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吴盛刚，康志林，王文强，罗园
（甘肃电器科学研究院 甘肃天水 741018）
摘要：论述了发电机在电力系统中所起的重要作用和所占的特殊地位，分析了它的基本工作原理，介绍了发电机的各种类型及组成结构，并按发电机的用途分类概括了各自的功能。文末指出了大容量、高效率是发电机的发展方向。
关键词：电力系统；发电机；电磁感应；机械能；电能
中图分类号：TM6
Application and technology prospect of generator in power system
Wu Sheng-gang,Kang Zhi-lin, Wang wen-qiang,Luo Yuan
(Gansu Electric Apparatus Research Institute, Gansu Tianshui 741018, China)
ABSRTACT: This paper discusses the important role and special position of generator in Electric Power System, analyzes its basic working principle, introduces various types and composition structure of generator, the functions of the generators are summarized according to their uses. At the end of the paper, it is pointed out that large capacity and high efficiency is the development direction of generator.
Key Words: Power System; Generator; electromagnetic induction; Mechanical Energy; Electric Energy
0引言
发电厂是电力生产的源头，它的作用主要是实现煤炭、水力等一次能源向电能的转化。根据发电厂发电过程使用一次能源类型的不同，发电形式可分为火力发电（通过燃烧煤、石油、天然气等石化燃料发电）、水力发电、核能发电、风力发电、太阳能发电、潮汐发电、地热发电等。这些发电形式，根据发电过程是否会产生对人体或自然环境有害的排放物，可分为清洁能源发电和非清洁能源发电。水力、风力、太阳能、潮汐、地热等是清洁能源，并具有再生性；核能也被视为清洁能源，但不具有再生性；石化燃料既非清洁能源，也不可再生。据统计，我国火力发电量约占总发电量的83%，水力发电占总发电量的13.3%，核能发电量占总发电量的1.88%。为实现绿色环保、可持续发展的能源战略，我国目前正大力推进清洁能源和可再生能源发电，水电、风电、核电的装机容量正在逐年增大。
1基本工作原理及构成
发电机是利用电磁感应定律将机械能转化为电能的机械装置，是发电厂的核心设备。发电机通常由汽轮机、水轮机或内燃机驱动，小型发电机也可由风轮或其他机械设备驱动，实现其他一次能源向电能转化。为适应不同应用场合，发电机有不同的型号，容量也从几千瓦到一千多兆瓦不等。
发电机的理论基础是法拉第电磁感应定律。发电机由定子、转子、机座、端盖、转轴等几个部分构成，定子固定在机座上，转子通过转轴固定在端盖和机座上，转子和定子间留有气隙。工作时发电机转子旋转，使电枢绕组和内部气隙磁场产生相对运动，从而产生感应电动势，输出电能。发电机的气隙磁场由装设在转子或定子上的励磁绕组（或永磁体）产生，电枢绕组则相应地装设在定子或转子上。发电机结构示意图如图1所示。
图1 发电机结构示意图
2设备类型及应用工况
发电机按工作原理不同分为交流发电机和直流发电机。
2.1交流发电机
交流发电机包括同步发电机和感应发电机。
2.1.1 同步发电机
同步发电机气隙磁场和转子的转速相等，且气隙磁场转速受转子转速控制，通过改变转子转速，可以调节电枢绕组中感应电动势的频率，控制输出交流电的频率。
同步发电机有转速相对固定、无功调节方便、容量大、效率高等特点，但控制维护复杂，存在失步风险。现代发电厂中普遍采用同步发电机。
按照结构形式，同步发电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式。
（1）旋转电枢式同步发电机。
旋转电枢式同步发电机的电枢绕组装设在转子上，主磁极装设在定子上，发电机发出的电能从转子引出。目前仅一些小型发电机采用这种结构。图2为旋转电枢式同步发电机结构示意图。
图2 旋转电枢式同步发电机结构示意图
（2）旋转磁极式同步发电机。
旋转磁极式同步发电机的电枢绕组装设在定子上，主磁极装设在转子上，发电机发出的电能从定子引出。大中型发电机普遍采用这种结构。旋转磁极式同步发电机可分为隐极式和凸极式两种。
1）隐极式同步发电机。
隐极式同步发电机转子为圆柱形，定子和转子间的气隙为均匀分布。根据励磁方式不同，隐极式同步发电机又可分为电励磁式和永磁式两种机型，电励磁式通过对励磁绕组施加直流电励磁，永磁式由转子上安装的永磁体励磁。永磁式发电机受永磁材料的限制，发电功率受到制约，仅适用小容量发电。隐极式同步发电机适用于对转速要求较高的场合，一般火力发电厂均采用电励磁隐极式同步发电机。图3为隐极式同步发电机结构示意图。
图3 隐极式同步发电机结构示意图
(a)电励磁式；(b)永磁式
1—永磁体；2—转子铁芯；3—转轴
2）凸极式同步发电机。
凸极式同步发电机转子有明显凸出的磁极，定子和转子间的气隙为不均匀分布。与隐极式同步发电机相同，凸极式同步发电机也分为电励磁式和永磁式两种机型。凸极式同步发电机适用于对转速要求低的场合，一般水力发电厂多采用电励磁凸极式同步发电机。图4为凸极式发电机结构示意图。
图4 凸极式同步发电机结构示意图
(a)电励磁式；(b)永磁式
1—永磁体；2—转子铁芯；3—转轴
2.1.2感应发电机
感应发电机的气隙磁场和转子存在转速差，故又被称为异步发电机。正常运行时，转子速度一般领先气隙磁场的转速。
感应发电机具有结构简单、转速调节范围宽、无失步问题等特点，但容量小、效率低，发电过程中需消耗大量系统无功功率，运行过程中多需无功补偿设备支撑。感应发电机主要应用于小容量发电厂，如风力发电厂和小型水力发电厂等。
感应发电机根据转子结构的不同，可以分为笼型和绕线型两种。
（1）笼型感应发电机。
笼型感应发电机的转子绕组是一个自行闭合的绕组，它由插入每个转子槽中的导条和两端的环形端环构成，如果去掉铁芯，整个绕组就像一个“圆笼”，故称为笼型绕组。图5为笼型转子绕组结构图。
图5 笼型转子绕组结构图
笼型感应发电机转子结构简单、制造方便，整体强度、刚度都比较高，缺点是转化效率较低。这种绕组结构的发电机多应用于风力发电机等小型发电机中。
（2）绕线型感应发电机。
绕线型感应发电机的转子槽内嵌有用绝缘导线组成的三相绕组，各绕组的出线端分别接到安装于转轴上的三个集电环上，经电刷与外部馈电回路相连。
风力发电领域广泛应用的双馈异步发电机即为绕线型感应发电机。双馈异步发电机通过风力驱动风轮转动为发电机提供动力，其定子绕组直接连接电网，转子绕组经变频器与电网相连。双馈异步发电机由转子绕组进行励磁，通过控制励磁电流可对发电机的转速、功率进行调整，使发电机始终在最佳发电状态工作，并保持定子输出电压和频率不变。图6为运行中的双馈异步风力发电机外观。
图6 双馈异步风力发电机外观
2.2直流发电机
直流发电机通过电磁感应，先在电枢绕组中产生交流电动势，再通过换向器和电刷的换向作用，将此交流电动势转换为直流电动势对外输出。图7为最简单的两极直流发电机模型。
图7最简单的两极直流发电机模型
直流发电机的结构复杂，效率低，仅适用于小容量发电系统，但其输出直流电，无需额外整流装置即可对特殊设备供电。火力发电厂中一般采用直流发电机为主发电机提供励磁电流。另外，在检测电工产品的大容量（高电压，强电流）实验室中也有应用。
3.技术展望与结语
大容量、高效率是发电机的发展方向。就风力发电机而言，国际上单机容量已达到6MW，10MW机组也开始研制；水轮发电机最大单机容量已达到800MW；汽轮发电机最大单机容量更是达到了1000MW。随着冷却技术和超导技术的发展和应用，可以预见发电机的单机容量会进一步提升。
参考文献
[1]汤蕴璆,史乃.电机学.2版[M].北京：机械工业出版社，.
[2]王征庆.大容量试验短路发电机[J].高压电器1988(3).
[3]刘振亚.智能电网知识读本[M].北京:中国电力出版社，.
作者简介
吴盛刚（1939—），男，正高工，本科，长期从事高压电器试验回路及合成试验技术研究工作。
康志林（1974—）男，正高工，本科,从事高低压电器试验检测技术研究和实验室管理工作。
王文强（1995—）男，助理工程师，本科，从事高低压电器试验技术研究及检测工作。
罗园（1989—），男，工程师，硕士，从事高压电器试验技术研究及检测工作。
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