發(fā)電機

電力有發(fā)輸變配用5個環(huán)節(jié)，其中發(fā)電是指利用發(fā)電動力裝置將水能、化石燃料(煤炭、石油、天然氣等)的熱能、核能以及太陽能、風能、地熱能、海洋能等轉(zhuǎn)換為電能。

發(fā)電就需要用到發(fā)電機。常見的有水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅(qū)動的發(fā)電機，將水流，氣流，燃料燃燒或原子核裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機械能傳給發(fā)電機，再由發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。

常見發(fā)電機

發(fā)電機主要結(jié)構(gòu)

發(fā)電機主要機構(gòu)

發(fā)電機通常由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋及軸承等部件構(gòu)成。

定子由定子鐵芯、線包繞組、機座以及固定這些部分的其他結(jié)構(gòu)件組成。

轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯（或磁極、磁扼）繞組、護環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)、風扇及轉(zhuǎn)軸等部件組成。

由軸承及端蓋將發(fā)電機的定子，轉(zhuǎn)子連接組裝起來，使轉(zhuǎn)子能在定子中旋轉(zhuǎn)，做切割磁力線的運動，從而產(chǎn)生感應電勢，通過接線端子引出，接在回路中，便產(chǎn)生了電流。

發(fā)電機工作原理

發(fā)電機的工作原理

發(fā)電機是基于法拉第電磁感應定律而來的，即一塊金屬，比如一根銅線，在磁場中運動，金屬內(nèi)部會產(chǎn)生電場。

金屬內(nèi)部的電荷就會沿著電場流動。如果這塊金屬不是一個環(huán)，電荷就會積累在兩端，以電壓的形式存在，把這塊金屬接在一個回路中（回路除金屬以外的其他部分并沒有在磁場中），就產(chǎn)生了電流，于是，發(fā)電機發(fā)出了電。

所以，發(fā)電機的基本原則就是固定住永磁體或者是金屬，讓金屬或者是永磁體不停的運動，運動是相對的嘛，這樣，那塊不停的在磁場中運動的金屬就會源源不斷的發(fā)電。

由這一點可以區(qū)分不同的發(fā)電機，水力發(fā)電機就是利用水從高處落下的能量維持金屬的運動，火電就是利用火燒開水產(chǎn)生的蒸汽的力量維持金屬運動。

發(fā)電機分類

發(fā)電機組類型有很多，按照不同的標準劃分有不同類型的機組，例如：

1、按照動力來源劃分

有柴油發(fā)電機組、燃氣發(fā)電機組、汽油發(fā)電機組、風力發(fā)電機組、太陽能發(fā)電機組、水力發(fā)電機組、燃煤發(fā)電機組等。

2、電能方式

按轉(zhuǎn)換的電能方式可分為交流發(fā)電機和直流發(fā)電機兩大類。

交流發(fā)電機又分為同步發(fā)電機和異步發(fā)電機兩種。同步發(fā)電機又分為隱極式同步發(fā)電機和凸極式同步發(fā)電機兩種?，F(xiàn)代發(fā)電站中最常用的是同步發(fā)電機，異步發(fā)電機很少用。

其中最常用的是柴油發(fā)電機組。

常見發(fā)電機

接下來介紹的是各類常見發(fā)電機的工作原理。

01同步發(fā)電機

三相交流同步發(fā)電機??▲?

同步發(fā)電機是一種最常用的交流發(fā)電機。在現(xiàn)代電力工業(yè)中，它廣泛用于水力發(fā)電、火力發(fā)電、核能發(fā)電以及柴油機發(fā)電。

由于同步發(fā)電機一般采用直流勵磁，當其單機獨立運行時，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，能方便地調(diào)節(jié)發(fā)電機的電壓。若并入電網(wǎng)運行，因電壓由電網(wǎng)決定，不能改變，此時調(diào)節(jié)勵磁電流的結(jié)果是調(diào)節(jié)了電機的功率因數(shù)和無功功率。?

同步發(fā)電機的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與同步電機相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步發(fā)電機中電樞繞組采用單相。

表征同步發(fā)電機性能的主要是空載特性和負載運行特性。這些特性是用戶選用發(fā)電機的重要依據(jù)?。

同步發(fā)電機工作原理??▲?

工作原理：

同步發(fā)電機的基本工作原理包含以下幾個方面。

1.磁場的建立。發(fā)電機運行時，勵磁繞組通過直流勵磁電流，建立極性相同的勵磁磁場，即建立起主磁場。

2.切割運動。原動機，柴油發(fā)電機組或汽油發(fā)電機組拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，機型形同的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組的過程。

3.載流導體發(fā)電機運行后，三相對稱的電流組充當功率繞組，稱為感應電動勢或者感應電流的載體。

4.交變電動勢的產(chǎn)生

同步發(fā)電機的工作原理是實際上就是電磁感應原理。通過轉(zhuǎn)子磁場和定子繞組的相對運動，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋．斵D(zhuǎn)子在原動機的帶動下，轉(zhuǎn)子磁場和定子導體做相對運動，即導體切割磁路線，因此在導體中產(chǎn)生感應電動勢，其方向可根據(jù)u右手定則判斷。由于轉(zhuǎn)子磁極的位置是導體以垂直方向切割磁力線。所以此時定子繞組中的感應電動勢最大，當磁極轉(zhuǎn)動90度時，磁極成水平位置，導體不切割磁力線，器感應電動勢為零。轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)90度，定子繞組感應電動勢又以垂直方向切割磁力線，使感應電動勢達到最大值，但方向與前相反。當轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)90度。感應電動勢又為零。這樣轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周，定子繞組的感應電動勢也發(fā)生正，負變化。如果轉(zhuǎn)子連續(xù)均勻旋轉(zhuǎn)，在定子繞組中就會感應出一個周期性不斷變化的交流電動勢，通過引出線，即可輸出交流電流。

02水力發(fā)電機

水力發(fā)電機??▲?

水力發(fā)電機組也稱“水輪發(fā)電機組”，作用是將河川、湖泊等位于高處具有勢能的水流至低處，經(jīng)水輪機轉(zhuǎn)換成水輪機的機械能，水輪機又推動發(fā)電機發(fā)電，將機械能轉(zhuǎn)換成電能。（如：中國的三峽）。

工作原理：

水力發(fā)電機組的能量轉(zhuǎn)換過程分為兩個階段：

首先由水輪機將水失去的位能轉(zhuǎn)換為機械能，再由發(fā)電機將水輪機的機械能轉(zhuǎn)換為電能。

具體的過程為：在水流的沖擊作用下，水輪機開始旋轉(zhuǎn)，將水的位能轉(zhuǎn)換為機械能；水輪機又帶動同軸相連的發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，在勵磁電流的作用下，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動勵磁磁場旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機的定子繞組切割勵磁磁力線在其中產(chǎn)生感應電動勢，在輸出電能的同時會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個與其旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁制動轉(zhuǎn)矩。由于水流不問斷地作用于水輪機，水輪機從水流中獲得的旋轉(zhuǎn)力矩用于克服電機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁制動轉(zhuǎn)矩，當兩個力矩達到平衡時，水力發(fā)電機組將以某一恒定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，穩(wěn)定地發(fā)出電力，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。所以水輪機和發(fā)電機是水力發(fā)電機組中最關(guān)鍵的兩個部件。

03風力發(fā)電機

風力發(fā)電機??▲?

風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)換為機械功、并帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)來發(fā)電的，是一種價格低廉、運行可靠、無溫室氣體排放的新型發(fā)電系統(tǒng)。

工作原理：
利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風力發(fā)電機技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），便可以開始發(fā)電。

04交流發(fā)電機

汽車交流發(fā)電機??▲?

工作原理：

交流發(fā)電機和直流發(fā)電機產(chǎn)生電流的原理是一樣的，都是“運動的磁場磁力線”在“切割”固定的導線，或者是“運動的導線”在切割固定的磁場磁力線，只要能輸出電流的導線與發(fā)電機磁場有相對運動，發(fā)電機就能發(fā)電了，這里的相對運動就是靠動力拖動發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）使之旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，只不過直流發(fā)電機是通過一個叫換向器（也叫整流子）的裝置把交流電整流成直流電輸出，而交流發(fā)電機沒有換向器，直接輸出交流電而已。

05三相異步發(fā)電機

三相異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖??▲?

異步發(fā)電機又稱“感應發(fā)電機”。

工作原理：

利用定子與轉(zhuǎn)子間氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組中感應電流相互作用的一種交流發(fā)電機。其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同，但轉(zhuǎn)速略高于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。常用作小功率水輪發(fā)電機。

06柴油發(fā)電機

柴油發(fā)電機??▲?

柴油發(fā)電機組是一種獨立的發(fā)電設備，系指以柴油等為燃料，以柴油機為原動機帶動發(fā)電機發(fā)電的動力機械。

工作原理：

簡而言之，就是柴油發(fā)電機驅(qū)動發(fā)電機運轉(zhuǎn)。

在汽缸內(nèi)，經(jīng)過空氣濾清器過濾后的潔凈空氣與噴油嘴噴射出的高壓霧化柴油充分混合，在活塞上行的擠壓下，體積縮小，溫度迅速升高，達到柴油的燃點。柴油被點燃，混合氣體劇烈燃燒，體積迅速膨脹，推動活塞下行，稱為‘作功’。各汽缸按一定順序依次作功，作用在活塞上的推力經(jīng)過連桿變成了推動曲軸轉(zhuǎn)動的力量，從而帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。將無刷同步交流發(fā)電機與柴油發(fā)電機曲軸同軸安裝，就可以利用柴油發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，利用‘電磁感應’原理，發(fā)電機就會輸出感應電動勢，經(jīng)閉合的負載回路就能產(chǎn)生電流。

07測速發(fā)電機

永磁式直流測速發(fā)電機??▲?

測速發(fā)電機是一種測量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機，他把輸入的機械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信號與轉(zhuǎn)速成正比。原理就不贅述了。

發(fā)電能源占比

2011～2020年全國電力裝機結(jié)構(gòu)（單位：萬千瓦）

截至2020年底，全國全口徑火電裝機容量12.5億千瓦、水電3.7億千瓦、核電4989萬千瓦、并網(wǎng)風電2.8億千瓦、并網(wǎng)太陽能發(fā)電裝機2.5億千瓦、生物質(zhì)發(fā)電2952萬千瓦。

2011～2020年全國電力裝機占比

從電源結(jié)構(gòu)看，十年來我國傳統(tǒng)化石能源發(fā)電裝機比重持續(xù)下降、新能源裝機比重明顯上升。2020年火電裝機比重較2011年下降了15.7個百分點，風電、太陽能發(fā)電裝機比重上升了近20個百分點，發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化。

來源：網(wǎng)絡

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