多相同步發(fā)電機
除了使用內(nèi)燃機、燃料電池或光伏發(fā)電產(chǎn)生少量的電力外,電力工業(yè)是基于某種能源迫使流體(蒸汽、燃燒氣體、水或空氣)通過渦輪葉片,從而使軸旋轉(zhuǎn)。那么,發(fā)電機的作用就是將水輪機軸的轉(zhuǎn)動能量轉(zhuǎn)化為電能。
一個簡單的發(fā)電機
發(fā)電機都是以1831年邁克爾·法拉第提出的電磁感應(yīng)的基本概念為基礎(chǔ)的。法拉第發(fā)現(xiàn),在磁場中移動導(dǎo)體會在導(dǎo)線上產(chǎn)生電磁力(emf)或電壓,如圖3.9a所示。簡單地說,發(fā)電機是一種元件的排列方式,其設(shè)計目的是使磁場和導(dǎo)體之間產(chǎn)生相對運動,從而使導(dǎo)體產(chǎn)生電動勢。電能從這些導(dǎo)體流出,形成所謂的電樞。大多數(shù)大型發(fā)電機的電樞繞組固定在電機的固定部分(稱為定子),必要的相對運動是由旋轉(zhuǎn)磁場引起的。
為了幫助說明交流的產(chǎn)生,考慮之前講到過的簡單發(fā)電機。轉(zhuǎn)子在這種情況下只是一個2極磁鐵(1北極和1南極),目前我們可以考慮只是一個普通的永久磁鐵。定子由鐵組成,形狀有點像一個C(在這種情況下向后),一些銅線(電樞)包裹在鐵。定子中的鐵的作用是為磁通量線提供一個低磁阻路徑,使盡可能多的磁通通過銅電樞繞組。你可以回想一下第一章,鐵磁性材料(如鐵)的低磁阻導(dǎo)致通量傾向于停留在鐵中,這與帶電流的電子想停留在銅線中完全相似-電力期貨資料。就像低阻銅線允許更多的電流流動一樣,低磁阻鐵磁材料允許更多的磁通(然而,磁通不會“流動”)。
當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,磁通在一個方向上通過定子和電樞繞組,然后減小到零,然后在另一個方向上增加。理想情況下,通量φ將按照圖3所示的正弦曲線變化。11個。根據(jù)法拉第定律,每當(dāng)一個繞組連接一個時變的磁通量φ時,就會產(chǎn)生一個電壓e(電動勢)
方程式:
e = N dφdt
單相同步發(fā)電機
假設(shè)我們想以60hz的頻率產(chǎn)生電壓,這樣它將與傳統(tǒng)(美國)電源的頻率相匹配。
要產(chǎn)生60赫茲使用這個2極發(fā)電機將因此需要轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動在一個固定的速度,每分鐘3600。這種固定速度的機器被稱為同步發(fā)電機,因為它與公用電網(wǎng)同步。大多數(shù)傳統(tǒng)的電力是使用同步發(fā)電機產(chǎn)生的(然而,這不是風(fēng)力渦輪機的情況)。
雖然我們可以想象磁場在一個發(fā)電機的轉(zhuǎn)子被創(chuàng)造使用永磁體,這將極大地限制可產(chǎn)生的電量。相反,磁場是通過將直流電刷和滑環(huán)送入固定在轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體來產(chǎn)生的。如圖3所示,磁場繞組可以嵌入沿轉(zhuǎn)子運行的槽中-電力期貨資料。凸極轉(zhuǎn)子制造成本較低,常用于旋轉(zhuǎn)較慢的水力發(fā)電機。高速渦輪機和發(fā)電機使用圓形轉(zhuǎn)子,這樣可以更好地處理離心力和由此產(chǎn)生的應(yīng)力。注意四極發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和定子都有四極。
增加更多的極點可以使發(fā)電機旋轉(zhuǎn)得更慢,同時仍能產(chǎn)生輸出功率所需的頻率。例如,當(dāng)四極電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈時,它會在輸出線上產(chǎn)生兩個循環(huán)。這意味著它只需要以2極機一半的速度旋轉(zhuǎn),即1800轉(zhuǎn)/分,就可以產(chǎn)生60赫茲的交流。美國只使用60赫茲的電力,歐洲和日本部分地區(qū)使用50赫茲。
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