異步發(fā)電機（用于小功率水輪發(fā)電機的機器）
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異步發(fā)電機
用于小功率水輪發(fā)電機的機器
基本信息
| 中文名 | 異步發(fā)電機 |
| 外文名 | asynchronous generator |
| 主要優(yōu)點(diǎn) | 結構簡(jiǎn)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 | 感應發(fā)電機 |
收起
定義及種類(lèi)
異步發(fā)電機又稱(chēng)“感應發(fā)電機”。利用定子與轉子間氣隙旋轉磁場(chǎng)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(chǎng)的轉向相同，但轉速略高于旋轉磁場(chǎng)的同步轉速。常用作小功率水輪發(fā)電機。
交流勵磁發(fā)電機又被人們稱(chēng)之為雙饋發(fā)電機.交流勵磁發(fā)電機由于轉子方采用交流電壓勵磁，使其具有靈活的運行方式，在解決電站持續工頻過(guò)電壓、變速恒頻發(fā)電、抽水蓄能電站電動(dòng)-發(fā)電機組的調速等問(wèn)題方面有著(zhù)傳統同步發(fā)電機無(wú)法比擬的優(yōu)越性。交流勵磁發(fā)電機主要的運行方式有以下三種：1）運行于變速恒頻方式；2）運行于無(wú)功大范圍調節的方式；3）運行于發(fā)電-電動(dòng)方式。
產(chǎn)生過(guò)程
優(yōu)缺點(diǎn)
主要優(yōu)點(diǎn)
籠型轉子異步發(fā)電機結構簡(jiǎn)單，牢固，特別適合于高圓周速度電機。無(wú)集電環(huán)和碳刷，可靠性高，不受使用場(chǎng)所限制。由于無(wú)轉子勵磁磁場(chǎng)，不需要同期及電壓調節裝置，電站設備簡(jiǎn)化。負荷控制十分簡(jiǎn)單，多數情況下不需水輪 機調速器，水輪機可全速運行或在鎖定導葉開(kāi)度下在一定轉速范圍內變速運行。異步發(fā)電機盡管可能出現功率搖擺現象，但無(wú)同步發(fā)電機類(lèi)似的振蕩和失步問(wèn)題，并網(wǎng)操作簡(jiǎn)便。
主要缺點(diǎn)
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(wú)功，因此異步發(fā)電機是電網(wǎng)的無(wú)功負載。盡管從原理上說(shuō)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(shí)，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(lèi)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(wú)功，可能是一個(gè)缺陷，但當其使用恰當時(shí)，可作為電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化的一種手段。并將會(huì )對電站和電網(wǎng)帶來(lái)明顯的技術(shù)經(jīng)濟效益。
經(jīng)濟性
⑶異步發(fā)電機轉子為隱極及無(wú)同步發(fā)電機類(lèi)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?xún)?yōu)勢將會(huì )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(chǎng)房面積較同步發(fā)電機電站廠(chǎng)房面積小。
簡(jiǎn)介
在皮克西伊的發(fā)電機中，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，繞組的一端接在永磁發(fā)電機的地線(xiàn)上，另一端接在發(fā)電機的線(xiàn)柱上。繞組的閉合電路構成感應電流的電樞。當繞組線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中旋轉時(shí)，由于切割磁力線(xiàn)，在繞組的線(xiàn)圈中就會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)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(chēng)為轉子電樞，把永久磁鐵稱(chēng)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(chēng)交流發(fā)電機。
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(xiàn)繞在環(huán)狀物上，在與環(huán)狀物的轉軸垂直的磁場(chǎng)中旋轉，每個(gè)繞組電線(xiàn)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電極。格拉姆的情緒異常激動(dòng)，因為以前他只不過(guò)是一個(gè)上過(guò)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。當時(shí)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(kāi)始的，嚴格地說(shuō)，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(shí)驗，在1959年，又成功地制造出第一臺電磁流體動(dòng)力發(fā)電機，它可以把熱能直接轉變成電能。在電磁流體動(dòng)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(guò)高度電離的氣體，由無(wú)數正離子構成。即由無(wú)數個(gè)失去電子的原子構成。自由電子在很強的磁場(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(dòng)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(dòng)力發(fā)電機，不但效能可提高，而且還可節省一半的助燃劑。此外，所達到的溫度超過(guò)了通常的范圍。在渦輪機中，溫度不能超過(guò)800—900℃，若超過(guò)這個(gè)限度，渦輪機就會(huì )受到損壞。遺憾的是，電磁流體動(dòng)力發(fā)電機的電極，在耐高溫方面仍然存在著(zhù)一些嚴重的問(wèn)題沒(méi)有解決。這里應該提到的是，在電磁流體動(dòng)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
利用電磁感應原理獲得交變電動(dòng)勢的機器。1831年10月28日，科學(xué)家法拉第使圓盤(pán)在大型磁鐵的磁場(chǎng)中轉動(dòng)，由此獲得了連續的電流，用電磁感應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(méi)有實(shí)用價(jià)值。實(shí)際應用中為了提高發(fā)電機的電動(dòng)勢從而提高輸出電壓，需要采取兩點(diǎn)措施：第一必須增強發(fā)電機內的磁場(chǎng)，因此總是把產(chǎn)生電動(dòng)勢的線(xiàn)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(chǎng);第二為了提高電動(dòng)勢必須用多匝線(xiàn)圈代替單匝線(xiàn)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(guò)程中安培力起著(zhù)重要作用。由安培定律可知，載流導線(xiàn)在磁場(chǎng)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(shí)(外電路開(kāi)路)，電樞繞組中沒(méi)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轉動(dòng)，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(chēng)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(guò)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變?yōu)樨撦d所消耗的電能。可見(jiàn)在能量轉化過(guò)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(wàn)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(guò)滑環(huán)、電刷與外部直流電源相接。這樣的發(fā)電機稱(chēng)為旋轉磁極式發(fā)電機。現代發(fā)電廠(chǎng)中的發(fā)電機一般都是這種發(fā)電機。
同步
由原動(dòng)機帶動(dòng)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(dòng)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(shí)，頻率必須相等，也就是必須同步旋轉。
發(fā)展簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)，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(cháng)很快，在電力工業(yè)中得到日益廣泛的應用。
類(lèi)型同步發(fā)電機按驅動(dòng)發(fā)電機的原動(dòng)機來(lái)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(diǎn)分，則有凸極式發(fā)電機和隱極式發(fā)電機兩種基本類(lèi)型。由于凸極式的磁極結構簡(jiǎn)單，中小型同步發(fā)電機多數采用凸極式轉子。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(xiàn)槽里，這就是所謂隱極式。
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