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【干货】知乎热能博士答主——发电机发电原理

发布时间:2022-10-02 10:01:44 来源:华体会全站官网登录入口 作者:华体会全站官网在线注册

  闭合电路,切割磁感线,感应电流,灯泡发光(高中物理)。问题在于,下面这张图,如何避免导线在旋转过程中纠缠在一起?

  答案是加上滑环(slip rings)和碳刷(carbon brushes),另外把切割磁感线的线圈中与滑环接触的部分变成“一长一短”,分别与两个滑环连接。灯泡接收到了交流电(AC,Alternating Current)。这张图高中物理书上画的很明白,只不过当初从未留心观察思考。

  但是,有刷发电机存在一个缺点,可以形象的理解为,运行过程中,呲呲冒火星(也就是损耗高,效率低,碳刷要经常更换)。

  附件“无刷直流电机的工作原理”视频截图,需要注意,我没找到有刷发电机的结构视频,动图中显示的是一台有刷电动机

  因此,我们需要造一台无刷发电机(brushless generator)。但是问题来了,导线圆周运动切割磁感线的过程中,一直在不停的转动。如何才能不用电刷就对外输出电流呢?答案是,把导线固定,让磁铁转动。感应电流经导线直接流出,无需安装滑环和电刷。

  至此,第一阶段学习完成。不过有一个小问题,既然导线旋转切割磁感线,产生的是交流电,那爱迪生的直流(DC,Direct Current)发电机是怎么做出来的呢?答案是,他没用滑环,用的是换向器(commutator,split rings,一个环,中间劈开两半)。用高中的右手定则比划一下就明白了,灯泡外电路感受到的是永远直流电。至于交流和直流的对比说明,这位答主解答的非常详细。

  因此,以下理解,全部基于高中三角函数知识和电路知识。如果有错误,希望大神指出。想真正学会,一定要耐心学习《电路原理》。

  首先,正弦交流电的数学表达式和图形如下,幅值、角频率和初相位是构成三角函数的三要素,同样也是交流电的三要素。

  如果我是一个白炽灯(纯电阻原件),那我看到的世界是这样的:电压和电流,同时来到了我的身边。在图形上表现为,电流和电压没有相位差。

  如果我是一个电容,世界变成了这个样子:电流先来到了我的身边,帮我在两个极板上积累电荷,达到一定程度后,我有了相应的电压。在图形上表现为,容抗的存在使电流领先电压。

  电感是什么?一个缠绕了导线的铁芯,就构成了一个电感。电感世界中,电流和电压的先后顺序,可以用下面图中变压器的工作原理来解释。

  左侧的交变电流,在铁心中感应出了变化的磁场;变化的磁场又在右侧线圈中产生感应电动势;右侧回路如果闭合,就会有感应电流。在图形上表现为,感抗的存在使电流落后电压。(电磁感应定律的关键,在于一个“变”字。直流电为什么不能变压,因为直流电不能感应出“变化的”磁场)

  于是,现实世界中,电流和电压是有先后顺序的。这个先后顺序,就是理解无功功率的基础。还是以变压器为例,传输过来的总功率S=UI(电流乘电压)要被分为两部分,一部分Q=UIsinφ“先”用于建立磁场,另一部分P=UIcosφ才是“后续”电路实际消耗的。S,P,Q三者构成了功率三角形,其中S为视在功率,Q为无功功率,P为有功功率。cosφ即为功率因数,提高cosφ即为无功补偿。

  懵逼了,对不?我学到这里也懵了。但是,下面这张图又使我清醒了。前面,我们提到无刷发电机,导线固定(定子),磁铁旋转(转子)。磁铁可以是永磁铁(Permanent magnet),也可以替换成一个“被缠绕了线圈的铁芯”。而一个缠绕了线圈的铁芯,就构成了一个电感。对一个电感通电,使“铁芯”变为“磁铁”的过程,即为“励磁”(excitation)。因此,发电机的工作,也是有先后顺序的,先励磁,后发电。励磁,对应着无功;发电,对应着有功。

  第二阶段结束。还有一个小问题,之前不是说,碳刷有缺点吗,但上面的动图里,励磁系统为什么又用到碳刷了呢?这与励磁系统的形式有关,下面再讨论吧。另外,技术没有绝对的好坏。如果一项被抛弃的技术又重新回归,只能说明科学家和工程师克服了该技术原有的缺点,并且充分利用了其优点。工程设计方案优化,就是一个扬长避短的过程。

  磁极是啥?就是是中间旋转的那个。可以是永磁,也可以是励磁。外面的定子绕线,无论接的有多复杂,其目的,只是为了输出三相电。

  中间旋转的,可以是1对磁极(2极,一个N,一个S),可以是2对、三对、很多对……

  磁极对数p与转子转速n的关系如下,其中,f为电网工频。对于我国,f为50Hz。

  汽轮发电机,磁极对数很少,一般为1、2对,所以它的转速很高,为3000r/min或1500r/min。

  汽轮发电机可以降低转速吗?转那么快干啥,多危险。答案是不行。因为锅炉产生的高温高压蒸汽,流速远高于自然界的风速,且能量大(水蒸气焓值高)。因此原动机(汽轮机)必须用高转速来适应高流速、高能量的蒸汽(汽轮机原理)。

  以上介绍的,全是同步发电机。或者说,我们在高中阶段学的交流电原理,是按照同步发电机的原理论述的。所谓“同步”(synchronous),指的是“转子的转速n”和“对电网输出的电力的频率f”之间,存在一个明确的、锁定的关系,也即上文“3. 磁极对数”中的公式:

  (1)永磁同步发电机。转子是一块永磁铁,不需要励磁,直接发电就行了。缺点是什么?先看一下高中感应电动势的公式:

  。随励磁电流的变化,B的大小可调,因而感应电动势可调。然而,永磁铁的磁场强度B很难调整,因而在运行过程中调节困难。

  (2)直流励磁。用“滑环”和“碳刷”将外部直流电接入转子上的励磁绕组(绕组就是线圈)进行励磁。优点是成本低,缺点是维护工作量大。因此,小型同步发电机中采用的较多。

  (3)无刷励磁。为了取消滑环和碳刷,必须将电流在定子侧接通。将励磁机和同步发电机放在一根转轴上。首先,向位于励磁机定子侧的励磁绕组通入小电流三相电,励磁机电枢(电枢就是导线)随主轴转动切割磁感线,产生感应交流电;经整流器变为直流电;直流电再对同步发电机的励磁绕组励磁;最后完成对外发电。转子侧的设备都安装在同一根转轴上,没有相对运动,交流和直流线路直接与相应的设备相连即可。

  (4)带副励磁机的无刷励磁。传统的无刷励磁还需要外界输入三相电。副励磁机的存在,可以使发电机励磁彻底摆脱外电源。所谓副励磁机(pilot exciter),就是一个小型永磁发电机。

  (5)静止励磁(static excitation)。励磁功率取自发电机出口的交流电,经静止换流器整流为直流后,再通过滑环和电刷输入到发电机转子励磁绕组的励磁方式。

  那何为异步(asynchronous)呢?回顾一下高中物理,问自己这样一个问题:对于一个“被缠绕了线圈的铁芯”(也就是转子),有几种办法让它变成一块磁铁(完成励磁)?

  下图是金属探测器的工作原理,利用高中电磁感应定律就能看明白。异步发电机的转子,就是通过电磁感应的方式进行励磁。

  首先,发电机的定子与电网相连,通入50Hz的三相交变电流,感应出变化的磁场B1;

  其次,转子线圈中就会像上图中的金属块一样,感应出磁场B2,也即完成了对转子的励磁;

  最后,励磁后的转子旋转,使得定子线磁场的磁感线,产生感应电流,对外发电。

  有两个小问题:①转子电路要闭合,不然不会有感应电流;②转子铁芯不能浑然一块,而是要用彼此绝缘的、薄薄的硅钢片叠成,降低因电涡流导致的铁芯发热损失。定子铁芯同理。

  第一步,对定子通入三相交流电(来自电网),定子会形成一个等效的旋转磁场。

  附件:How does an Induction Motor work。注意,视频中说的是电动机,我没找到发电机的视频,但是二者原理是一致的。

  第二步,由于定子磁场不断旋转,因而被风机驱动的转子内的磁通量发生了变化,从而产生了感应电流,并进一步生成了感应磁场。

  附件:How does an Induction Motor work。这张图是“电动机”而非“发电机”的动图,不过二者结构相似。笼式异步发电机的转子形式发生了变化,由铁芯和转子导条组成。对于“发电机”,“转子的转速”应当比“定子磁场转速”快。而图中是“电动机”,“转子的转速”比“定子磁场转速”慢。

  (1)定子绕组,在启动时引入三相电,通过电磁感应的方式对转子励磁。发电状态下,通过定子绕组再对外输出电能。由于输出的也是三相电,因此定子绕组时刻会形成一个旋转的磁场。同时,这也表明,如果转子的转速与旋转磁场的转速相同(同步),则转子内磁通量不变,就不会有感应电流了。因此,二者转速必须不一致,也就是“异步”。

  (3)如果转子转速低于同步转速,则会处于电动机状态,风力发电系统经适当延时后会脱网。

  (4)应当深入学习,分析异步发电机的电磁转矩-转速特性曲线)鼠笼式异步发电机,不能产生无功,而是要时刻消耗无功,以维持其定子磁场。

  双馈异步发电机(DFIG),发电机定子接电网,转子接交流励磁变换器,定子转子都参与馈电(向电网送电),所以叫双馈。DFIG兼具同步和异步电机的特性,又可以叫做“交流励磁同步发电机”、“同步感应发电机”、“异步化同步发电机”。

  开发这款发电机的目的:实现风机的变速恒频发电。风机转速随自然界的风速不断变化,但这款发电机可以输出恒频电能,并且可实现最大风能追踪所需要的变速恒频运行。

  。e的频率与转子转速相关,准确的说是与转子上的磁场转速相关。以上所有的同步发电机、鼠笼异步发电机,在转子转速与转子上的磁场转速是绑定的,如果想实现恒频发电,必须配备全功率变化器。

  有没有办法使“转子转速”与“转子上的磁场转速”不直接相关,二者分离?答案是,对转子进行交流励磁。

  DFIG的三种运行状态(具体的公式在所有讲解双馈发电机的教材中均有详细论证):

  (2)超同步,转子向电网输出“转差功率”,也就是转子也能馈电;由于转子也要输出三相电,因此转子绕线的接法要符合三相电的要求,这与以上发电机都不一样。

  还有一种无刷双馈异步发电机(brushless DFIG),取消了碳刷与滑环。想要取消这两样东西,那励磁就必须从定子侧开始。于是,这种BDFIG的定子侧有两组独立的绕组,一组用于励磁,一组用于发电。

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