異步發電機

異步發電機又稱“感應發電機”。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電機。其轉子的轉向和旋轉磁場的轉向相同，但轉速略高於旋轉磁場的同步轉速。常用作小功率水輪發電機。

交流勵磁發電機又被人們稱之為雙饋發電機。交流勵磁發電機由於轉子方採用交流電壓勵磁，使其具有靈活的運行方式，在解決電站持續工頻過電壓、變速恆頻發電、抽水蓄能電站電動-發電機組的調速等問題方面有着傳統同步發電機無法比擬的優越性。交流勵磁發電機主要的運行方式有以下三種：1） 運行於變速恆頻方式；2） 運行於無功大範圍調節的方式；3） 運行於發電-電動方式。

隨着電力系統輸電電壓的提高，線路的增長，當線路的傳輸功率低於自然功率時，線路和電站將出現持續的工頻過電壓.為改善系統的運行特性，不少技術先進的國家，在6"世紀A"年代初開始研究異步發電機在大電力系統中的應用問題，並認為大系統採用異步發電機後，可提高系統的穩定性，可靠性和運行的經濟性.

籠型轉子異步發電機結構簡單，牢固，特別適合於高圓周速度電機。無集電環和碳刷，可靠性高，不受使用場所限制。由於無轉子勵磁磁場，不需要同期及電壓調節裝置，電站設備簡化。負荷控制十分簡單，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度下在一定轉速範圍內變速運行。異步發電機儘管可能出現功率搖擺現象，但無同步發電機類似的振盪和失步問題，併網操作簡便。

大容量異步發電機必須與同步發電機並列運行或接入電網運行，由同步發電機或電網提供自身所需的勵磁無功，因此異步發電機是電網的無功負載。儘管從原理上説異步發電機可以藉助於電容器孤立運行在自激狀態，但處於這種運行狀態時，發電機調壓能力很弱，當發電機達到臨界負荷，將引起電壓崩潰。異步發電機的勵磁一般而言可由同步發電機，電網或靜止電容器提供。具體的勵磁提供方式由電站類型或電網運行條件決定。雖然異步發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，可作為電網無功優化的一種手段。並將會對電站和電網帶來明顯的技術經濟效益。 ^[1] 

⑴異步發電機裝備的電站由於無需直流勵磁系統，同期裝置，電站投資費用低。

⑵由於無集電環,電刷，轉子勵磁繞組，因此維護及運行費用低。

⑶異步發電機轉子為隱極及無同步發電機類似的轉子繞組，因此一般效率高於同容量同轉速的同步發電機.相同的水源下，採用異步發電機可多發電。

⑷異步發電機的上述經濟性優勢將會由於異步發電機所需勵磁（或附加同步容量或附加電容器）受到部分抵消。

⑸異步發電機所需勵磁的大小與電機的額定轉速成反比（即與電機的極對數成正比），轉速越高，標幺值勵磁越低。

⑹異步發電機電站廠房面積較同步發電機電站廠房面積小。

發電機是把機械能轉換成電能的裝置。法國人伊波利特·皮克西伊製成了第一台永磁發電機。

在皮克西伊的發電機中，磁場是一塊固定的永久磁鐵產生的。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電機的地線上，另一端接在發電機的線柱上。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，由於切割磁力線，在繞組的線圈中就會產生感應電動勢。如發電機外接負載則有電流產生。這裏我們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範表演的。這是最早的感應發電機，是把機械能轉變成電能的最早裝置。這種發電機產生的電流為交流電，故又稱交流發電機。

直到1871年7月17日，比利時人齊納布·格拉姆發明了第一台用機械能產生電能的直流發電機。格拉姆的發電機是這樣設計的： 電線繞在環狀物上，在與環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，他又發明了交流發電機。當時人們只能把機械能轉變成交流電，格拉姆製造直流發電機是從1832年開始的，嚴格地説，格拉姆在1869年發明的是整流子發電機。

美國的馬薩諸賽州阿夫科研究實驗，在1959年，又成功地製造出第一台電磁流體動力發電機，它可以把熱能直接轉變成電能。在電磁流體動力發電機中，燃燒器將燃料轉變成等離子體，燃燒能達到2500—3000℃。等離子體是經過高度電離的氣體，由無數正離子構成。即由無數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生電流。由於電磁流體動力發電機不存在 “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電機效能降低40%。使用電磁流體動力發電機，不但效能可提高，而且還可節省一半的助燃劑。此外，所達到的温度超過了通常的範圍。在渦輪機中，温度不能超過800—900℃，若超過這個限度，渦輪機就會受到損壞。遺憾的是，電磁流體動力發電機的電極，在耐高温方面仍然存在着一些嚴重的問題沒有解決。這裏應該提到的是，在電磁流體動力發電機的製造中，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。 ^[2] 

利用電磁感應原理獲得交變電動勢的機器。1831年10月28日，科學家法拉第使圓盤在大型磁鐵的磁場中轉動，由此獲得了連續的電流，用電磁感應原理製成了世界上第一台發電機。

中學物理教材中的發電機模型只能用於演示，沒有實用價值。實際應用中為了提高發電機的電動勢從而提高輸出電壓，需要採取兩點措施：第一必須增強發電機內的磁場，因此總是把產生電動勢的線圈繞在鐵心上，並用磁性較強的電磁鐵代替永磁鐵產生磁場;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着重要作用。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，外力矩只需等於摩擦阻力矩，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。當發電機帶負載(外電路接通)後，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，外力矩必須等於摩擦阻力矩與電磁阻力矩之和。外力矩的功除變為摩擦所生熱的部分外將全部轉變為負載所消耗的電能。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，相應地就有火力發電及水力發電等形式。近代發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。為了避免由於高電壓、大電流在滑環與電刷間造成的嚴重火花，功率在幾十千瓦以上的發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。這樣改造後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、電刷與外部直流電源相接。這樣的發電機稱為旋轉磁極式發電機。現代發電廠中的發電機一般都是這種發電機。

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，使機械能轉變為電能的旋轉機械。它輸出的電流頻率與轉速之比為恆定值，與其他同步發電機並聯發電時，頻率必須相等，也就是必須同步旋轉。

發展簡史同步發電機最初是單相的，在19世紀80年代初應用於電力照明; 19世紀80年代末三相異步電動機發明後，同步發電機也改為三相。早期的同步發電機由蒸汽機、柴油機、水輪機或汽輪機驅動，容量都不大，隨後透平發電機和水輪發電機的單機容量增長很快，在電力工業中得到日益廣泛的應用。

類型同步發電機按驅動發電機的原動機來分，有透平發電機、水輪發電機、柴油發電機等。按轉子結構特點分，則有凸極式發電機和隱極式發電機兩種基本類型。由於凸極式的磁極結構簡單，中小型同步發電機多數採用凸極式轉子。水輪發電機的轉速比較低，一般只有每分鐘幾十轉至幾百轉，極數很多，因此水輪發電機的轉子也都採用凸極式結構。透平發電機因為轉速較高，如採用凸極式磁極，其離心力太大，於是改變結構形式，把勵磁繞組嵌在圓柱體轉子表面的線槽裏，這就是所謂隱極式。

工作原理不論是由哪種原動機驅動，不論轉子是凸極式還是隱極式的，同步發電機的工作原理都是相同的。水輪發電機的勵磁繞組套在凸形磁極的鐵芯上，通入直流電流後，產生勵磁磁場。當水輪機帶動發電機轉子旋轉時，跟透平發電機一樣，水輪發電機定子繞組內感應出交流電動勢，向負載輸出電流做功。 ^[3]