发电机
定义
发电机是一种把机械能转换为电能的电机,通常由汽轮机、水轮机或内燃机等原动机驱动。[3]机械能先由原动机产生,再由发电机转变成电能输出,因此发电过程实际上是能量形式逐级转换的过程。[1]
按输出电流的类型,发电机分为直流发电机和交流发电机两大类;交流发电机又可再分为同步发电机和异步发电机,现代电站中最常用的是同步发电机。[2]若按与原动机的配套关系划分,同步发电机可分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等类别。[2]
在结构上,发电机由定子和转子两大部分组成。定子产生磁场的称为旋转电枢式,转子产生磁场的称为旋转磁场式;无论哪种形式,可靠的是线圈与磁场之间的相对运动。[1]大型电机的电枢铁心多用硅钢片叠成,以降低铁耗;转子铁心磁通变化较小,可用整块钢制成。[2]
原理
发电机的工作基础是电磁感应现象。当闭合电路的一部分导体在磁场中切割磁感线时,导体中会产生感应电流,相应的电动势称为感应电动势。[4]原动机带动转子旋转,使线圈与磁场发生相对运动,穿过线圈的磁通量随之改变,感应电动势便持续产生。[1]
对周期变化的磁场,单匝线圈的感应电动势满足法拉第电磁感应定律:$e=-\dfrac{d\Phi}{dt}$,其中 $\Phi$ 为穿过线圈的磁通量。同步发电机的转速与极对数决定输出频率:$n=\dfrac{120f}{p}$,式中 $n$ 为转速(转/分),$f$ 为频率(赫兹),$p$ 为磁极数。[5]
以法拉第圆盘为例,铜盘可视为若干根沿半径方向并联的导体,各导体切割磁感线产生电动势,盘心与盘缘之间便形成电势差,其大小与磁感应强度、角速度和圆盘半径的平方有关,约为 $E=\dfrac{1}{2}BL^2\omega$。[6]
flowchart LR
A[原动机] --> B[旋转的转子]
B --> C[磁通量变化]
C --> D[感应电动势]
D --> E[电枢绕组与滑环/换向器]
E --> F[外部电路与电网]
同步发电机一般由直流电流励磁,既提供有功功率也提供无功功率;异步发电机没有独立励磁绕组,结构简单,但不能向负载提供无功功率,还需从电网汲取滞后的磁化电流,因此常与其他同步电机并联或并接电容器运行。[2]
发展历程
1831 年 10 月 17 日,法拉第把条形磁铁在接有电流表的线圈中插入和抽出,观察到指针摆动,发现了电磁感应现象。[7]同年 10 月 28 日,他把铜盘装在轴上,置于马蹄形磁铁两极之间旋转,盘的轴与边缘经电刷接入电流表,指针随旋转而偏转,这就是法拉第圆盘发电机,通常被视为第一台发电机。[7]关于这一发明的论文于 1831 年 11 月 24 日在皇家学会宣读,1832 年 1 月印行。[7]
1832 年,法国人毕克西制成手摇式直流发电机,通过转动永磁体改变磁通,在线圈中产生感应电动势并以直流电压形式输出。[8]1845 年惠斯通制成了采用电磁铁励磁(此后前多用永久磁铁)的直流发电机;1852 年至 1856 年间,蒸汽机驱动的电磁式直流发电机开始进入工业和商业应用。[9]
1866 年,德国的维尔纳·冯·西门子提出利用电机剩磁进行自励的原理,并制成自励式直流发电机。[9]同年惠斯通也独立完成了利用磁极剩磁的自励发电机,并发表在英国皇家学会。[10]1870 年前后,格拉姆的环形电枢和西门子工程师阿尔特内克的鼓形电枢相继出现,提
高了电机的实用性能。[10]19 世纪 80 年代,白炽灯的推广进一步刺激了直流发电机的应用与发展。[9]
由于直流发电机带有换向器,结构复杂、成本较高、维护不便,且效率低于交流发电机;大功率可控整流器出现以后,用交流电源经半导体整流获取直流电逐渐取代了直流发电机。[2]进入 20 世纪,随发电容量提高,三相交流电在竞争中取得优势,区域电网逐步成熟。[11]
应用
电力生产是发电机最主要的用途。火电、核电以汽轮机拖动同步发电机,水电以水轮机拖动,机组再经输配电线路向用户供电。[12]按原动机不同,同步发电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机 3 种。[2]
汽轮发电机为获得较高效率一般做高速运转,常见转速为 3000 转/分(50 赫)或 3600 转/分(60 赫)。高速运行时离心力大,转子直径通常做得较小而长度较大;5 万至 10 万千瓦以上的机组多采用氢冷或水冷。[13]水轮发电机的容量与转速随水电站条件变化很大,中大型机组多采用立式结构,转子直径大而长度短,起动并网快,适合承担调峰和事故备用。[13]
除集中式电站外,发电机还用于风力发电、船舶与车辆供电、内燃机驱动的备用与分布式电源等场合。风力发电常见的机型包括异步发电机、同步发电机、永磁同步发电机和双馈异步发电机。[14]此外,利用导电流体与磁场相对运动发电的磁流体发电机也在研究中,其依据霍耳效应工作。[2]
局限
发电机只能实现能量形式的转换,并不创造能量,其输出受原动机输入功率的制约。转换过程中存在铜耗、铁耗、机械损耗等,效率不可能达到 100%。[14]
不同类型各有短板。异步发电机不能向负载提供无功功率,还需从电网吸取滞后的磁化电流,通常需与其他同步电机并联或并接电容器,应用范围因此受限。[2]直流发电机则因换向器的存在而结构复杂、易出故障、维护困难,效率也低于交流发电机。[2]
容量提升还受材料与结构限制。大型高速汽轮发电机转子直径受材料强度约束,一般不超过 1.2 米;转子本体过长会使临界转速接近运行转速,引起振动,因此大容量化必须依靠加强冷却来实现。[3]磁流体发电机目前发电通道效率仅约 10%,通道和电极材料需耐高温、耐碱腐蚀,寿命较短,难以长时间运行。[2]
参见
参考资料
- 图文详情——科普中国资源服务 [引用日期2026-10-29]
- [科普中国]-电流体发电机 [引用日期2026-10-29]
- 欢迎使用 GRID2008 数据库平台 [引用日期2026-10-29]
- [科普中国]-法拉第发电机 - 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们 [引用日期2026-10-29]
- ここに、Hs：吸出し高さ(m) [引用日期2026-10-29]
- 年月日，法拉第展示了人类历史进第一台发电机一法拉第-高途 [引用日期2026-10-29]
- ssd [引用日期2026-10-29]
- [科普中国]-发电机 - 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们 [引用日期2026-10-29]
- [科普中国]-直流发电机 - 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们 [引用日期2026-10-29]
- historyofelectri00schr_djvu [引用日期2026-10-29]
- 品牌故事：西门子的直流基因 [引用日期2026-10-29]
- | | 欠激 | [引用日期2026-10-29]
- 利用油气水分离器分离出的流体综合发电的方法和装置 - 发电机分为直流发电机和交流发电机两大类 [引用日期2026-10-29]
- ac.za 上的文件 [引用日期2026-10-29]