微型水电站电气设备。方案、说明

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水力发电机

水轮发电机是由水轮机驱动的电流发电机。通常，水轮发电机是同步发电机（图31），其转子连接到水轮机（直接或通过传动机构）。

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图 31。同步发电机

也允许在发电机模式下使用普通异步电动机，即来自水轮机的该电动机的旋转也将产生电流，但处于异步模式（图32）。然而，它们的使用受到以下事实的限制：它们是有功功率的产生者和无功功率的消耗者。因此，异步发电机只能在有无功功率源的系统中运行。无功功率来自与负载并联的电容器，或者为了提高异步发电机的运行性能，与负载串联安装额外的电容器。但该选项的效率低于使用同步发电机。

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图 32。异步电动机

水轮发电机的设计主要取决于其转子轴线的位置、转速以及涡轮机的类型和功率。大功率低速水轮发电机通常采用垂直旋转轴制造，而带有斗式水轮机的高速发电机则采用水平旋转轴制造。

微型水力发电站水轮发电机的转速为600至1500转/分钟。根据速度特性选择发电机取决于所用涡轮机的类型。此外，还有水轮发电机的设计和运行特点。低速发电机更耐用、更可靠，但体积更大、更昂贵。

发电机的工作原理

任何发电机的工作原理都是基于电磁感应现象。发动机的机械能（旋转能）转化为电能的过程如下图所示：

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如果框架在均匀磁场中均匀旋转，则其中会产生交变电动势，其频率等于框架旋转的频率。无论我们在磁场中旋转框架，还是框架周围的磁场，还是框架内部的磁场，结果都是一样的——电动势根据调和定律变化。

同步和异步发电机的显着特点

同步发电机是以发电机模式运行的同步电机，其中定子磁场旋转频率等于转子旋转频率。转子由绕组组成。当电压施加到具有磁极的绕组时，就会出现磁场，从而产生旋转磁场。该磁场穿过定子绕组，在其中产生电动势。

根据绕组类型，转子可以是鼠笼式或相式。辅助定子绕组产生的旋转磁场在转子上感应出磁场，该磁场随转子旋转而在工作定子绕组中产生电动势。

发电机启动时，转子会产生微弱的磁场，但随着速度的增加，励磁绕组中的电动势也会增加。该绕组的电压通过自动调节单元 (AVR) 提供给转子，通过改变磁场来控制输出电压。例如，连接的感性负载会使发电机消磁并降低电压，而当连接容性负载时，发电机会偏置且电压升高。这称为“锚定反应”。为了保证输出电压的稳定性，需要通过调节转子绕组中的电流（对于同步发电机）来改变转子的磁场，该电流由AVR单元（稳压器）提供。通过这种调节方法，无论水电站负载电流和水轮机转速如何变化，发电机输出电压都保持高度稳定性。

同步发电机的优点是输出电压稳定性高，但缺点是可能出现电流过载，因为如果负载过高，调节器会过度增加转子绕组中的电流。同步发电机的另一个缺点是存在电刷组件，该电刷组件迟早需要维修，然而，目前该缺点实际上已被消除。由于现代同步发电机大多是无刷的，因此它们的转子没有换向器电刷组件，并且由于主定子绕组和/或附加定子绕组产生的交变磁场而感应励磁绕组（转子中）中的电流。

异步发电机是一种以制动模式运行的异步电机，其转子向前旋转，但与定子磁场的方向相同。

在异步发电机中，转子采用永磁体或电磁体的形式制成。转子极数可以是二、四等，但始终是二的倍数。在这种情况下，发电机的转速越低，发电机的极数应该越多。

旋转磁场始终保持不变且不可调节，因此发电机输出处的电压和频率取决于转子速度，从而取决于水轮机的旋转稳定性。

尽管易于维护、对短路敏感度低且成本低，但异步发电机很少使用，因为它们有许多缺点：在极端负载下运行不可靠；输出电压和电流频率对水轮机稳定运行的依赖性等。

作者：Kartanbaev B.A.、Zhumadilov K.A.、Zazulsky A.A.

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