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广州发电机组一个热动专业的，不得不从高中电磁学开始复习，零基础学习发电机。

以下内容是我的学习笔记。学习中收集的视频资料都在下面的链接中，有需要的自取。

抛开复杂的公式，我利用高中物理，对同步、异步、有功、无功、励磁等概念建立了初步的认识。但这种认识是浅薄的，希望大神能够批评指正。继续努力学习吧。

1. 交流电、直流电、滑环、碳刷

闭合电路，切割磁感线，感应电流，灯泡发光（高中物理）。问题在于，下面这张图，如何避免导线在旋转过程中纠缠在一起？

附件“交流AC直流DC发电机工作原理”视频截图

广州发电机组答案是加上滑环（slip rings）和碳刷（carbon brushes），另外把切割磁感线的线圈中与滑环接触的部分变成“一长一短”，分别与两个滑环连接。灯泡接收到了交流电（AC，Alternating Current）。这张图高中物理书上画的很明白，只不过当初从未留心观察思考。

附件“交流AC直流DC发电机工作原理”视频截图

但是，有刷发电机存在一个缺点，可以形象的理解为，运行过程中，呲呲冒火星（也就是损耗高，效率低，碳刷要经常更换）。

附件“无刷直流电机的工作原理”视频截图，需要注意，我没找到有刷发电机的结构视频，动图中显示的是一台有刷电动机

因此，我们需广州发电机组要造一台无刷发电机（brushless generator）。但是问题来了，导线圆周运动切割磁感线的过程中，一直在不停的转动。如何才能不用电刷就对外输出电流呢？答案是，把导线固定，让磁铁转动。感应电流经导线直接流出，无需安装滑环和电刷。

附件“三相电”

至此，第一阶段学习完成。不过有一个小问题，既然导线旋转切割磁感线，产生的是交流电，那爱迪生的直流（DC，Direct Current）发电机是怎么做出来的呢？答案是，他没用滑环，用的是换向器（commutator，split rings，一个环，中间劈开两半）。用高中的右手定则比划一下就明白了，灯泡外电路感受到的是永远直流电。广州发电机组至于交流和直流的对比说明，这位答主解答的非常详细。

特高压为啥还有直流？看看新时代交直流大战！400 赞同 · 55 评论文章附件“交流AC直流DC发电机工作原理”视频截图2. 有功功率、无功功率、电感、励磁

这里是难点。我是热动专业的，电气零基础。

因此，以下理解，全部基于高中三角函数知识和电路知识。如果有错误，希望大神指出。想真正学会，一定要耐心学习《电路原理》。

首先，正弦交流电的数学表达式和图形如下，幅值、角频率和初相位是构成三角函数的三要素，同样也是交流电的三要素。

如果我是一个白炽灯（广州发电机组纯电阻原件），那我看到的世界是这样的：电压和电流，同时来到了我的身边。在图形上表现为，电流和电压没有相位差。

如果我是一个电容，世界变成了这个样子：电流先来到了我的身边，帮我在两个极板上积累电荷，达到一定程度后，我有了相应的电压。在图形上表现为，容抗的存在使电流领先电压。

电感是什么？一个缠绕了导线的铁芯，就构成了一个电感。电感世界中，电流和电压的先后顺序，可以用下面图中变压器的工作原理来解释。

左侧的交变电流，在铁心中感应出了变化的磁场；变化广州发电机组的磁场又在右侧线圈中产生感应电动势；右侧回路如果闭合，就会有感应电流。在图形上表现为，感抗的存在使电流落后电压。（广州发电机组电磁感应定律的关键，在于一个“变”字。直流电为什么不能变压，因为直流电不能感应出“变化的”磁场）

附件：“变压器的工作原理”

于是，现实世界中，电流和电压是有先后顺序的。这个先后顺序，就是理解无功功率的基础。还是以变压器为例，传输过来的总功率S=UI（电流乘电压）要被分为两部分，一部分Q=UIsinφ“先”用于建立磁场，另一部分P=UIcosφ才是“后续”电路实际消耗的。S，P，Q三者构成了功率三角形，其中S广州发电机组为视在功率，Q为无功功率，P为有功功率。cosφ即为功率因数，提高cosφ即为无功补偿。

懵逼了，对不？我学到这里也懵了。但是，下面这张图又使我清醒了。前面，我们提到无刷发电机，导线固定（定子），磁铁旋转（转子）。磁铁可以是永磁铁(Permanent magnet)，也可以替换成一个“被缠绕了线圈的铁芯”。而一个缠绕了线圈的铁芯，就构成了一个电感。对一个电感通电，使“铁芯”变为“磁铁”的过程，即为“励磁”（excitation）。因此，发电机的工作，也是有先后顺序的，先励磁，后发电。励磁，对应着无功；发电，对应着有功。

附件：发电机励磁

第二阶段结束。还有一个小问题，广州发电机组之前不是说，碳刷有缺点吗，但上面的动图里，励磁系统为什么又用到碳刷了呢？这与励磁系统的形式有关，下面再讨论吧。另外，技术没有绝对的好坏。如果一项被抛弃的技术又重新回归，只能说明科学家和工程师克服了该技术原有的缺点，并且充分利用了其优点。工程设计方案优化，就是一个扬长避短的过程。

3. 磁极对数

磁极是啥？就是是中间旋转的那个。可以是永磁，也可以是励磁。外面的定子绕线，无论接的有多复杂，其目的，只是为了输出三相电。

附件“三相电”

中间旋转的，可以是1对磁极（2极，一个N，一个S），可以是2对、三对、很多对……

磁极对数p广州发电机组与转子转速n的关系如下，其中，f为电网工频。对于我国，f为50Hz。

汽轮发电机，磁极对数很少，一般为1、2对，所以它的转速很高，为3000r/min或1500r/min。

风机的磁极对数相当多，所以他的转速很低，每分钟十几转。

汽轮发电机可以降低转速吗？转那么快干啥，多危险。答案是不行。因为锅炉产生的高温高压蒸汽，流速远高于自然界的风速，且能量大（水蒸气焓值高）。因此原动机（汽轮机）必须用高转速来适应高流速、高能量的蒸汽（汽轮机原理）。

风电的原动机是风机叶轮，原动力是自然界的风，它广州发电机组就是想快点转，也不可能。

4. 同步发电机，励磁系统

以上介绍的，全是同步发电机。或者说，我们在高中阶段学的交流电原理，是按照同步发电机的原理论述的。所谓“同步”（synchronous），指的是“转子的转速n”和“对电网输出的电力的频率f”之间，存在一个明确的、锁定的关系，也即上文“3. 磁极对数”中的公式：

同步发电机的励磁方式主要有：

（1）永磁同步发电机。转子是一块永磁铁，不需要励磁，直接发电就行了。缺点是什么？先看一下高中感应电动势的公式： 。如果励磁，那磁场强度B就是励磁电流I的函数 。随励磁电流的变化，B的大小可调，广州发电机组因而感应电动势可调。然而，永磁铁的磁场强度B很难调整，因而在运行过程中调节困难。

附件：发电机励磁

（2）直流励磁。用“滑环”和“碳刷”将外部直流电接入转子上的励磁绕组（绕组就是线圈）进行励磁。优点是成本低，缺点是维护工作量大。因此，小型同步发电机中采用的较多。

附件：发电机励磁

（3）无刷励磁。为了取消滑环和碳刷，必须将电流在定子侧接通。将励磁机和同步发电机放在一根转轴上。首先，向位于励磁机定子侧的励磁绕组通入小电流三相电，励磁机电枢（电枢就是导线）随主轴转动切割磁感线，产生感应交流电；经整流器变为直流电；直流电再对同步发电机的励磁绕组励磁；最后完成对外发电。转子侧的设备都安装在同一根转轴上，没有相对运动，交流和直流线路直接与相应的设备相连即可。

自己画的框图，删除了电气设备符号附件：Generator Excitation system _ Brushless generator _ types of excitation system Shunt , PMG

（4）带副励磁机的无刷励磁。传统的无刷励磁还需要外界输入三相电。副励磁机的存在，可以使发电机励磁彻底摆脱外电源。所谓副励磁机（pilot exciter），就是一个小型永磁发电机。

自己画的框图，删除了电气设备符号附件：Brushless alternator working at Basic Electrical Learning附件：Generator Excitation system _ Brushless generator _ types of excitation system Shunt , PMG

（5）静止励磁（static excitation）。励磁功率取自发电机广州发电机组出口的交流电，经静止换流器整流为直流后，再通过滑环和电刷输入到发电机转子励磁绕组的励磁方式。

附件：Static excitation ( alternator)5. 鼠笼异步发电机

风电中常见的异步发电机有两种：双馈异步发电机（DFIG，Double-Fed Induction Generator，转子为绕线型）、鼠笼异步发电机（广州发电机组笼式异步发电机，SCIG，Squirrel-Cage Induction Generator，转子为鼠笼结构）

那何为异步（asynchronous）呢？回顾一下高中物理，问自己这样一个问题：对于一个“被缠绕了线圈的铁芯”（也就是转子），有几种办法让它变成一块磁铁（完成励磁）？

方法一：通电。也就是上述同步发电机的做法。

方法二：电磁感应（Electromagnetic induction）。

下图是金属探测器的工作原理，利用高中电磁感应定律就能看明白。异步发电机的转子，就是通过电磁感应的方式进行励磁。

附件：3分钟带你了解金属探测器原理

把图中的金属块，换成一个“被缠绕了线圈的铁芯”（也就是转子）。

首先，发电机的定子与电网相连，通入50Hz的三相交变电流，感应出变化的磁场B1；

其次，转子线圈中就会像上图中的金属块一样，感应出磁场B2，也即完成了对转子的励磁；

最后，励磁后的转子旋转，使得定子线圈切割B2磁场的磁感线，产生感应电流，对外发电。

有两个小问题：①转子电路要闭合，不然不会有感应电流；②转子铁芯不广州发电机组能浑然一块，而是要用彼此绝缘的、薄薄的硅钢片叠成，降低因电涡流导致的铁芯发热损失。定子铁芯同理。

下图是笼式异步发电机的工作步骤。

第一步，对定子通入三相交流电（来自电网），定子会形成一个等效的旋转磁场。

附件：How does an Induction Motor work。注意，视频中说的是电动机，我没找到发电机的视频，但是二者原理是一致的。

第二步，由于定子磁场不断旋转，因而被风机驱动的转子内的磁通量发生了变化，从而产生了感应电流，并进一步生成了感应磁场。

附件：How does an Induction Motor work。这张图是“电动机”而非“发电机”的动图，不过二者结构相似。笼式异步发电机的转子形式发生了变化，由铁芯和转子导条组成。对于“发电机”，“转子的转速”应当比“定子磁场转速”快。而图中是“电动机”，“转子的转速”比“定子磁场转速”慢。

第三步，定子绕组切割转子感应出的磁感线，对外发电。

需要说明的是：

（1）定子绕组，在启动时引入三相电，通过电磁感应的方式对转子励磁。发电状态下，通过定子绕组再对外输出电能。由于输出的也是三相电，因此定子绕组时刻会形成一个旋转的磁场。同时，这也表明，如果转子的转速与旋转磁场的转速相同（同步），则转子内磁通量不变，广州发电机组就不会有感应电流了。因此，二者转速必须不一致，也就是“异步”。

（2）启动不一定需要外电网，也可以接电容器。

（3）如果转子转速低于同步转速，则会处于电动机状态，风力发电系统经适当延时后会脱网。

（4）应当深入学习，分析异步发电机的电磁转矩-转速特性曲线。

（5）鼠笼式异步发电机，不能产生无功，而是要时刻消耗无功，以维持其定子磁场。

6. 双馈异步发电机

双馈异步发电机（DFIG），发电机定子接电网，转子接交流励磁变换器，定子转子都参与馈电（向电网送电），所以叫双馈。DFIG兼具同步和异步电机的特性，又可以叫做“广州发电机组交流励磁同步发电机”、“同步感应发电机”、“异步化同步发电机”。

开发这款发电机的目的：实现风机的变速恒频发电。风机转速随自然界的风速不断变化，但这款发电机可以输出恒频电能，并且可实现最大风能追踪所需要的变速恒频运行。

通过高中物理，已知切割广州发电机组磁感线产生的感应电动势为 。e的频率与转子转速相关，准确的说是与转子上的磁场转速相关。以上所有的同步发电机、鼠笼异步发电机，在转子转速与转子上的磁场转速是绑定的，如果想实现恒频发电，必须配备全功率变化器。

广州发电机组有没有办法使“转子转速”与“转子上的磁场转速”不直接相关，二者分离？答案是，对转子进行交流励磁。

DFIG的三种运行状态（具体的公式在所有讲解双馈发电机的教材中均有详细论证）：

（1）亚同步，电网向转子输入“转差功率”；

（2）超同步，转子向电网输出“转差功率”，也就是转子也能馈电；由于转子也要输出三相电，因此转子绕线的接法要符合三相电的要求，这与以上发电机都不一样。

（3）同步，励磁变换器向转子提供直流励磁，DIFG变成了同步发电机。

还有一种无刷双馈异步发电机（brushless DFIG），取消了碳刷与滑环。想要取消这两样东西，那励磁就必须从定子侧开始。于是，这种BDFIG的定子侧有两组独立的绕组，一组用于励磁，一组用于发电。

附件：sustainability-13-00842-v3附件：Coupling electromagnetic (FE) models to multidomain simulator to analyse eletrical drives and complex control systems

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