異步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生過(guò)程

隨著電力系統(tǒng)輸電電壓的提高，線路的增長(zhǎng)，當(dāng)線路的傳輸功率低于自然功率時(shí)，線路和電站將出現(xiàn)持續(xù)的工頻過(guò)電壓.為改善系統(tǒng)的運(yùn)行特性，不少技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，在6"世紀(jì)A"年代初開(kāi)始研究異步發(fā)電機(jī)在大電力系統(tǒng)中的應(yīng)用問(wèn)題，并認(rèn)為大系統(tǒng)采用異步發(fā)電機(jī)后，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性.

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

交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)又被人們稱之為雙饋發(fā)電機(jī)。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)子方采用交流電壓勵(lì)磁，使其具有靈活的運(yùn)行方式，在解決電站持續(xù)工頻過(guò)電壓、變速恒頻發(fā)電、抽水蓄能電站電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組的調(diào)速等問(wèn)題方面有著傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)越性。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)主要的運(yùn)行方式有以下三種：1） 運(yùn)行于變速恒頻方式；2） 運(yùn)行于無(wú)功大范圍調(diào)節(jié)的方式；3） 運(yùn)行于發(fā)電-電動(dòng)方式。

異步發(fā)電機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)

籠型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固，特別適合于高圓周速度電機(jī)。無(wú)集電環(huán)和碳刷，可靠性高，不受使用場(chǎng)所限制。由于無(wú)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)，不需要同期及電壓調(diào)節(jié)裝置，電站設(shè)備簡(jiǎn)化。負(fù)荷控制十分簡(jiǎn)單，多數(shù)情況下不需水輪　機(jī)調(diào)速器，水輪機(jī)可全速運(yùn)行或在鎖定導(dǎo)葉開(kāi)度下在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變速運(yùn)行。異步發(fā)電機(jī)盡管可能出現(xiàn)功率搖擺現(xiàn)象，但無(wú)同步發(fā)電機(jī)類似的振蕩和失步問(wèn)題，并網(wǎng)操作簡(jiǎn)便。

異步發(fā)電機(jī)主要缺點(diǎn)

大容量異步發(fā)電機(jī)必須與同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行或接入電網(wǎng)運(yùn)行，由同步發(fā)電機(jī)或電網(wǎng)提供自身所需的勵(lì)磁無(wú)功，因此異步發(fā)電機(jī)是電網(wǎng)的無(wú)功負(fù)載。盡管從原理上說(shuō)異步發(fā)電機(jī)可以借助于電容器孤立運(yùn)行在自激狀態(tài)，但處于這種運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)調(diào)壓能力很弱，當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到臨界負(fù)荷，將引起電壓崩潰。異步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁一般而言可由同步發(fā)電機(jī)，電網(wǎng)或靜止電容器提供。具體的勵(lì)磁提供方式由電站類型或電網(wǎng)運(yùn)行條件決定。雖然異步發(fā)電機(jī)不能提供自身和負(fù)載所需的無(wú)功，可能是一個(gè)缺陷，但當(dāng)其使用恰當(dāng)時(shí)，可作為電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化的一種手段。并將會(huì)對(duì)電站和電網(wǎng)帶來(lái)明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

⑴異步發(fā)電機(jī)裝備的電站由于無(wú)需直流勵(lì)磁系統(tǒng)，同期裝置，電站投資費(fèi)用低。

⑵由于無(wú)集電環(huán),電刷，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，因此維護(hù)及運(yùn)行費(fèi)用低。

⑶異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為隱極及無(wú)同步發(fā)電機(jī)類似的轉(zhuǎn)子繞組，因此一般效率高于同容量同轉(zhuǎn)速的同步發(fā)電機(jī).相同的水源下，采用異步發(fā)電機(jī)可多發(fā)電。

⑷異步發(fā)電機(jī)的上述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)將會(huì)由于異步發(fā)電機(jī)所需勵(lì)磁（或附加同步容量或附加電容器）受到部分抵消。

⑸異步發(fā)電機(jī)所需勵(lì)磁的大小與電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速成反比（即與電機(jī)的極對(duì)數(shù)成正比），轉(zhuǎn)速越高，標(biāo)幺值勵(lì)磁越低。

⑹異步發(fā)電機(jī)電站廠房面積較同步發(fā)電機(jī)電站廠房面積小。

發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。法國(guó)人伊波利特·皮克西伊制成了第一臺(tái)永磁發(fā)電機(jī)。

在皮克西伊的發(fā)電機(jī)中，磁場(chǎng)是一塊固定的永久磁鐵產(chǎn)生的。繞在板材組件上的一個(gè)繞組，在這個(gè)磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，繞組的一端接在永磁發(fā)電機(jī)的地線上，另一端接在發(fā)電機(jī)的線柱上。繞組的閉合電路構(gòu)成感應(yīng)電流的電樞。當(dāng)繞組線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于切割磁力線，在繞組的線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如發(fā)電機(jī)外接負(fù)載則有電流產(chǎn)生。這里我們把旋轉(zhuǎn)的繞組稱為轉(zhuǎn)子電樞，把永久磁鐵稱為定子磁極。1831年，英國(guó)人邁克爾·法拉第就是這樣作示范表演的。這是最早的感應(yīng)發(fā)電機(jī)，是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的最早裝置。這種發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流為交流電，故又稱交流發(fā)電機(jī)。

直到1871年7月17日，比利時(shí)人齊納布·格拉姆發(fā)明了第一臺(tái)用機(jī)械能產(chǎn)生電能的直流發(fā)電機(jī)。格拉姆的發(fā)電機(jī)是這樣設(shè)計(jì)的： 電線繞在環(huán)狀物上，在與環(huán)狀物的轉(zhuǎn)軸垂直的磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，每個(gè)繞組電線的兩端連接在整流子的兩片上，兩個(gè)電刷與這個(gè)整流子接觸形成正電極和負(fù)電極。格拉姆的情緒異常激動(dòng)，因?yàn)橐郧八徊贿^(guò)是一個(gè)上過(guò)夜校的普通工人，在維也納博覽會(huì)上，他一下成了世界知名人士。1878年，他又發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)。當(dāng)時(shí)人們只能把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成交流電，格拉姆制造直流發(fā)電機(jī)是從1832年開(kāi)始的，嚴(yán)格地說(shuō)，格拉姆在1869年發(fā)明的是整流子發(fā)電機(jī)。

美國(guó)的馬薩諸賽州阿夫科研究實(shí)驗(yàn)，在1959年，又成功地制造出第一臺(tái)電磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)，它可以把熱能直接轉(zhuǎn)變成電能。在電磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)中，燃燒器將燃料轉(zhuǎn)變成等離子體，燃燒能達(dá)到2500—3000℃。等離子體是經(jīng)過(guò)高度電離的氣體，由無(wú)數(shù)正離子構(gòu)成。即由無(wú)數(shù)個(gè)失去電子的原子構(gòu)成。自由電子在很強(qiáng)的磁場(chǎng)作用下，向正電極移動(dòng)，為正電極所吸附而產(chǎn)生電流。由于電磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)不存在 “中間程序”，因此其功率大，效能高。例如，不存在水蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的中間程序，這一中間程序可使發(fā)電機(jī)效能降低40%。使用電磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)，不但效能可提高，而且還可節(jié)省一半的助燃劑。此外，所達(dá)到的溫度超過(guò)了通常的范圍。在渦輪機(jī)中，溫度不能超過(guò)800—900℃，若超過(guò)這個(gè)限度，渦輪機(jī)就會(huì)受到損壞。遺憾的是，電磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)的電極，在耐高溫方面仍然存在著一些嚴(yán)重的問(wèn)題沒(méi)有解決。這里應(yīng)該提到的是，在電磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)的制造中，包含了瑞典物理學(xué)家阿爾芬在這以前十年研究工作的理論成果。

利用電磁感應(yīng)原理獲得交變電動(dòng)勢(shì)的機(jī)器。1831年10月28日，科學(xué)家法拉第使圓盤在大型磁鐵的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，由此獲得了連續(xù)的電流，用電磁感應(yīng)原理制成了世界上第一臺(tái)發(fā)電機(jī)。

中學(xué)物理教材中的發(fā)電機(jī)模型只能用于演示，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。實(shí)際應(yīng)用中為了提高發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)從而提高輸出電壓，需要采取兩點(diǎn)措施：第一必須增強(qiáng)發(fā)電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)，因此總是把產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的線圈繞在鐵心上，并用磁性較強(qiáng)的電磁鐵代替永磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng);第二為了提高電動(dòng)勢(shì)必須用多匝線圈代替單匝線圈。

交流發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能變成電能的裝置。在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中安培力起著重要作用。由安培定律可知，載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中要受到安培力。安培力對(duì)電樞繞組提供的是電磁阻力矩。當(dāng)外電路不帶負(fù)載時(shí)(外電路開(kāi)路)，電樞繞組中沒(méi)有電流，此時(shí)電樞繞組不受安培力。為了維持電樞勻角速ω轉(zhuǎn)動(dòng)，外力矩只需等于摩擦阻力矩，外力矩的功全部轉(zhuǎn)化為摩擦所生的熱量，這種情況稱為空載運(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)帶負(fù)載(外電路接通)后，則有電流通過(guò)電樞繞組，它將受到安培力的電磁阻力矩，這時(shí)為保持電樞繞組仍以勻角速ω轉(zhuǎn)動(dòng)，外力矩必須等于摩擦阻力矩與電磁阻力矩之和。外力矩的功除變?yōu)槟Σ了鸁岬牟糠滞鈱⑷哭D(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)載所消耗的電能?？梢?jiàn)在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中安培力起了關(guān)鍵作用。一般對(duì)發(fā)電機(jī)提供外力矩的裝置主要有汽輪機(jī)、水輪機(jī)等，相應(yīng)地就有火力發(fā)電及水力發(fā)電等形式。近代發(fā)電機(jī)為了有強(qiáng)大的功率輸出，電樞繞組的電壓高達(dá)幾千伏乃至上萬(wàn)伏，電流達(dá)幾千安培。為了避免由于高電壓、大電流在滑環(huán)與電刷間造成的嚴(yán)重火花，功率在幾十千瓦以上的發(fā)電機(jī)一般都把電樞和電磁鐵互換位置，讓電樞固定而磁極旋轉(zhuǎn)。這樣改造后電樞繞組就可以直接與負(fù)載相接，而讓電壓和電流都較小的電磁鐵的激磁繞組通過(guò)滑環(huán)、電刷與外部直流電源相接。這樣的發(fā)電機(jī)稱為旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)?，F(xiàn)代發(fā)電廠中的發(fā)電機(jī)一般都是這種發(fā)電機(jī)。

由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)以直流勵(lì)磁的磁極轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使靜止部分的定子繞組感應(yīng)出交流電動(dòng)勢(shì)從而輸出電力的交流電機(jī)。它是利用電磁感應(yīng)原理，使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男D(zhuǎn)機(jī)械。它輸出的電流頻率與轉(zhuǎn)速之比為恒定值，與其他同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電時(shí)，頻率必須相等，也就是必須同步旋轉(zhuǎn)。

發(fā)展簡(jiǎn)史同步發(fā)電機(jī)最初是單相的，在19世紀(jì)80年代初應(yīng)用于電力照明; 19世紀(jì)80年代末三相異步電動(dòng)機(jī)發(fā)明后，同步發(fā)電機(jī)也改為三相。早期的同步發(fā)電機(jī)由蒸汽機(jī)、柴油機(jī)、水輪機(jī)或汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，容量都不大，隨后透平發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量增長(zhǎng)很快，在電力工業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。

類型同步發(fā)電機(jī)按驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)來(lái)分，有透平發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分，則有凸極式發(fā)電機(jī)和隱極式發(fā)電機(jī)兩種基本類型。由于凸極式的磁極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中小型同步發(fā)電機(jī)多數(shù)采用凸極式轉(zhuǎn)子。水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比較低，一般只有每分鐘幾十轉(zhuǎn)至幾百轉(zhuǎn)，極數(shù)很多，因此水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子也都采用凸極式結(jié)構(gòu)。透平發(fā)電機(jī)因?yàn)檗D(zhuǎn)速較高，如采用凸極式磁極，其離心力太大，于是改變結(jié)構(gòu)形式，把勵(lì)磁繞組嵌在圓柱體轉(zhuǎn)子表面的線槽里，這就是所謂隱極式。

工作原理不論是由哪種原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，不論轉(zhuǎn)子是凸極式還是隱極式的，同步發(fā)電機(jī)的工作原理都是相同的。水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組套在凸形磁極的鐵芯上，通入直流電流后，產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)。當(dāng)水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，跟透平發(fā)電機(jī)一樣，水輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)感應(yīng)出交流電動(dòng)勢(shì)，向負(fù)載輸出電流做功。

異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為繞線型,發(fā)出的電力從定子繞組直接向電網(wǎng)輸出,同時(shí)從變轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子通過(guò)變流器達(dá)到與電網(wǎng)同步的頻率饋入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)。

人們將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障研究集中在齒輪箱。風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)上的不成熟之處和其特殊的運(yùn)行環(huán)境，故障率較高，引起人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障的重視。國(guó)外研究剛剛起步，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有真正開(kāi)始。本申請(qǐng)課題以當(dāng)前及今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)廣泛應(yīng)用的雙饋異步發(fā)電機(jī)為重點(diǎn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障及其診斷技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)性研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：.（1）定轉(zhuǎn)子繞組故障(含偏心)研究：雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路接有變頻器，同時(shí)轉(zhuǎn)子回路具有可測(cè)性，考慮運(yùn)行的特殊性，用多回路法分析故障機(jī)理和特征；（2）基于轉(zhuǎn)子電流的電機(jī)定子繞組故障診斷；（3）基于輸出功率的電機(jī)轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障診斷；（4）電機(jī)電刷-滑環(huán)可靠性研究：由于特殊運(yùn)行環(huán)境，電刷-滑環(huán)故障不易被發(fā)現(xiàn)，對(duì)其監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究（擬從振動(dòng)、電刷電流分布均勻性、電火花、滑環(huán)溫度等方面進(jìn)行）；(5)強(qiáng)噪聲環(huán)境下微弱特征信號(hào)提取研究；(6)診斷方法研究；(7) 實(shí)驗(yàn)研究。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)上的不成熟之處和其特殊的運(yùn)行環(huán)境，故障率較高，嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行與風(fēng)電場(chǎng)的效益，目前國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有有效的診斷方法。本課題以雙饋異步發(fā)電機(jī)為重點(diǎn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障及其診斷技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)性研究。 主要研究?jī)?nèi)容：（1）雙饋異步發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組故障研究；（2）基于轉(zhuǎn)子電流的電機(jī)定子繞組故障診斷；（3）基于輸出功率的電機(jī)故障診斷；（4）電機(jī)電刷-滑環(huán)可靠性研究：(5)強(qiáng)噪聲環(huán)境下微弱特征信號(hào)提取研究；(6)診斷方法研究；(7) 實(shí)驗(yàn)研究。 重要結(jié)果： （1）對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)定子匝間短路故障診斷進(jìn)行研究方面：研究結(jié)果表明，定子發(fā)生匝間短路故障后，定子負(fù)序電流的隨故障嚴(yán)重程度加劇而增加；但受發(fā)電機(jī)負(fù)載變化影響很小。得到結(jié)論：在輕載狀態(tài)時(shí)利用負(fù)序電流進(jìn)行定子繞組故障的診斷。 （2）關(guān)于轉(zhuǎn)子繞組故障診斷的研究方面：提出計(jì)及轉(zhuǎn)子變換器控制策略的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障診斷方法。 （3）基于轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組故障診斷方面：提出一種基于轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜分析的雙饋異步發(fā)電機(jī)定子繞組故障的在線監(jiān)測(cè)與診斷新方法。得到結(jié)論：轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜法在雙饋電機(jī)定子繞組故障診斷中更具敏感性，不受轉(zhuǎn)差s變化影響，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。 （4）關(guān)于雙饋異步發(fā)電機(jī)電刷-滑環(huán)系統(tǒng)故障診斷的研究方面：基于熱電耦合方法對(duì)電刷滑環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行三維溫度場(chǎng)分析試算及實(shí)驗(yàn)研究。得出結(jié)論：故障后電刷電流間諧波分量下降率遠(yuǎn)小于基波分量下降率，且故障下間諧波畸變率遠(yuǎn)大于正常時(shí)間諧波畸變率。 （5）強(qiáng)噪聲環(huán)境下微弱特征信號(hào)提取研究方面：得到結(jié)論：提取微弱的故障特征量，希爾伯特-黃變換提取出的故障特征量比傅里葉變換及小波變換的特征量更加敏感、可靠。 （6）診斷方法研究方面：本課題從理論研究、仿真分析、實(shí)驗(yàn)研究，提出了新的診斷特征量，特別提出了考慮雙饋電機(jī)的特殊性，包括轉(zhuǎn)子變頻器的影響、轉(zhuǎn)子參量可測(cè)性、電刷-滑環(huán)影響的診斷方法。 （7）實(shí)驗(yàn)研究方面：構(gòu)建雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障診斷的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)正常電機(jī)和故障模擬電機(jī)的大量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。 本課題已發(fā)表學(xué)術(shù)論文16篇，其中SCI一篇(另一SCI論文忘記標(biāo)基金號(hào)，不算)，EI期刊論文4篇EI會(huì)議論文1篇，其他核心期刊論文10篇，會(huì)議論文1篇。申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)（其中一項(xiàng)已授權(quán)）。 科學(xué)意義：本課題的研究為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診 2100433B