電流體發(fā)電機(jī)原理介紹

電流體發(fā)電機(jī)所依據(jù)的基本原理就是霍耳效應(yīng)。當(dāng)處于高溫高速的等離子氣體通過導(dǎo)電管時，如果在垂直于氣流的方向上加有磁場，則氣體中的正負(fù)離子，由于受到洛倫茲力的作用，將沿著既垂直于磁場方向又垂直于流速方向，分別朝著兩側(cè)反相偏移，結(jié)果在導(dǎo)電管兩側(cè)的電極上建立起電勢差，從而可由電極上獲得連續(xù)輸出的電能。

電流體發(fā)電機(jī)，又叫等離子發(fā)電機(jī)，是根據(jù)霍爾效應(yīng)，用導(dǎo)電流體，例如空氣或液體，與磁場相對運動而發(fā)電的一種設(shè)備。磁流體發(fā)電，是將帶電的流體（離子氣體或液體）以極高的速度噴射到磁場中去，利用磁場對帶電的流體產(chǎn)生的作用，從而發(fā)出電來。

最簡單的開式電流體發(fā)電機(jī)由燃燒室、發(fā)電通道和磁體組成。工作過程是在化石燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫氣體中，加入易電離的鉀鹽或鈉鹽，使起部分電離后，經(jīng)噴管加速產(chǎn)生高達(dá)攝氏3000度、速度達(dá)到1000米/秒的高溫高速導(dǎo)電氣體，最后產(chǎn)生電流。

1959年，美國阿夫柯公司建造了第一臺電流體發(fā)電機(jī)，功率為115kW。此后各國均有研究制造，美蘇聯(lián)合研制的電流體發(fā)電機(jī)U－25B在1978年8月進(jìn)行了第四次試驗，氣體-等離子體流量為2～4kg/s，溫度為2950K，磁場為5T，輸出功率1300kW，共運行了50小時。目前許多國家正在研制百萬千瓦的利用超導(dǎo)磁體的電流體發(fā)電機(jī)。

現(xiàn)在電流體發(fā)電機(jī)制造中的主要問題是發(fā)電通道效率低，目前只有10%。通道和電極的材料都要求耐高溫、耐堿腐蝕、耐化學(xué)燒蝕等，目前所用材料的壽命都比較短，因而電流體發(fā)電機(jī)不能長時間運行。

發(fā)電機(jī)分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)兩大類。后者又可分為同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)兩種。現(xiàn)代發(fā)電站中最常用的是同步發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)的特點是由直流電流勵磁,既能提供有功功率，也能提供無功功率,可滿足各種負(fù)載的需要。異步發(fā)電機(jī)由于沒有獨立的勵磁繞組，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但是不能向負(fù)載提供無功功率，而且還需要從所接電網(wǎng)中汲取滯后的磁化電流。因此異步發(fā)電機(jī)運行時必須與其他同步電機(jī)并聯(lián)，或者并接相當(dāng)數(shù)量的電容器。這限制了異步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍，只能較多地應(yīng)用于小型自動化水電站。城市電車、電解、電化學(xué)等行業(yè)所用的直流電源，在20世紀(jì)50年代以前多采用直流發(fā)電機(jī)。但是直流發(fā)電機(jī)有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造費時，價格較貴，且易出故障，維護(hù)困難，效率也不如交流發(fā)電機(jī)。故大功率可控整流器問世以來，有利用交流電源經(jīng)半導(dǎo)體整流獲得直流電以取代直流發(fā)電機(jī)的趨勢。

同步發(fā)電機(jī)按所用原動機(jī)的不同分為汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)3種。它們結(jié)構(gòu)上的共同點是除了小型電機(jī)有用永久磁鐵產(chǎn)生磁場以外，一般的磁場都是由通直流電的勵磁線圈產(chǎn)生，而且勵磁線圈放在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組放在定子上。因為勵磁線圈的電壓較低，功率較小，又只有兩個出線頭，容易通過滑環(huán)引出；而電樞繞組電壓較高,功率又大，多用三相繞組,有3個或4個引出頭，放在定子上比較方便。發(fā)電機(jī)的電樞(定子)鐵心用硅鋼片疊成，以減少鐵耗。轉(zhuǎn)子鐵心由于通過的磁通不變，可以用整體的鋼塊制成。在大型電機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子承受著強(qiáng)大的離心力，制造轉(zhuǎn)子的材料必須選用優(yōu)質(zhì)鋼材。

磁流體發(fā)電中的帶電流體，它們是通過加熱燃料、惰性氣體、堿金屬蒸氣而得到的。在幾千攝氏度的高溫下，這些物質(zhì)中的原子和電子的運動都很劇烈，有些電子甚至可以脫離原子核的束縛，結(jié)果，這些物質(zhì)變成自由電子、失去電子的離子以及原子核的混合物，這就是等離子體。將等離子體以超音速的速度噴射到一個加有強(qiáng)磁場的管道里面，等離子體中帶有正、負(fù)電荷的高速粒子，在磁場中受到洛倫茲力的作用，分別向兩極偏移，于是在兩極之間產(chǎn)生電壓，用導(dǎo)線將電壓接入電路中就可以使用了。

磁流體發(fā)電的另一個好處是產(chǎn)生的環(huán)境污染少。利用火力發(fā)電，燃燒燃料產(chǎn)生的廢氣里含有大量的二氧化硫，這是造成空氣污染的一個重要原因。利用磁流體發(fā)電，不僅使燃料在高溫下燃燒得更加充分，它使用的一些添加材料還可以和硫化合，生成硫酸鉀，并被回收利用，這就避免了直接把硫排放到空氣中，對環(huán)境造成污染。

利用磁流體發(fā)電，只要加快帶電流體的噴射速度，增加磁場強(qiáng)度，就能提高發(fā)電機(jī)的功率。人們使用高能量的燃料，再配上快速啟動裝置，就可以使發(fā)電機(jī)功率達(dá)到1000萬kW，這就滿足了一些需要大功率電力的場合。目前，中國，美國、印度、澳大利亞以及歐洲共同體等，都積極致力于這方面的研究。

電流體發(fā)電機(jī)機(jī)械方面

1、電機(jī)風(fēng)葉損壞或緊固風(fēng)葉的螺絲松動，造成風(fēng)葉與風(fēng)葉蓋相碰，它所產(chǎn)生的聲音隨著碰擊聲的輕重，時大時?。?

2、由于軸承磨損或軸不當(dāng)，造成電動機(jī)轉(zhuǎn)子偏心嚴(yán)重時將使定、轉(zhuǎn)子相擦，使電動機(jī)產(chǎn)生劇烈的振動和不均勻的碰擦聲；

3、電動機(jī)因長期使用致使地腳螺絲松動或基礎(chǔ)不牢，因而電動機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩作用下產(chǎn)生不正常的振動；

4、長期使用的電動機(jī)因軸承內(nèi)缺乏潤滑油形成于磨運行或軸承中鋼珠損壞，因而使電動機(jī)軸承室內(nèi)發(fā)出異常的咕嚕聲。

電流體發(fā)電機(jī)電磁方面

1、正常運行的電動機(jī)突然出現(xiàn)異常音響，在帶負(fù)載運行時轉(zhuǎn)速明顯下降，發(fā)出低沿的吼聲，可能是三相電流不平衡，負(fù)載過重或單相運行；

2、正常運行的電動機(jī)，如果定子、轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生短路故障或鼠籠轉(zhuǎn)子斷條則電動機(jī)會發(fā)出時高時低的翁翁聲。機(jī)身也隨之振動。

磁流體發(fā)電機(jī)，又叫等離子發(fā)電機(jī)，是根據(jù)霍爾效應(yīng)，用導(dǎo)電流體，例如空氣或液體，與磁場相對運動而發(fā)電的一種設(shè)備。

磁流體發(fā)電機(jī)基本原理

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，用導(dǎo)電流體（氣體或液體）與磁場相對運動而發(fā)電。

導(dǎo)電流體在通道中橫越磁場B流過時，由于電磁感應(yīng)而在垂直于磁場和流速的方向上感生出一個電場E，如把導(dǎo)電流體與外負(fù)載相接，導(dǎo)電流體中的能量就可直接轉(zhuǎn)換成電能，向外輸出（圖1）。這樣能省去普通發(fā)電機(jī)組中某些能量轉(zhuǎn)換的中間過程，因此這種發(fā)電又稱磁流體直接發(fā)電，在這種發(fā)電裝置中主要部件是發(fā)電通道、電極和磁場。

圖1 磁流體發(fā)電裝置示意圖

裝置類型 按照電流由導(dǎo)電流體中引出的方式，發(fā) 電裝置可分為傳導(dǎo)式和感應(yīng)式兩種。在傳導(dǎo)式發(fā)電器中，電流是通過發(fā)電通道兩側(cè)的電極引出的；在感應(yīng)式發(fā)電器中，沒有電極，電流直接由磁場繞組輸出。按照輸出 電流的類別，發(fā)電裝置可分為交流和直流兩種。根據(jù)工作介質(zhì)在裝置中是一次使用還是在系統(tǒng)中循環(huán)使用,發(fā)電裝置可分為開式和閉式兩種。根據(jù)發(fā)電通道幾何形狀的不同，發(fā)電裝置可分為直線型、渦旋型和徑向外流型等幾種。下面介紹兩種裝置：

①開式循環(huán)直線型磁流體發(fā)電裝置這種發(fā)電裝置中的工作介質(zhì)是溫度2500~3500開的高溫電離氣體，即等離子體。在連續(xù)電極的直線型發(fā)電裝置中（圖2a),如果平均電子碰撞頻率比電子在磁場中的回旋頻率大得多，則當(dāng)?shù)入x子體橫越磁場時，就感生出一個同磁場和流速相垂直的電場，但當(dāng)?shù)入x子體密度較低，電子在磁場中的回旋頻率相當(dāng)于或甚至大于平均電子碰撞頻率時，電子在磁場中就沿曲線運動。這一現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)，由此產(chǎn)生的垂直于電場的電流稱為霍耳電流。電子回旋頻率ω與平均電子碰撞頻率1/t之比ωt稱為霍耳系數(shù)，它表征霍耳效應(yīng)的大小，在物理意義上相當(dāng)于存在磁場時一個電子在兩次碰撞間轉(zhuǎn)過的弧度，也相當(dāng)于沿等離子體流動方向的霍耳電流與平行于電場方向的電流之比。在連續(xù)電極發(fā)電裝置中，由于出現(xiàn)霍耳電流（損耗電流），平行于電場的電流要降低為原值的。為了減小霍耳電流，通常采用分段電極（圖2b），也可直接利用霍耳電流來代替平行于電場的電流，從而成為霍耳發(fā)電裝置（圖2c）。近年來又在此基礎(chǔ)上發(fā)展出斜框式通道的發(fā)電裝置。使用開式循環(huán)磁流體發(fā)電裝置可減少環(huán)境污染，特別對含硫較高的礦物燃料，由于在燃燒室中“種子” 碳酸鉀幾乎完全離解，在發(fā)電裝置的通道下游，通過化學(xué)反應(yīng)復(fù)合成硫酸鉀，從而顯著降低二氧化硫的排放量。

發(fā)電機(jī)分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)兩大類。后者又可分為同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)兩種?，F(xiàn)代發(fā)電站中最常用的是同步發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)的特點是由直流電流勵磁,既能提供有功功率，也能提供無功功率,可滿足各種負(fù)載的需要。異步發(fā)電機(jī)由于沒有獨立的勵磁繞組，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但是不能向負(fù)載提供無功功率，而且還需要從所接電網(wǎng)中汲取滯后的磁化電流。因此異步發(fā)電機(jī)運行時必須與其他同步電機(jī)并聯(lián)，或者并接相當(dāng)數(shù)量的電容器。這限制了異步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍，只能較多地應(yīng)用于小型自動化水電站。城市電車、電解、電化學(xué)等行業(yè)所用的直流電源，在20世紀(jì)50年代以前多采用直流發(fā)電機(jī)。但是直流發(fā)電機(jī)有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造費時，價格較貴，且易出故障，維護(hù)困難，效率也不如交流發(fā)電機(jī)。故大功率可控整流器問世以來，有利用交流電源經(jīng)半導(dǎo)體整流獲得直流電以取代直流發(fā)電機(jī)的趨勢。

同步發(fā)電機(jī)按所用原動機(jī)的不同分為汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)3種。它們結(jié)構(gòu)上的共同點是除了小型電機(jī)有用永久磁鐵產(chǎn)生磁場以外，一般的磁場都是由通直流電的勵磁線圈產(chǎn)生，而且勵磁線圈放在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組放在定子上。因為勵磁線圈的電壓較低，功率較小，又只有兩個出線頭，容易通過滑環(huán)引出；而電樞繞組電壓較高,功率又大，多用三相繞組,有3個或4個引出頭，放在定子上比較方便。發(fā)電機(jī)的電樞(定子)鐵心用硅鋼片疊成，以減少鐵耗。轉(zhuǎn)子鐵心由于通過的磁通不變，可以用整體的鋼塊制成。在大型電機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子承受著強(qiáng)大的離心力，制造轉(zhuǎn)子的材料必須選用優(yōu)質(zhì)鋼材 。