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發電機

發布日期:2019-02-19 作者: 點擊:

發電機


發電機(英文名稱:Generators)是將其他形式的能源轉換成電能的機械設備,它由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅動,將水流,氣流,燃料燃燒或原子核裂變產生的能量轉化為機械能傳給發電機,再由發電機轉換為電能。發電機在工農業生產、國防、科技及日常生活中有廣泛的用途。


發電機的形式很多,但其工作原理都基于電磁感應定律和電磁力定律。因此,其構造的一般原則是:用適當的導磁和導電材料構成互相進行電磁感應的磁路和電路,以產生電磁功率,達到能量轉換的目的。


主要結構


發電機通常由定子、轉子、端蓋及軸承等部件構成。


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構件組成。


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


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


主要分類


根據《2013-2017年 中國發電機及發電機組行業市場前瞻與投資商機分析報告》統計,發電機的分類包括:


發電機分:直流發電機和交流發電機;


交流發電機分:同步發電機和異步發電機(很少采用);


交流發電機還可分為單相發電機與三相發電機。


發電機的種類有很多種。從原理上分為同步發電機、異步發電機、單相發電機、三相發電機。從產生方式上分為汽輪發電機、水輪發電機、柴油發電機、汽油發電機等。從能源上分為火力發電機、水力發電機等。


工作原理


柴油發電機


柴油機驅動發電機運轉,將柴油的能量轉化為電能。


在柴油機汽缸內,經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’。


汽油發電機


汽油機驅動發電機運轉,將汽油的能量轉化為電能。


在汽油機汽缸內,混合氣體劇烈燃燒,體積迅速膨脹,推動活塞下行作功。


無論是柴油發電機還是汽油發電機,都是各汽缸按一定順序依次作功,作用在活塞上的推力經過連桿變成了推動曲軸轉動的力量,從而帶動曲軸旋轉。將無刷同步交流發電機與動力機曲軸同軸安裝,就可以利用動力機的旋轉帶動發電機的轉子,利用‘電磁感應’原理,發電機就會輸出感應電動勢,經閉合的負載回路就能產生電流。


相關規程


安裝規程


機組啟動前的準備:


1.檢查潤滑油的油位、冷卻液液位、燃油量;


2.檢查柴油機的供油、潤滑、冷卻等系統各個管路及接頭有無漏油漏水現象;


3.檢查電氣線路有無破皮等漏電隱患,接地線電氣線路是否松動,機組與基礎的連接是否牢固;


4.若環境溫度低于零度時,須在散熱器內添加一定比例的防凍劑;


5.柴油發電機組第一次啟動或停機較長時間后再次啟動,應先用手壓泵排盡燃油系統內的空氣。


啟動:


1.合上控制箱內的保險后,按啟動按鈕,按下按鈕3~5s,若啟動不成功,應等20s左右再次啟動。若多次啟動不成功,應停止啟動操作,排除電瓶電壓或油路等故障因數后,再次啟動;


2.啟動時應觀察幾油壓力,若油壓無顯示或很低時,應立即停車檢查。


運行:


1.機組啟動后,檢查控制箱模塊各項參數;機油壓力、水溫、電壓、頻率等;


2.通常情況下,機組啟動后轉速直接達到額定轉速;有怠速要求的機組,怠速時間一般為3~5min,怠速時間不易過長,否則可能燒壞發電機相關元器件;


3.檢查機組油路、水路及電器的滲漏情況;


4.檢查機組各連接處的緊固情況,看有無松動和劇烈振動;


5.觀察機組各種保護和監視裝置是否正常;


6.當轉素達到額定轉速,起空載運行的各項參數穩定后,合閘供電;


7.檢查確認控制屏各項參數是否在允許的范圍內,再次檢查機組的振動,有無三漏及其他故障;


8.機組運行時嚴禁超載。


正常停機:


停機前必須先分閘,一般情況卸載后需運行3~5min停機。


緊急停機:


1.發電機組運轉出現異常情況時,必須立即停機;


2.緊急停機時,按下急停按鈕或將噴油泵停機控制手柄迅速推倒停車位置。


保養事項:


1.柴油機濾芯更換時間為300H;空氣濾芯更換時間為每400H;機油濾芯第一次更換時間為50H,以后為250H。


2.機油第一次更換時間為50H,以后機油正常更換時間為每250H。


操作規程


1.啟動前應檢查燃油箱油量是否充足,各油管及接頭處無漏油現象;冷卻系統水量是否充足、清潔、無滲漏,風扇皮帶松緊是否合適。檢查內燃機與發電機傳動部分應連接可靠,輸出線路的導線絕緣良好,各儀表齊全、有效。


2.啟動后,應低速運轉3~5分鐘,待溫度和機油壓輪均正常后,方可開始作業。發電機在升速中應無異響,滑環及整流子上電刷接觸良好,無跳動及冒火花現象。待運轉穩定,頻率、電壓達到額定值后,方可向外供電。


3.運行中出現異響、異味、水溫急劇上升及機油壓力急劇下降等情況時,應立即停機檢查并排除故障。


4.發電機功率因數不得超過遲相(滯后)0.95。頻率值的變動范圍不得超過0.5HZ。


5.停機前應先切斷各供電分路主開關,逐步減少載荷,然后切斷發電機供電主開關,將勵磁變阻器復回到電阻最大值位置,使電壓降至最低值,再切斷勵磁開關和中性點接地開關,最后停止內燃機運轉。


注意事項


正確使用和維護發電機組可延長發電機組的使用壽命:


起動前的準備工作:


1、機房操作人員應遵守安全操作規程,穿工作服和絕緣鞋,機組人員應分工明確;


2、檢查飛輪及發電機部分防欄桿罩是否完好;


3、檢查各變速箱、離合器、調速器、油位、各緊固件等,確認完好,油水溫度不低于20度時,方可起動;


4、將各系統管路閘門設置在“工作”位置;


5、檢查傳動機構的鏈接螺栓,并緊固好;


6、將離合器手柄壓力是否正常,超速保險裝置是否定位;


7、檢查貯氣瓶壓力是否正常,超速保險裝置是否定位;


8、打開打氣泵的排污閥;


9、檢查循環水泵、機油泵、燃油泵是否正常;


10、將勵磁電阻置于最大的電阻位置,并將送電開關斷開。


起動和運行操作:


1、對于停機超過24h的機組,須先打開試動閥,并起動機油泵。對于停機超過7天的機組,應測量勵磁機及操作電路的絕緣電阻,必須符合要求;


2、起動燃油泵,放出管路中的空氣,觀察電壓是否在規定的范圍內。若正常,方可進行正式起動;


3、察看起動電源的電壓是否符合要求。若電壓正常,按下起動按鈕等柴油發動機正常運行后即松開;


4、當柴油發動機運轉后,觀察機油壓力表的指示值,當升到規定值以上時,停止機油泵,并關閉掃氣泵排污閥,穿好前離合器螺釘;


5、當發電機起動后,即認為發電機及全部電氣設備均已帶電,人體不得接觸帶電部位;


6、發電機起動后,應逐漸提高柴油發動機的轉速,并進行送電前的檢查;


7、逐漸調整柴油發動機的轉速,但在調整時應注意觀察發電機運轉是否正常。正常時,集電環及換向器上的電刷應無跳動、無冒火花現象、無異常響聲;


8、調整發電機輸出的電壓和頻率,其電壓值應穩定并達到380v+-10v,頻率應達到50Hz+-0.5Hz。


主要特性


工作特性:


表征同步發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電機的重要依據。


空載特性:


發電機不接負載時,電樞電流為零,稱為空載運行。此時電機定子的三相繞組只有勵磁電流If感生出的空載電動勢E0(三相對稱),其大小隨If的增大而增加。但是,由于電機磁路鐵心有飽和現象,所以兩者不成正比。反映空載電動勢E0與勵磁電流If關系的曲線稱為同步發電機的空載特性。


電樞反應:


當發電機接上對稱負載后,電樞繞組中的三相電流會產生另一個旋轉磁場,稱電樞反應磁場。其轉速正好與轉子的轉速相等,兩者同步旋轉。


同步發電機的電樞反應磁場與轉子勵磁磁場均可近似地認為都按正弦規律分布。它們之間的空間相位差取決于空載電動勢E0與電樞電流I之間的時間相位差。電樞反應磁場還與負載情況有關。當發電機的負載為電感性時,電樞反應磁場起去磁作用,會導致發電機的電壓降低;當負載呈電容性時,電樞反應磁場起助磁作用,會使發電機的輸出電壓升高。


負載運行特性:


主要指外特性和調整特性。外特性是當轉速為額定值、勵磁電流和負載功率因數為常數時,發電機端電壓U與負載電流I之間的關系。調整特性是轉速和端電壓為額定值、負載功率因數為常數時,勵磁電流If與負載電流I之間的關系。


同步發電機的電壓變化率約為20~40%。一般工業和家用負載都要求電壓保持基本不變。為此,隨著負載電流的增大,必須相應地調整勵磁電流。雖然調整特性的變化趨勢與外特性正好相反,對于感性和純電阻性負載,它是上升的,而在容性負載下,一般是下降的。


常見種類


風力發電機


作為一種價格低廉、運行可靠、無溫室氣體排放的新型發電系統,風力發電系統的安裝容量正在以每年超過30%的增長率在世界范圍得到日益廣泛的應用,已經形成一個年產值超過五十億美元的全球性產業。但是用于邊遠地區獨立供電的小型風力發電系統還需要克服很多技術上的難點才能得以廣泛的應用。隨著我國對“三農”投入力度加大,經濟持續快速發展,廣大農、牧、漁民對改善生活環境,提高生活質量,解決生活用電的迫切要求,采用小型風力發電系統為局部負載提供電力,不僅可以減少一次性巨額投資,還可以免除火力發電系統的溫室氣體排放,改善環境和農村地區的能源結構,有益于可持續性發展。


風力發電機是將風能轉換為機械功、并帶動發電機運轉來發電的。廣義地說,它是一種以太陽為熱源,以大氣為工作介質的熱能利用發動機。風力發電利用的是自然能源。相對柴油發電要好的多。但是若應急來用的話,還是不如柴油發電機。風力發電不可視為備用電源,但是卻可以長期利用。


運行管理:


風力發電機組的控制系統是采用工業微處理器進行控制,一般都由多個CPU并列運行,其自身的抗干擾能力強,并且通過通信線路與計算機相連,可進行遠程控制,這大大降低了運行的工作量。所以風機的運行工作就是進行遠程故障排除和運行數據統計分析及故障原因分析。


遠程故障排除:


風機的大部分故障都可以進行遠程復位控制和自動復位控制。風機的運行和電網質量好壞是息息相關的,為了進行雙向保護,風機設置了多重保護故障,如電網電壓高、低,電網頻率高、低等,這些故障是可自動復位的。由于風能的不可控制性,所以過風速的極限值也可自動復位。還有溫度的限定值也可自動復位,如發電機溫度高,齒輪箱溫度高、低,環境溫度低等。風機的過負荷故障也是可自動復位的。


除了自動復位的故障以外,其它可遠程復位控制故障引起的原因有以下幾種:


1、風機控制器誤報故障;


2、各檢測傳感器誤動作;


3、控制器認為風機運行不可靠。


運行數據統計分析:


對風電場設備在運行中發生的情況進行詳細的統計分析是風電場管理的一項重要內容。通過運行數據的統計分析,可對運行維護工作進行考核量化,也可對風電場的設計,風資源的評估,設備選型提供有效的理論依據。


每個月的發電量統計報表,是運行工作的重要內容之一,其真實可靠性直接和經濟效益掛鉤。其主要內容有:風機的月發電量,場用電量,風機的設備正常工作時間,故障時間,標準利用小時,電網停電,故障時間等。


風機的功率曲線數據統計與分析,可對風機在提高出力和提高風能利用率上提供實踐依據。通過對風況數據的統計和分析,掌握各型風機隨季節變化的出力規律,并以此可制定合理的定期維護工作時間表,以減少風資源的浪費。


小型風力發電機:


風力發電機組是將風能轉化為電能的機械。從能量轉換的角度看,風力發電機組由兩大部分組成:其一是風力機,它的功能是將風能轉換為機械能;其二是發電機,它的功能是將機械能轉換為電能。


小型風力發電系統結構一般由風輪、發電機、尾舵和電氣控制部分等構成。常規的小型風力發電機組多由感應發電機或永磁同步發電機加AC/DC變換器、蓄電池、逆變器組成。在風的吹動下,風輪轉動起來,使空氣動力能轉變成了機械能(轉速+扭矩)。風輪的輪轂固定在發電機軸上,風輪的轉動驅動了發電機軸的旋轉,帶動永磁三相發電機發出三相交流電。風速的不斷變化、忽大忽小,發電機發出的電流和電壓也隨著變化。發出的電經過控制器的整流,由交流電變成了具有一定電壓的直流電,并向蓄電池進行充電。從蓄電池組輸出的直流電,通過逆變器后變成了220V的交流電,供給用戶的家用電器。


風力發電機根據應用場合的不同又分為并網型和離網型風力機。離網型風力發電機亦稱獨立運行風力機,是應用在無電網地區的風力機,一般功率較小。獨立運行風力機一般需要與蓄電池和其他控制裝置共同組成獨立運行風力機發電系統。這種獨立運行系統可以是幾kW乃至幾十kw,解決一個村落的供電系統,也可以是幾十到幾百W的小型風力發電機組以解決一家一戶的供電。


由于風能的隨機性,發電機所發出電能的頻率和電壓都是不穩定的,以及蓄電池只能存儲直流電能,無法為交流負載直接供電。因此,為了給負載提供穩定、高質量的電能和滿足交流負載用電,需要在發電機和負載之間加入電力變換裝置,這種電力變換裝置主要由整流器、逆變器、控制器、蓄電池等組成。


小型風力發電系統作為農村能源的組成部分,它的推廣應用對于改善用電結構,特別是邊遠山區的生產、生活用能,推動生態環境建設諸領域的發展將發揮積極作用,因此具有廣闊的市場前景。風能具有隨機性和不確定性,風力發電系統是一個復雜系統。簡化小型風力發電系統的結構、降低成本、提高可靠性及實現系統優化運行,對于小型風力風力發電系統的推廣具有非常重要意義。


風力發電機維護:


風力發電機是集電氣、機械、空氣動力學等各學科于一體的綜合產品,各部分緊密聯系,息息相關。風力機維護的好壞直接影響到發電量的多少和經濟效益的高低;風力機本身性能的好壞,也要通過維護檢修來保持,維護工作及時有效可以發現故障隱患,減少故障的發生,提高風機效率。


風機維護可分為定期檢修和日常排故維護兩種方式。


1、風機的定期檢修維護


定期的維護保養可以讓設備保持最佳期的狀態,并延長風機的使用壽命。定期檢修維護工作的主要內容有:風機聯接件之間的螺栓力矩檢查(包括電氣連接),各傳動部件之間的潤滑和各項功能測試。


風機在正常運行中時,各聯接部件的螺栓長期運行在各種振動的合力當中,極易使其松動,為了不使其在松動后導致局部螺栓受力不均被剪切,必須定期對其進行螺栓力矩的檢查。在環境溫度低于-5℃時,應使其力矩下降到額定力矩的80%進行緊固,并在溫度高于-5℃后進行復查。一般對螺栓的緊固檢查都安排在無風或風小的夏季,以避開風機的高出力季節。


風機的潤滑系統主要有稀油潤滑(或稱礦物油潤滑)和干油潤滑(或稱潤滑脂潤滑)兩種方式。風機的齒輪箱和偏航減速齒輪箱采用的是稀油潤滑方式,其維護方法是補加和采樣化驗,若化驗結果表明該潤滑油已無法再使用,則進行更換。干油潤滑部件有發電機軸承,偏航軸承,偏航齒等。這些部件由于運行溫度較高,極易變質,導致軸承磨損,定期維護時,必須每次都對其進行補加。另外,發電機軸承的補加劑量一定要按要求數量加入,不可過多,防止太多后擠入電機繞組,使電機燒壞。


定期維護的功能測試主要有過速測試,緊急停機測試,液壓系統各元件定值測試,振動開關測試,扭纜開關測試。還可以對控制器的極限定值進行一些常規測試。


定期維護除以上三大項以外,還要檢查液壓油位,各傳感器有無損壞,傳感器的電源是否可靠工作,閘片及閘盤的磨損情況等方面。


2、日常排故維護


風機在運行當中,也會出現一些故障必須到現場去處理。


首先要仔細觀察風機內的安全平臺和梯子是否牢固,有無連接螺栓松動,控制柜內有無糊味,電纜線有無位移,夾板是否松動,扭纜傳感器拉環是否磨損破裂,偏航齒的潤滑是否干枯變質,偏航齒輪箱、液壓油及齒輪箱油位是否正常,液壓站的表計壓力是否正常,轉動部件與旋轉部件之間有無磨損,各油管接頭有無滲漏,齒輪油及液壓油的濾清器的指示是否在正常位置等。


第二是聽,聽一下控制柜里是否有放電的聲音,有聲音就可能是有接線端子松動,或接觸不良,須仔細檢查,聽偏航時的聲音是否正常,有無干磨的聲響,聽發電機軸承有無異響,聽齒輪箱有無異響,聽閘盤與閘墊之間有無異響,聽葉片的切風聲音是否正常。


第三,清理干凈自己的工作現場,并將液壓站各元件及管接頭擦凈,以便于今后觀察有無泄漏。


水力發電機


水利發電機是將水的動能和重力勢能轉換為機械功的動力機械(如:中國的三峽)。在發電這一塊最好的要數核能發電,不過相對核能污染較大。所以中國廣泛還是用煤炭發電。中國煤炭資源吃緊,煤炭價格一直在漲,這也是為什么會有電荒的出現的主要原因。


同步發電機


作發電機運行的同步電機。是一種最常用的交流發電機。在現代電力工業中,它廣泛用于水力發電、火力發電、核能發電以及柴油機發電。由于同步發電機一般采用直流勵磁,當其單機獨立運行時,通過調節勵磁電流,能方便地調節發電機的電壓。若并入電網運行,因電壓由電網決定,不能改變,此時調節勵磁電流的結果是調節了電機的功率因數和無功功率。


同步發電機的定子、轉子結構與同步電機相同,一般采用三相形式,只在某些小型同步發電機中電樞繞組采用單相。


高速同步發電機:


因大多數發電機與原動機同軸聯動,火電廠都用高速汽輪機作原動機,所以汽輪發電機通常用高轉速的2極電機,其轉速達3000轉/分(在電網頻率為60赫時,為3600轉/分)。核電站多用4極電機,轉速為1500轉/分(當電網頻率為60赫時,為1800轉/分)。為適應高速、高功率要求,高速同步發電機在結構上一是采用隱極式轉子,二是設置專門的冷卻系統。


隱極式轉子:外表呈圓柱形,在圓柱表面開槽以安放直流勵磁繞組,并用金屬槽楔固緊,使電機具有均勻的氣隙。由于高速旋轉時巨大的離心力,要求轉子有很高的機械強度。隱極式轉子一般由高強度合金鋼整塊鍛成,槽形一般為開口形,以便安裝勵磁繞組。在每一個極距內約有1/3部分不開槽,形成大齒;其余部分的齒較窄,稱做小齒。大齒中心即為轉子磁極的中心。有時大齒也開一些較小的通風槽,但不嵌放繞組;有時還在嵌線槽底部銑出窄而淺的小槽作為通風槽。隱極式轉子在轉子本體軸向兩端還裝有金屬的護環和中心環。護環是由高強度合金制成的厚壁圓筒,用以保護勵磁繞組端部不至被巨大的離心力甩出;中心環用以防止繞組端部的軸向移動,并支撐護環。此外,為了把勵磁電流通入勵磁繞組,在電機軸上還裝有集電環和電刷。


冷卻系統:由于電機中能量損耗和電機的體積成正比,它的量級與電機線度量級的三次方成比例,而電機散熱面的量級只是電機線度量級的二次方。因此,當電機尺寸增大時(受材料限制,增大電機容量就得加大其尺寸),電機每單位表面上需要散發的熱量就會增加,電機的溫升將會提高。在高速汽輪發電機中,離心力將使轉子表面和轉子中心孔表面產生巨大的切向應力,轉子直徑越大,這種應力也越大。因此,在鍛件材料允許的應力極限范圍內,2極汽輪發電機的轉子本體直徑不能超過1250毫米。大型汽輪發電機要增大單機容量,只有靠增加轉子本體的長度(即用細長的轉子)和提高電磁負荷來解決。轉子長度可達8米,已接近極限。要繼續提高單機容量,只能是提高電機的電磁負荷。這使大型汽輪發電機的發熱和冷卻問題變得特別突出。對于50000千瓦以下的汽輪發電機,多采用閉路空氣冷卻系統,用電機內的風扇吹拂發熱部件降溫。對于容量為5~60萬千瓦的發電機,廣泛使用氫冷。氫氣(純度99%)的散熱性能比空氣好,用它來取代空氣不僅散熱效果好,而且可使電機的通風摩擦損耗大為降低,從而能顯著提高發電機的效率。但是,采用氫冷必須有防爆和防漏措施,這使電機結構更為復雜,也增加了電極材料的消耗和成本。此外,還可采用液體介質冷卻,例如水的相對冷卻能力為空氣的50倍,帶走同樣的熱量,所需水的流量比空氣小得多。因此,在線圈里采用一部分空心導線,導線中通水冷卻,就可以大大降低電機溫升,延緩絕緣老化,增長電機壽命。


低速同步發電機:


多數由較低速度的水輪機或柴油機驅動。電機磁極數由4極到60極,甚至更多。對應的轉速為1500~100轉/分及以下。由于轉速較低,一般都采用對材料和制造工藝要求較低的凸極式轉子。


凸極式轉子的每個磁極常由1~2毫米厚的鋼板疊成,用鉚釘裝成整體,磁極上套有勵磁繞組。勵磁繞組通常用扁銅線繞制而成。磁極的極靴上還常裝有阻尼繞組。它是一個由極靴阻尼槽中的裸銅條和焊在兩端的銅環形成的一個短接回路。磁極固定在轉子磁軛上,磁軛由鑄鋼鑄成。凸極式轉子可分為臥式和立式兩類。大多數同步電動機、同步調相機和內燃機或沖擊式水輪機拖動的發電機,都采用臥式結構;低速、大容量水輪發電機則采用立式結構。


臥式同步電機的轉子主要由主磁極、磁軛、勵磁繞組、集電環和轉軸等組成。其定子結構與異步電機相似。立式結構必須用推力軸承承擔機組轉動部分的重力和水向下的壓力。大容量水輪發電機中,此力可高達四、五十兆牛(約相當于四、五千噸物體的重力),所以這種推力軸承的結構復雜,加工工藝和安裝要求都很高。按照推力軸承的安放位置,立式水輪發電機分為懸吊式和傘式兩種。懸吊式的推力軸承放在上機架的上部或中部,在轉速較高、轉子直徑與鐵心長度的比值較小時,機械上運行較穩定。傘式的推力軸承放在轉子下部的下機架上或水輪機頂蓋上。負重機架是尺寸較小的下機架,可節約大量鋼材,并能降低從機座基礎算起的發電機和廠房高度。


同步發電機的并聯運行 同步發電機絕大多數是并聯運行,并網發電的。各并聯運行的同步發電機必須頻率、電壓的大小和相位都保持一致。否則,并聯合閘的瞬間,各發電機之間會產生內部環流,引起擾動,嚴重時甚至會使發電機遭受破壞。但是,兩臺發電機在投入并聯運行以前,一般說來它們的頻率與電壓的大小和相位是不會完全相同的。為了使同步發電機能投入并聯運行,首先必須有一個同步并列的過程。同步并列的方法可分為準同步和自同步兩種。同步發電機在投入并聯運行以后,各機負載的分配決定于發電機的轉速特性。通過調節原動機的調速器,改變發電機組的轉速特性,即可改變各發電機的負載分配,控制各發電機的發電功率。而通過調節各發電機的勵磁電流,可以改變各發電機無功功率分配和調節電網的電壓。


永磁同步風力發電機:


永磁同步風力發電機由于機械損耗小、運行效率高、維護成本低等優點成為繼雙饋感應風電機組之后的又一重要風力發電機型受到廣泛關注,并逐漸開始投入使用。永磁同步風力發電系統基本結構如圖1所示,它主要由風力機、永磁同步發動機、變頻器和變壓器組成。


永磁同步風力發電的基本原理,就是利用風力帶動風力機葉片旋轉,拖動永磁同步發電機的轉子旋轉,實現發電。永磁同步風力發電系統和籠型變速恒頻風力發電系統類似,只是所采用的發電機為永磁式發電機,轉子為永磁式結構,不需外部提供勵磁電源,提高了效率。它的變頻恒速控制是在定子回路中實現的,把永磁同步發電機的變頻的交流電通過變頻器轉變為電網同頻的交流電,實現風力發電的并網,因此變頻器的容量與系統的額定容量相同。


在過去的幾十年里,由于永磁材料性能和電力電子裝置的改善,永磁同步發電機已變得越來越具吸引力了。采用永磁同步發電機的風力發電系統具有以下特點:


1、永磁同步發電機系統不需要勵磁裝置,具有重量輕、效率高、功率因數高、可靠性好等優點;


2、變速運行范圍寬,即可超同步運行也可以亞同步運行;


3、轉子無勵磁繞組,磁極結構簡單、變頻器容量小,可以做成多極電機;


4、同步轉速降低,使風輪機和永磁發電機可直接耦合,省去了風力發電系統中的齒輪增速箱,減小了發電機的維護工作并降低噪聲,使直驅永磁風力發電機系統。


適用場合:


1、在電力設施匱乏、交通不便、缺乏常規燃料,但風力資源豐富的地區,可以解決部分用電問題,如為高速公路照明設備提供電源等;


2、在單機容量比較小的風場,永磁同步發電系統能夠高效并網發電;


3、為農村、牧區、邊防哨所、氣象臺站等偏遠、負載較輕的用戶,提供交流或直流電源。


交流發電機


在日常生活中,用交流發電機來供用電設備使用時,常發生用電設備不能正常工作的情況,其原因是發電機輸出的交流電不夠穩定,這時候需要電力穩壓器來穩定電壓,也就是日常生活中常用到的交流穩壓電源,交流穩壓電源能使發電機的輸出電壓精度穩定到用電設備正常工作所允許的范圍。


交流發電機構造


交流發電機的構造稍顯復雜。但是不論它是單相還是三相,都是由下列幾個主要部分組成:


⑴激磁部分:包括激磁機和磁場部分。


⑵電樞部分。


⑶機殼部分:包括裝置備部分的鐵架和機座。


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,但轉速略高于旋轉磁場的同步轉速。常用作小功率水輪發電機。


交流勵磁發電機由于轉子方采用交流電壓勵磁,使其具有靈活的運行方式,在解決電站持續工頻過電壓、變速恒頻發電、抽水蓄能電站電動-發電機組的調速等問題方面有著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) 運行于變速恒頻方式;


2) 運行于無功大范圍調節的方式;


3) 運行于發電-電動方式。


隨著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于自然功率時,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,并認為大系統采用異步發電機后,可提高系統的穩定性,可靠性和運行的經濟性.


異步發電機由于維護方便,穩定性好,常用作并網運行的小功率水輪發電機。當用原動機將異步電機的轉子順著磁場旋轉方向拖動,并使其轉速超過同步轉速時,電機就進入發電機運行,并把原動機輸入的機械能轉變成電能送至電網。這時電機的勵磁電流取自電網。


異步發電機也可以并聯電容,靠本身剩磁自行勵磁,獨立發電(見圖),這時發電機的電壓與頻率由電容值、原動機轉速和負載大小等因素決定。當負載改變,一般要相應地調節并聯的電容值,以維持電壓穩定。由于異步電機并聯電容時,不需外加勵磁電源就可獨立發電,故在負荷比較穩定的場合,有可取之處。例如可用作農村簡易電站的照明電源或作為備用電源等。


測速發電機


測速發電機是一種測量轉速的微型發電機,他把輸入的機械轉速變換為電壓信號輸出,并要求輸出的電壓信號與轉速成正比。


測速發電機的分類:測速發電機分為直流測速發電機和交流測速發電機兩大類。


直流測速發電機:直流測速發電機本質上是一種微型直流發電機,按定子磁極的勵磁方式分為電磁式和永磁式。直流測速發電機的工作原理與一般直流發電機相同。


交流測速發電機:交流異步測速發電機的轉子結構有籠型的,也有杯型的,在控制系統中多用空心杯轉子異步測速發電機。空心杯轉子異步測速發電機定子上有兩個在空間上相互差90°電角度的繞組,一為勵磁繞組,另一為輸出繞組。


交流異步測速發電機的誤差主要有:


非線性誤差:由于直軸磁通變化使測速發電機產生非線性誤差;


剩余電壓:實際運行中,轉子靜止時,測速發電機輸出一個較小的電壓;


相位誤差:由于勵磁繞組的漏抗、空心杯轉子的漏抗使輸出電壓與勵磁電壓的相位不同。


交流同步測速發電機分為:永磁式、感應式和脈沖式。


柴油發電機


柴油發電機組是一種獨立的發電設備,系指以柴油等為燃料,以柴油機為原動機帶動發電機發電的動力機械。整套機組一般由柴油機、發電機、控制箱、燃油箱、起動和控制用蓄電瓶、保護裝置、應急柜等部件組成。整體可以固定在基礎上,定位使用,亦可裝在拖車上,供移動使用。 柴油發電機組屬非連續運行發電設備,若連續運行超過12h,其輸出功率將低于額定功率約90%。


相關術語


發電機:能把機械能轉變為電能的設備的總稱。所產生的電能可以是直流電也可以是交流電。


接地:是指電路與大地之間或與某些和大地相通的導電物體之間的連接。


怠速控制:一種可直接根據電氣負載對發動機的怠速進行控制的系統。


點火線圈:為火花塞提供直流電壓的器件。


永磁發電機:一種帶有永久磁鐵的交流發電機,用于產生內燃機點火所需要的電流。


歐姆:電阻的單位。


相位:交流電的振幅或量值均勻、周期性的變化。三相交流電由三個不同的正弦波電流組成,相互之間的相位差均為120度。


電源轉換系統:該系統可以把發電機安全地接入到家庭用電系統中。


額定速度:機組的設計工作速度(每分鐘轉數)。


額定電壓:一套引擎發電機組的額定電壓是其設計的工作電壓值。


后軸承支架:一種鑄件,用作轉子軸承外罩。轉子軸承支持轉子軸。


整流器:將交流電轉換為直流電的器件。


逆變器:是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉變成交流電(一般為220v50HZ正弦或方波)。


繼電器:一種電動開關,通常用在控制電路中。與電流接觸器相比,其觸點只能通過較小的電流。


電阻:對電流的阻力。


轉子:發電機的轉動元件。


單相:一個交流負載或電源,通常情況下,如果是一個負載,則只有兩個輸入端子,如果是一個電源,則只有兩個輸出端子。


定子:電機的靜止部分。


振動支架:位于發動機或發電機與機架之間的橡膠器件,可以最大限度地減輕振動。


伏特:電動勢的單位。把單位電動勢恒定地作用在電阻為1歐姆的導體上,將產生1安培電流。


電壓:電位差,單位用伏特表示。


穩壓器:該設備通過控制激勵轉子的直流電量,自動地使發電機電壓保持在一個正確值上。


瓦特:電源功率的單位。對于直流電,它等于伏特乘以安培。對于交流電,它等于電壓有效值(伏特)乘以電流有效值(安培)乘以功率因數乘以一個常數(其值取決于相數)。


繞組:發電機的所有線圈。定子繞組由若干個定子線圈及其互聯線路組成。轉子繞組由轉子磁極上的所有繞組及接線組成。


發展歷史


1832年,法國人畢克西發明了手搖式直流發電機,其原理是通過轉動永磁體使磁通發生變化而在線圈中產生感應電動勢,并把這種電動勢以直流電壓形式輸出;


1866年,德國的西門子發明了自勵式直流發電機;


1869年,比利時的格拉姆制成了環形電樞,發明了環形電樞發電機。這種發電機是用水力來轉動發電機轉子的,經過反復改進,于1847年得到了3.2KW的輸出功率;


1882年,美國的戈登制造出了輸出功率447KW,高3米,重22噸的兩相式巨型發電機;


1896年,特斯拉的兩相交流發電機在尼亞拉發電廠開始勞動營運,3750KW,5000V的交流電一直送到40公里外的布法羅市;


1889年,西屋公司在俄勒岡州建設了發電廠,1892年成功地將15000伏電壓送到了皮茨菲爾德。


測試步驟


第一步:檢查發電機各外導線連接部位有無斷線、錯接、短路現象,并用電壓表測量B+點有無電瓶電壓。


第二步:將鑰匙門打倒“開”位置,但不要起動發動機,此時用電壓表測量D+點有無電壓,并觀察充電指示燈是否明亮。


第三步:起動發動機,用電壓表測量發動機B+點電壓,應達到如下數值


第四步:打開部分負載,如車燈


第五步:打開空調、車燈等主要電器


進行到第三步時,發電機沒有電壓輸出,可采取如下辦法檢查,對于有產生激磁D+點的發電機可從電瓶正極引一條2.5mm2的導線,起動發動機后,用另一端瞬間點擊D+點(時間1S以內),再用電壓表測量B+點有無電壓輸出,若有,從第三步開始檢查至第五步,同時判斷出整車充電指示燈線路有斷路現象(一般為指示燈損壞,儀表盤桿接件松動,線路斷路),若無電壓輸出,則發電機存在不發電故障。


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