异步发电机（用于小功率水轮发电机的机器）

定义及种类

异步发电机又称“感应发电机”。利用定子与转子间气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用的一种交流发电机。其转子的转向和旋转磁场的转向相同，但转速略高于旋转磁场的同步转速。常用作小功率水轮发电机。

交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机.交流励磁发电机由于转子方采用交流电压励磁，使其具有灵活的运行方式，在解决电站持续工频过电压、变速恒频发电、抽水蓄能电站电动-发电机组的调速等问题方面有着传统同步发电机无法比拟的优越性。交流励磁发电机主要的运行方式有以下三种：1）运行于变速恒频方式；2）运行于无功大范围调节的方式；3）运行于发电-电动方式。

产生过程

随着电力系统输电电压的提高，线路的增长，当线路的传输功率低于自然功率时，线路和电站将出现持续的工频过电压.为改善系统的运行特性，不少技术先进的国家，在6"世纪A"年代初开始研究异步发电机在大电力系统中的应用问题，并认为大系统采用异步发电机后，可提高系统的稳定性，可靠性和运行的经济性.

优缺点

主要优点

笼型转子异步发电机结构简单，牢固，特别适合于高圆周速度电机。无集电环和碳刷，可靠性高，不受使用场所限制。由于无转子励磁磁场，不需要同期及电压调节装置，电站设备简化。负荷控制十分简单，多数情况下不需水轮　机调速器，水轮机可全速运行或在锁定导叶开度下在一定转速范围内变速运行。异步发电机尽管可能出现功率摇摆现象，但无同步发电机类似的振荡和失步问题，并网操作简便。

主要缺点

大容量异步发电机必须与同步发电机并列运行或接入电网运行，由同步发电机或电网提供自身所需的励磁无功，因此异步发电机是电网的无功负载。尽管从原理上说异步发电机可以借助于电容器孤立运行在自激状态，但处于这种运行状态时，发电机调压能力很弱，当发电机达到临界负荷，将引起电压崩溃。异步发电机的励磁一般而言可由同步发电机，电网或静止电容器提供。具体的励磁提供方式由电站类型或电网运行条件决定。虽然异步发电机不能提供自身和负载所需的无功，可能是一个缺陷，但当其使用恰当时，可作为电网无功优化的一种手段。并将会对电站和电网带来明显的技术经济效益。

经济性

⑴异步发电机装备的电站由于无需直流励磁系统，同期装置，电站投资费用低。

⑵由于无集电环,电刷，转子励磁绕组，因此维护及运行费用低。

⑶异步发电机转子为隐极及无同步发电机类似的转子绕组，因此一般效率高于同容量同转速的同步发电机.相同的水源下，采用异步发电机可多发电。

⑷异步发电机的上述经济性优势将会由于异步发电机所需励磁（或附加同步容量或附加电容器）受到部分抵消。

⑸异步发电机所需励磁的大小与电机的额定转速成反比（即与电机的极对数成正比），转速越高，标幺值励磁越低。

⑹异步发电机电站厂房面积较同步发电机电站厂房面积小。

简介

发电机是把机械能转换成电能的装置。法国人伊波利特·皮克西伊制成了第一台永磁发电机。

在皮克西伊的发电机中，磁场是一块固定的永久磁铁产生的。绕在板材组件上的一个绕组，在这个磁场中旋转，绕组的一端接在永磁发电机的地线上，另一端接在发电机的线柱上。绕组的闭合电路构成感应电流的电枢。当绕组线圈在磁场中旋转时，由于切割磁力线，在绕组的线圈中就会产生感应电动势。如发电机外接负载则有电流产生。这里大家把旋转的绕组称为转子电枢，把永久磁铁称为定子磁极。1831年，英国人迈克尔·法拉第就是这样作示范表演的。这是最早的感应发电机，是把机械能转变成电能的最早装置。这种发电机产生的电流为交流电，故又称交流发电机。

直到1871年7月17日，比利时人齐纳布·格拉姆发明了第一台用机械能产生电能的直流发电机。格拉姆的发电机是这样设计的：电线绕在环状物上，在与环状物的转轴垂直的磁场中旋转，每个绕组电线的两端连接在整流子的两片上，两个电刷与这个整流子接触形成正电极和负电极。格拉姆的情绪异常激动，因为以前他只不过是一个上过夜校的普通工人，在维也纳博览会上，他一下成了世界知名人士。1878年，他又发明了交流发电机。当时人们只能把机械能转变成交流电，格拉姆制造直流发电机是从1832年开始的，严格地说，格拉姆在1869年发明的是整流子发电机。

美国的马萨诸赛州阿夫科研究实验，在1959年，又成功地制造出第一台电磁流体动力发电机，它可以把热能直接转变成电能。在电磁流体动力发电机中，燃烧器将燃料转变成等离子体，燃烧能达到2500—3000℃。等离子体是经过高度电离的气体，由无数正离子构成。即由无数个失去电子的原子构成。自由电子在很强的磁场作用下，向正电极移动，为正电极所吸附而产生电流。由于电磁流体动力发电机不存在“中间程序”，因此其功率大，效能高。例如，不存在水蒸汽驱动涡轮机的中间程序，这一中间程序可使发电机效能降低40%。使用电磁流体动力发电机，不但效能可提高，而且还可节省一半的助燃剂。此外，所达到的温度超过了通常的范围。在涡轮机中，温度不能超过800—900℃，若超过这个限度，涡轮机就会受到损坏。遗憾的是，电磁流体动力发电机的电极，在耐高温方面仍然存在着一些严重的问题没有解决。这里应该提到的是，在电磁流体动力发电机的制造中，包含了瑞典物理学家阿尔芬在这以前十年研究工作的理论成果。

交流

利用电磁感应原理获得交变电动势的机器。1831年10月28日，科学家法拉第使圆盘在大型磁铁的磁场中转动，由此获得了连续的电流，用电磁感应原理制成了世界上第一台发电机。

中学物理教材中的发电机模型只能用于演示，没有实用价值。实际应用中为了提高发电机的电动势从而提高输出电压，需要采取两点措施：第一必须增强发电机内的磁场，因此总是把产生电动势的线圈绕在铁心上，并用磁性较强的电磁铁代替永磁铁产生磁场;第二为了提高电动势必须用多匝线圈代替单匝线圈。

交流发电机是把机械能变成电能的装置。在能量转换过程中安培力起着重要作用。由安培定律可知，载流导线在磁场中要受到安培力。安培力对电枢绕组提供的是电磁阻力矩。当外电路不带负载时(外电路开路)，电枢绕组中没有电流，此时电枢绕组不受安培力。为了维持电枢匀角速ω转动，外力矩只需等于摩擦阻力矩，外力矩的功全部转化为摩擦所生的热量，这种情况称为空载运行。当发电机带负载(外电路接通)后，则有电流通过电枢绕组，它将受到安培力的电磁阻力矩，这时为保持电枢绕组仍以匀角速ω转动，外力矩必须等于摩擦阻力矩与电磁阻力矩之和。外力矩的功除变为摩擦所生热的部分外将全部转变为负载所消耗的电能。可见在能量转化过程中安培力起了关键作用。一般对发电机提供外力矩的装置主要有汽轮机、水轮机等，相应地就有火力发电及水力发电等形式。近代发电机为了有强大的功率输出，电枢绕组的电压高达几千伏乃至上万伏，电流达几千安培。为了避免由于高电压、大电流在滑环与电刷间造成的严重火花，功率在几十千瓦以上的发电机一般都把电枢和电磁铁互换位置，让电枢固定而磁极旋转。这样改造后电枢绕组就可以直接与负载相接，而让电压和电流都较小的电磁铁的激磁绕组通过滑环、电刷与外部直流电源相接。这样的发电机称为旋转磁极式发电机。现代发电厂中的发电机一般都是这种发电机。

同步

由原动机带动以直流励磁的磁极转子旋转，使静止部分的定子绕组感应出交流电动势从而输出电力的交流电机。它是利用电磁感应原理，使机械能转变为电能的旋转机械。它输出的电流频率与转速之比为恒定值，与其他同步发电机并联发电时，频率必须相等，也就是必须同步旋转。

发展简史同步发电机最初是单相的，在19世纪80年代初应用于电力照明;19世纪80年代末三相异步电动机发明后，同步发电机也改为三相。早期的同步发电机由蒸汽机、柴油机、水轮机或汽轮机驱动，容量都不大，随后透平发电机和水轮发电机的单机容量增长很快，在电力工业中得到日益广泛的应用。

类型同步发电机按驱动发电机的原动机来分，有透平发电机、水轮发电机、柴油发电机等。按转子结构特点分，则有凸极式发电机和隐极式发电机两种基本类型。由于凸极式的磁极结构简单，中小型同步发电机多数采用凸极式转子。水轮发电机的转速比较低，一般只有每分钟几十转至几百转，极数很多，因此水轮发电机的转子也都采用凸极式结构。透平发电机因为转速较高，如采用凸极式磁极，其离心力太大，于是改变结构形式，把励磁绕组嵌在圆柱体转子表面的线槽里，这就是所谓隐极式。

工作原理不论是由哪种原动机驱动，不论转子是凸极式还是隐极式的，同步发电机的工作原理都是相同的。水轮发电机的励磁绕组套在凸形磁极的铁芯上，通入直流电流后，产生励磁磁场。当水轮机带动发电机转子旋转时，跟透平发电机一样，水轮发电机定子绕组内感应出交流电动势，向负载输出电流做功。