風(fēng)力發(fā)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(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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(yīng)用，已經(jīng)形成一個年產(chǎn)值超過五十億美元的全球性產(chǎn)業(yè)。但是用于邊遠地區(qū)獨立供電的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還需要克服很多技術(shù)上的難點才能得以廣泛的應(yīng)用。隨著我國對“三農(nóng)”投入力度加大，經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，廣大農(nóng)、牧、漁民對改善生活環(huán)境，提高生活質(zhì)量，解決生活用電的迫切要求，采用小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)的溫室氣體排放，改善環(huán)境和農(nóng)村地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)，有益于可持續(xù)性發(fā)展。

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

運行管理：

風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是采用工業(yè)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。

小型風(fēng)力發(fā)電機：

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

小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般由風(fēng)輪、發(fā)電機、尾舵和電氣控制部分等構(gòu)成。常規(guī)的小型風(fēng)力發(fā)電機組多由感應(yīng)發(fā)電機或永磁同步發(fā)電機加AC/DC變換器、蓄電池、逆變器組成。在風(fēng)的吹動下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動起來，使空氣動力能轉(zhuǎn)變成了機械能（轉(zhuǎn)速+扭矩）。風(fēng)輪的輪轂固定在發(fā)電機軸上，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動驅(qū)動了發(fā)電機軸的旋轉(zhuǎn)，帶動永磁三相發(fā)電機發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)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(fēng)力發(fā)電機根據(jù)應(yīng)用場合的不同又分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型風(fēng)力機。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機亦稱獨立運行風(fēng)力機，是應(yīng)用在無電網(wǎng)地區(qū)的風(fēng)力機，一般功率較小。獨立運行風(fēng)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(fēng)力機發(fā)電系統(tǒng)。這種獨立運行系統(tǒng)可以是幾kW乃至幾十kw，解決一個村落的供電系統(tǒng)，也可以是幾十到幾百W的小型風(fēng)力發(fā)電機組以解決一家一戶的供電。

由于風(fēng)能的隨機性，發(fā)電機所發(fā)出電能的頻率和電壓都是不穩(wěn)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(wěn)定、高質(zhì)量的電能和滿足交流負載用電，需要在發(fā)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為農(nóng)村能源的組成部分，它的推廣應(yīng)用對于改善用電結(jié)構(gòu)，特別是邊遠山區(qū)的生產(chǎn)、生活用能，推動生態(tài)環(huán)境建設(shè)諸領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，因此具有廣闊的市場前景。風(fēng)能具有隨機性和不確定性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)。簡化小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性及實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行，對于小型風(fēng)力風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的推廣具有非常重要意義。?

水力發(fā)電機

水利發(fā)電機是將水的動能和重力勢能轉(zhuǎn)換為機械功的動力機械（如：中國的三峽）。在發(fā)電這一塊最好的要數(shù)核能發(fā)電，不過相對核能污染較大。所以中國廣泛還是用煤炭發(fā)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(xiàn)的主要原因。

同步發(fā)電機

作發(fā)電機運行的同步電機。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(dāng)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。?

高速同步發(fā)電機：

因大多數(shù)發(fā)電機與原動機同軸聯(lián)動，火電廠都用高速汽輪機作原動機，所以汽輪發(fā)電機通常用高轉(zhuǎn)速的2極電機，其轉(zhuǎn)速達3000轉(zhuǎn)/分（在電網(wǎng)頻率為60赫時，為3600轉(zhuǎn)/分）。核電站多用4極電機，轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分（當(dāng)電網(wǎng)頻率為60赫時，為1800轉(zhuǎn)/分）。為適應(yīng)高速、高功率要求，高速同步發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上一是采用隱極式轉(zhuǎn)子，二是設(shè)置專門的冷卻系統(tǒng)。

隱極式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時巨大的離心力，要求轉(zhuǎn)子有很高的機械強度。隱極式轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)子磁極的中心。有時大齒也開一些較小的通風(fēng)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(fēng)槽。隱極式轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子本體軸向兩端還裝有金屬的護環(huán)和中心環(huán)。護環(huán)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(huán)用以防止繞組端部的軸向移動，并支撐護環(huán)。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(huán)和電刷。

冷卻系統(tǒng)：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(dāng)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(fā)的熱量就會增加，電機的溫升將會提高。在高速汽輪發(fā)電機中，離心力將使轉(zhuǎn)子表面和轉(zhuǎn)子中心孔表面產(chǎn)生巨大的切向應(yīng)力，轉(zhuǎn)子直徑越大，這種應(yīng)力也越大。因此，在鍛件材料允許的應(yīng)力極限范圍內(nèi)，2極汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子本體直徑不能超過1250毫米。大型汽輪發(fā)電機要增大單機容量，只有靠增加轉(zhuǎn)子本體的長度（即用細長的轉(zhuǎn)子）和提高電磁負荷來解決。轉(zhuǎn)子長度可達8米，已接近極限。要繼續(xù)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(fā)電機的發(fā)熱和冷卻問題變得特別突出。對于50000千瓦以下的汽輪發(fā)電機，多采用閉路空氣冷卻系統(tǒng)，用電機內(nèi)的風(fēng)扇吹拂發(fā)熱部件降溫。對于容量為5～60萬千瓦的發(fā)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(fēng)摩擦損耗大為降低，從而能顯著提高發(fā)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(jié)構(gòu)更為復(fù)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(zhì)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(dǎo)線，導(dǎo)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(fā)電機：

多數(shù)由較低速度的水輪機或柴油機驅(qū)動。電機磁極數(shù)由4極到60極，甚至更多。對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1500～100轉(zhuǎn)/分及以下。由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子。

凸極式轉(zhuǎn)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(huán)形成的一個短接回路。磁極固定在轉(zhuǎn)子磁軛上，磁軛由鑄鋼鑄成。凸極式轉(zhuǎn)子可分為臥式和立式兩類。大多數(shù)同步電動機、同步調(diào)相機和內(nèi)燃機或沖擊式水輪機拖動的發(fā)電機，都采用臥式結(jié)構(gòu)；低速、大容量水輪發(fā)電機則采用立式結(jié)構(gòu)。

臥式同步電機的轉(zhuǎn)子主要由主磁極、磁軛、勵磁繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸等組成。其定子結(jié)構(gòu)與異步電機相似。立式結(jié)構(gòu)必須用推力軸承承擔(dān)機組轉(zhuǎn)動部分的重力和水向下的壓力。大容量水輪發(fā)電機中，此力可高達四、五十兆牛（約相當(dāng)于四、五千噸物體的重力），所以這種推力軸承的結(jié)構(gòu)復(fù)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(fā)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(zhuǎn)速較高、轉(zhuǎn)子直徑與鐵心長度的比值較小時，機械上運行較穩(wěn)定。傘式的推力軸承放在轉(zhuǎn)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(jié)約大量鋼材，并能降低從機座基礎(chǔ)算起的發(fā)電機和廠房高度。

同步發(fā)電機的并聯(lián)運行 同步發(fā)電機絕大多數(shù)是并聯(lián)運行，并網(wǎng)發(fā)電的。各并聯(lián)運行的同步發(fā)電機必須頻率、電壓的大小和相位都保持一致。否則，并聯(lián)合閘的瞬間，各發(fā)電機之間會產(chǎn)生內(nèi)部環(huán)流，引起擾動，嚴重時甚至?xí)拱l(fā)電機遭受破壞。但是，兩臺發(fā)電機在投入并聯(lián)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(fā)電機能投入并聯(lián)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(fā)電機在投入并聯(lián)運行以后，各機負載的分配決定于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速特性。通過調(diào)節(jié)原動機的調(diào)速器，改變發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速特性，即可改變各發(fā)電機的負載分配，控制各發(fā)電機的發(fā)電功率。而通過調(diào)節(jié)各發(fā)電機的勵磁電流，可以改變各發(fā)電機無功功率分配和調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓。?

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機：

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機由于機械損耗小、運行效率高、維護成本低等優(yōu)點成為繼雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組之后的又一重要風(fēng)力發(fā)電機型受到廣泛關(guān)注，并逐漸開始投入使用。永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，它主要由風(fēng)力機、永磁同步發(fā)動機、變頻器和變壓器組成。

永磁同步風(fēng)力發(fā)電的基本原理，就是利用風(fēng)力帶動風(fēng)力機葉片旋轉(zhuǎn)，拖動永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)發(fā)電。永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和籠型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類似，只是所采用的發(fā)電機為永磁式發(fā)電機，轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，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(xiàn)的，把永磁同步發(fā)電機的變頻的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻的交流電，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)，因此變頻器的容量與系統(tǒng)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(fā)電機已變得越來越具吸引力了。采用永磁同步發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有以下特點：

1、永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)不需要勵磁裝置，具有重量輕、效率高、功率因數(shù)高、可靠性好等優(yōu)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(zhuǎn)子無勵磁繞組，磁極結(jié)構(gòu)簡單、變頻器容量小，可以做成多極電機；

4、同步轉(zhuǎn)速降低，使風(fēng)輪機和永磁發(fā)電機可直接耦合，省去了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的齒輪增速箱，減小了發(fā)電機的維護工作并降低噪聲，使直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)。

適用場合：

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

2、在單機容量比較小的風(fēng)場，永磁同步發(fā)電系統(tǒng)能夠高效并網(wǎng)發(fā)電；

3、為農(nóng)村、牧區(qū)、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(fā)電機

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

交流發(fā)電機構(gòu)造

交流發(fā)電機的構(gòu)造稍顯復(fù)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(fā)電機

異步發(fā)電機又稱“感應(yīng)發(fā)電機”。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(yīng)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。

交流勵磁發(fā)電機由于轉(zhuǎn)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(xù)工頻過電壓、變速恒頻發(fā)電、抽水蓄能電站電動-發(fā)電機組的調(diào)速等問題方面有著傳統(tǒng)同步發(fā)電機無法比擬的優(yōu)越性。交流勵磁發(fā)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(diào)節(jié)的方式；

3） 運行于發(fā)電-電動方式。

隨著電力系統(tǒng)輸電電壓的提高，線路的增長，當(dāng)線路的傳輸功率低于自然功率時，線路和電站將出現(xiàn)持續(xù)的工頻過電壓.為改善系統(tǒng)的運行特性，不少技術(shù)先進的國家，在6'世紀A'年代初開始研究異步發(fā)電機在大電力系統(tǒng)中的應(yīng)用問題，并認為大系統(tǒng)采用異步發(fā)電機后，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性和運行的經(jīng)濟性.

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

異步發(fā)電機也可以并聯(lián)電容，靠本身剩磁自行勵磁，獨立發(fā)電（見圖），這時發(fā)電機的電壓與頻率由電容值、原動機轉(zhuǎn)速和負載大小等因素決定。當(dāng)負載改變，一般要相應(yīng)地調(diào)節(jié)并聯(lián)的電容值，以維持電壓穩(wěn)定。由于異步電機并聯(lián)電容時，不需外加勵磁電源就可獨立發(fā)電，故在負荷比較穩(wěn)定的場合，有可取之處。例如可用作農(nóng)村簡易電站的照明電源或作為備用電源等。[2]

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。

測速發(fā)電機的分類：測速發(fā)電機分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩大類。

直流測速發(fā)電機：直流測速發(fā)電機本質(zhì)上是一種微型直流發(fā)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(fā)電機的工作原理與一般直流發(fā)電機相同。

交流測速發(fā)電機：交流異步測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有籠型的，也有杯型的，在控制系統(tǒng)中多用空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機?？招谋D(zhuǎn)子異步測速發(fā)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(fā)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(fā)電機產(chǎn)生非線性誤差；

剩余電壓：實際運行中，轉(zhuǎn)子靜止時，測速發(fā)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(zhuǎn)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(fā)電機分為：永磁式、感應(yīng)式和脈沖式。

柴油發(fā)電機

柴油發(fā)電機組是一種獨立的發(fā)電設(shè)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。整套機組一般由柴油機、發(fā)電機、控制箱、燃油箱、起動和控制用蓄電瓶、保護裝置、應(yīng)急柜等部件組成。整體可以固定在基礎(chǔ)上，定位使用，亦可裝在拖車上，供移動使用。 柴油發(fā)電機組屬非連續(xù)運行發(fā)電設(shè)備，若連續(xù)運行超過12h，其輸出功率將低于額定功率約90%。