單，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。由于無轉子勵磁磁場，不需要同期及電壓調節(jié)裝置，電站設備簡化。負荷控制十分簡單，多數(shù)情況下不需水輪 機調速器，水輪機可全速運行或在鎖定導葉開度下在一定轉速范圍內變速運行。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)電機調壓能力很弱，當發(fā)電機達到臨界負荷，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載所需的無功，可能是一個缺陷，但當其使用恰當時，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)帶來明顯的技術經(jīng)濟效益。
經(jīng)濟性
⑶異步發(fā)電機轉子為隱極及無同步發(fā)電機類似的轉子繞組，因此一般效率高于同容量同轉速的同步發(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，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。繞組的閉合電路構成感應電流的電樞。當繞組線圈在磁場中旋轉時，由于切割磁力線，在繞組的線圈中就會產(chǎn)生感應電動勢。如發(fā)電機外接負載則有電流產(chǎn)生。這里大家把旋轉的繞組稱為轉子電樞，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。這是最早的感應發(fā)電機，是把機械能轉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)電機是這樣設計的：電線繞在環(huán)狀物上，在與環(huán)狀物的轉軸垂直的磁場中旋轉，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。當時人們只能把機械能轉變成交流電，格拉姆制造直流發(fā)電機是從1832年開始的，嚴格地說，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變成電能。在電磁流體動力發(fā)電機中，燃燒器將燃料轉變成等離子體，燃燒能達到2500—3000℃。等離子體是經(jīng)過高度電離的氣體，由無數(shù)正離子構成。即由無數(shù)個失去電子的原子構成。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重的問題沒有解決。這里應該提到的是，在電磁流體動力發(fā)電機的制造中，包含了瑞典物理學家阿爾芬在這以前十年研究工作的理論成果。
交流
中學物理教材中的發(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。在能量轉換過程中安培力起著重要作用。由安培定律可知，載流導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。當外電路不帶負載時(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轉動，外力矩只需等于摩擦阻力矩，外力矩的功全部轉化為摩擦所生的熱量，這種情況稱為空載運行。當發(fā)電機帶負載(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變?yōu)樨撦d所消耗的電能。可見在能量轉化過程中安培力起了關鍵作用。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幾千伏乃至上萬伏，電流達幾千安培。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。這樣改造后電樞繞組就可以直接與負載相接，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子旋轉，使靜止部分的定子繞組感應出交流電動勢從而輸出電力的交流電機。它是利用電磁感應原理，使機械能轉變?yōu)殡娔艿男D機械。它輸出的電流頻率與轉速之比為恒定值，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。
發(fā)展簡史同步發(fā)電機最初是單相的，在19世紀80年代初應用于電力照明;19世紀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用。
類型同步發(fā)電機按驅動發(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。按轉子結構特點分，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構簡單，中小型同步發(fā)電機多數(shù)采用凸極式轉子。水輪發(fā)電機的轉速比較低，一般只有每分鐘幾十轉至幾百轉，極數(shù)很多，因此水輪發(fā)電機的轉子也都采用凸極式結構。透平發(fā)電機因為轉速較高，如采用凸極式磁極，其離心力太大，于是改變結構形式，把勵磁繞組嵌在圓柱體轉子表面的線槽里，這就是所謂隱極式。
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