发电机发出交流电的电磁原理解析与应用

在本章前面几节已经介绍了一些电磁理论，根据这些理论能够解释在交流发电机中如何基于电磁作用建立电压。本节讲述发电机如何发出交流电。AC为“交 流（Alternating Cur-rent）”的简称，这个词是从描述半个周期为正、半个周期为负的交替电压而来的。图6-1中描述了交流正弦波的特点，无论是电压和电流都有正弦波特性。发电机产生机端电压，当与电网或负荷相连构成回路时便有电流产生。电压和电流的组合形成电功率，发电机功率的计算方法是电压乘以电流。

图6-19 风力发电机示意图

交流发电机产生在正负之间交替变换的交流正弦波。发电机这一术语是指电机通过转轴旋转切割磁场发电，而交流发电机则意味着发出的是交流电。

简单的交流发电机有两个基本部分：转子，主要指一套安装到转轴上的旋转绕组；定子，主要指一套流经电流时会产生磁场的静止绕组。外加电压连接到定子绕组两端且有电流流过时，定子就能够建立起强大的电磁场。(www.xing528.com)

转子绕组安装在交流发电机的转轴上，转轴由如风力机叶片等一些动力源驱动。当旋转绕组通过由定子电流建立的磁场时，绕组中就会感应出电流。随着转轴的旋转，转子绕组首先经过正向磁场，然后再经过负向磁场，最终完成360°的旋转，在此过程中产生完整的360°正弦电压波形。在美国，发电机的转速保持在一个恒定的速率，以使得发电机每秒产生60个完整的正弦波，即输出交流电的频率为60Hz。

由于转轴不断转动，一般用导电的电刷实现交流发电机固定部分和转子集电环之间的电接触。电刷采用一种弹簧机制，确保有足够的弹簧张力使电刷与发电机的转子紧密接触。这样就可以把发电机转子的电能转移到定子。电刷与发电机外部静止的结构框架是绝缘的，并且电刷可以与负荷相连。还有一点比较重要，外加的励磁电压可以调整，以改变交流发电机输出电压的大小。

将励磁电压施加到发电机是为了得到电枢电压输出，励磁电压数值太小而不能作为发电机的输出电压。交流发电机是一个非常好的能量转换器，仅需要一个较小的电压就可以产生出足够大的电流来建立所需要的磁场，最终交流发电机发出的电压可能达几百伏。例如风力发电机叶片捕获大量风能后带动交流发电机转轴旋转，发电机就可以发出数百倍于励磁电压的电压。交流发电机发出的实际功率接近于风轮传输给转轴的机械功率。