关于发电机，你了解多少？

huangguang

我们每天都在和电动机打交道，从起床开始，男士用剃须刀刮胡子，女士用吹风机吹头发，早餐用豆浆机打豆浆，上班用新能源车代步，一直到深夜，很多人都还在使用电动机相关产品。可以说电动机是无处不在。由于发电机远离日常生活，很多人对发电机比较陌生，本文专门给大家做个普及。

电动机是将电能转化为机械能的一种机械设备，而发电机正好相反，是将机械能转化为电能。发电机按运行方式，分为并网运行和单机运行两种。并网运行的发电机主要用于水电站、火电厂、核电站、风电场，功率普遍比较大，像水电站发电机最大单机功率可达100万千瓦，也就是1000MW。单机运行的发电机主要用作移动电源，功率一般都比较小，像我们曾设计的用于冷链运输的发电机功率是20kW，船用轴带发电机功率是2MW。有网友说，功率2MW已经很大了，怎么能说它小？我们说，电机功率大小是相对的，相对于电动机而言，2MW算是很大的了，但是在发电机特别是大型发电机里面，2MW算是比较小的。

从电机设计角度来讲，由于发电机和电动机关心的指标不一样，所以设计特点也有所不同。由于电动机输出功率指的是机械功率，所以电动机更关心与机械相关的指标，比如启动转矩，最大转矩，转矩脉动等指标。发电机就没有或者说不提以上这几个转矩的概念，由于发电机输出功率指的是电功率，所以发电机更关心与电相关的指标，比如空载电压波形畸变率，稳态电压调整率，瞬态电压调整率等指标。当然，要降低电动机转矩脉动所采取的技术措施，与降低发电机空载电压波形畸变率所采取的技术措施可以是一样的，比如都采用斜槽，之所以如此，是因为这两个指标都与齿谐波有关。另外，发电机的功率因数属于设计输入，而电动机的功率因数则属于设计输出，这也是它们的重要区别之一。由于发电机容量比较大，根据电机效率正比于单机容量这一原理，所以发电机效率要求会更高。我们曾设计过一款12.5MW同步发电机，效率要求是不低于98.5%，这对电动机是不可想象的。   

大多数发电机都是以发出有功功率为主，所以功率因数一般都是0.8或者0.9，但是有一种发电机是专门用于发无功的，功率因数为0，这种发电机叫调相机。我们曾设计过一款50MVar，10.5kV，3000r/min的新能源电站用分布式调相机，主要解决新能源电站电压不稳定，电力送不出去的问题。调相机和传统的同步发电机设计有较大不同，主要在于短路比一定要高，以保证有较深的进相能力。同时瞬态参数和电时间常数要尽可能小，以保证较快的动态响应速度，另外，调相机损耗要尽可能小，以保证较高的运行效率。

原则上讲，任何一台电机既可以作为发电机运行，又可以作为电动机运行，这就是所谓的电机可逆原理。电机可逆原理从底层逻辑上阐明了，发电机和电动机不应视为两种截然不同的电机，而只是同一电机的两种不同运行方式。

但是将一台电机从一种运行方式切换到另一种运行方式，往往是需要一定前提条件或者说需要付出一定代价的。以异步电机为例，作为电动机运行很容易，直接接电网上就可以转。但作为发电机，如果直接拿原动机拖异步电机，是没法发电的，因为没有励磁。所以异步电机要作为发电机运行，还需要额外励磁，比如由电网励磁或用电力电容器自行励磁，前者适用于并网运行，后者适用于单机运行。

再说永磁同步电机。作为发电机运行很容易，直接拿原动机拖永磁同步电机就可以发电，但是作为电动机运行，直接接电网上永磁同步电机是转不起来的。需要额外购置变频器或者在转子上设计专门的起动笼来解决永磁同步电机的起动问题，这需要增加成本。对于利用变频器完成起动的永磁同步电机，一旦电机起动完成，如果不需要调速运行，为了省电，可以将变频器切除，将电机切换到电网模式运行。对于利用转子起动笼完成起动的永磁同步电机，一旦电机起动完成，起动笼完成了它的使命，起动笼中就基本没有电流了。   

大型发电机有汽轮发电机和水轮发电机两种，其中前者用于火电厂和核电站发电，后者用于水电站发电，本文不作详细阐述。本文主要介绍常见的中小型发电机，包括无刷励磁同步发电机，永磁同步发电机，有刷双馈异步发电机和笼型异步发电机等。

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图1 无刷励磁同步发电机

无刷励磁同步发电机由副励磁机、励磁机和主发电机等三台电机共同组成，并且三台电机的转子是同轴旋转的。其中副励磁机为永磁同步发电机，励磁机为旋转电枢式同步发电机，主发电机为常规的旋转磁极式同步发电机。无刷励磁同步发电机工作原理是，当原动机拖动转子旋转后，由副励磁机定子直接发出交流电压经过外部整流后形成直流电压。该直流电压接到励磁机的定子上，励磁机的定子形成恒定磁场，励磁机的转子线圈切割磁力线产生交流电压再经过在主轴上的旋转二极管整流成直流电压后接到主发电机的转子线圈上，主发电机转子形成磁场，主发电机定子切割磁力线得到发电电压。也有的无刷励磁同步发电机没有副励磁机，仅由励磁机和主发电机两部分组成，此时励磁机定子电压由主发电机的剩磁电压经整流后提供。无刷励磁同步发电机主要用于各种船用、陆用电站电源，以及核电站中的应急发电机组。   

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图2 永磁同步发电机转子

永磁同步发电机转子结构为表贴式或者内置式，其中表贴式结构更适合于低速和高速运行，内置式结构更适合于中速运行。永磁同步发电机具有结构简单、可靠性高、效率高、适合直驱等优点，但也有成本高、无法通过调节励磁来实现恒压等缺点，主要用于风力发电、无刷励磁同步发电机的副励磁机以及航空航天高速发电机等场合。针对永磁同步电机无法通过调节励磁来实现恒压的缺点，可以采用混合励磁（即电励磁+永磁体励磁）结构的发电机或者外接全功率变流器来解决，前者结构比较复杂，后者成本比较高。   

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图3 有刷双馈异步发电机

有刷双馈异步发电机是一种绕线式感应发电机，即定子、转子都有三相对称的绕组。所谓有刷，指的是感应发电机转子上存在电刷-滑环。所谓双馈，指的是感应发电机的定子、转子能同时向电网发出电能，其中定子绕组直接与电网连接，转子绕组通过电刷-滑环经变流器与电网连接。当发电机转速变化时，通过变流器控制转子电流的频率，可以确保定子的输出始终是恒频恒压的交流电。由于上述特点，发电机工作转速可以是亚同步，同步或超同步。由于流过转子绕组中的功率为转差功率，一般只有发电机容量的1/4～1/3，因而变流器的最大容量也仅为发电机容量的1/4～1/3，这样“双馈异步发电机+转差功率的变流器”的总体配置费用与“永磁同步发电机+全功率变流器”组合相比，就明显降低。双馈异步发电机的主要优点是适合于变速恒频运行，并且成本也较低；缺点是需要安装电刷-滑环，故障率较高，必须定期维护、检修和更换，另外效率也较低。双馈异步发电机主要用于风力发电和水力发电。   

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图4 笼型异步发电机

笼型异步发电机转子为封闭式鼠笼结构，不需要电刷-滑环，因而结构简单、可靠性高。由于笼型异步发电机转子上没有像电励磁同步发电机或者双馈异步发电机一样的专门励磁绕组，因而需要从外部（如电网或者电容器）获取励磁。由于笼型异步发电机工作转速只能是超同步，为实现大范围变速恒频发电，因此定子需要接全功率变流器，变流器成本高于双馈变流器。笼型异步发电机主要适用于对可靠性要求特别高的场合，比如海上风力发电等。

关于发电机就先介绍这么多内容，如果大家还有什么需要了解的，欢迎在评论区给我们留言。


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