【2017年整理】发电机的发电效率问题

【2017年整理】发电机的发电效率问题 发电机的发电效率问题 关键词: 发电机 发电 效率 问题 所有交流发电机的工作都基于同一个基本原理，亦即当一磁场对一导线进行“切割”时所发生的现象，反之亦然。如果移动导线或磁场，在导线上就会产生一个感应电流;而变动一下，将导线通入电流，那在导线四周也会建立起一个磁场。至于能产生多大的电流则取决于以下几点。 首先是磁场的强度问题。技术人员采用了一个叫做磁通的术语来描述脑海里所想象的磁场模样。磁力线从一个磁极出来，又绕了一个弯从另一个磁极进去，就像天气图上表示风力强弱的等压线一样，磁场越强，磁力线就越多越密集。当导线经过一强磁场，众多的磁力线“切割”导线，从而产生感应电势。 既然可以用多条磁力线“切割”导线，那同样也可用多根导线同时来经过磁场，将导线制成多匣线圈就会增大感应电势及总电流。一个典型的交流发电机的定子绕组，有3个线圈互成120?间隔开来。当转子旋转时，由转子产生的磁场“切割”线圈，便会产生3个脉冲电压，时间上相互间隔120?相位。若要获得波动小的电流，最好转子每转一圈能产生更多的脉冲电压，因为这表示电压的平均值更高。 另外一个增大交流发电机输出的途径便是增加磁体数量。一个典型的Lundell爪极式转子，正中是一个线圈，两旁各有6或7个磁极。爪极上的指齿啮合在一起，这样彼此相隔的每个爪形磁极便与线圈的不同端相连。当电流通过线圈，就会产生一个由爪极导引着环绕线圈的磁场。如果绕着转子数一数，就会发现共有12或14对南北磁极，而每一个磁极均代表着又一个磁体，所产生的磁通将对定子绕组进行“切割”。 时间因素也是很重要的。进行“切割”的时候，磁力线或导线运动得越快，输出的电势就越高。因此应认真选取交流发电机和谐波平衡器的滑轮尺寸，使交流发电机以两至三倍于发动机转速的速度旋转，这样做可以确保在发动机空转时交流发电机也能保持不错的性能。 正如先前提到的，当电流通过一根导线时会产生一个磁场，而磁场的强度与电流的大小成比例。通过检测电池电压及调节通过转子的电流大小，电压调节器就可以控制交流发电机的输出。故增减转子上的电流都会改变到电磁体与定子线圈互相作用的强弱关系，而Lundell爪极式转子的一大优势就是只要一截断通往磁场或转子线圈的电流，输出(电压)便会归零。 事实上，交流发电机受到一些性能上的限制，因许多实际因素，交流发电机的最大输出 被限制在200A电流或3000W功率左右。虽然这看起来电流似乎很大，但只要你瞧瞧今天的汽车，就会明白确实需要更大的电流，尤其在空转的时候。 前面曾说过，磁极运转越快，产生的感应电流就越大。与此相反的一面，发动机空转或汽车低速行驶时，发电机的输出最低。不巧的是，这时恰恰可能对电流有最大需求。举个例子来:不妨假想你在一个雪夜里准备将一辆现代化的汽车停放。这时发动机在空转工况附近工作，灯光、空气压缩机及后背防雾器都打开了，风挡雨刷也在工作，但仍需要有更多的动力来供给电子动力转向系统。由于发电机输出的所有可用功率都被占用着，剩下唯一能为动力转向系统提供动力的来源就只有蓄电池本身了。而当驾驶员将发动机熄火时，蓄电池就会被欠压充电，这却是不希望发生的，因为蓄电池长期充电不足，工作寿命会缩短。 现在的交流发电机设计都存在着效率不很高的问题，一个典型Lundell爪极式转子发电机效率只有大约50%。这意味着要用大约6000W的功率来驱动交流发电机，而输出只有200A电流(3000W的功率)。糟糕的是，损耗的功率就会转化成热量积聚在发电机里，加上发动机舱温度原本就很高，所以一定要将热量散发掉。 那么，怎样使交流发电机效率更高、输出功率更大、产生热量更少呢?另外尤为重要的是在发电机转速相对较低时，输出越大越好。下面便是关于交流发电机的制造商们怎样做到这一点的。 第一步就是探寻出效率低的原因。只要看一看爪极式转子你就会知道并不值如此大费周折，一根轴、一对爪形磁极、线圈组加上集电环就足以构成整个转子了。问题是这种设计存在漏磁现象，并非所有的磁通都用来“切割”线圈以获得最大的电流输出，其中一些漏了出来，做了无用功。 一个解决的办法就是采用Hybrid转子。一般的转子爪极间空无一物，而Hybrid转子在爪极间装了一个永久磁铁。磁通从磁铁出来进入瓜极，通过转子心轴及磁铁另一面的爪极回到磁铁。永久磁体填充了爪极间隙后，转子绕组产生的磁通就不会泄漏走了。这就迫使更多的磁通从转子进入定子绕组，从而提高了交流发电机的输出效率。 这种可以将原来的效率在50%的基础上提高20%。这样交流发电机总效率为60%时，只需用5000W的功率，大约为4474W就可以产生与原来同样大的输出，附带的一个好处是必须散发掉的热量还不到1000W。 发电机改进的第二步必然是在发电机四周装上水套，并与发动机冷却系统相连。这样做很有益处。由于真正起冷却作用的是水套，所以不必硬是要将交流发电机置于进入发动机舱 的冷空气流中。而且水套降低了发电机升温或冷却的速度，有利于提高发电机的耐用性。这是因为急剧的温度变化对膨胀与收缩速率不同的材料很不利，而采用水套则消除了这一顾虑。 水套自然还有其它的优点。例如:Visteon公司在它的资料里声称它的交流发电机可以将近1250W的损耗热量传送给冷却系统，而这股热量最终在车辆的解冻器和加热装置处消耗干净，被用来帮助清洁风挡和加热乘员室。所以，冷却液和发动机能更快地升温变暖，催化变换器就可以更快地点火，这就大大减少了冷起动时的废气排放。 既然效率提高20%就有这么大的作用，那何不追求更高的效率昵?这正是Ecoair公司开发的新型交流发电机的关键技术所在。Ecoair公司所设计的这种发电机将在今年晚些时候投入生产，主要应用在急救车一类的车辆上，因为在急救车上，闪光灯、车用医疗设备等的工作需要大量电力。Ecoair的基本观念可应用于所有车辆，包括双动力型汽车，并且这种发电机理论上也适用于将于2003年面世的42V电子系统。 Ecoair公司的发电机，在其中的某个设计中，转子实际上由两个并排装在转子心轴上的独立部分组成，其中之一装上永久磁铁形成12个磁极，而磁铁及周围金属本身就有磁力，并不依赖转子电流;转子组件的另一半是一个绕组线圈，线圈与极靴之间存在一定的装配关系。 Ecoair交流发电机有三种独立的操作模式。低转速时，转子的永久磁铁部分引起定子中的电流，起动操作时，永久磁铁与绕组线圈都会产生最大磁通，而使发电机产生最大输出。因此电磁铁总带来一些问题，即必要时，你怎样切断电流或减少磁通来降低电力输出?为了解决这一问题，采用第三种模式来操作Ecoair交流发电机，这种模式被称为“补偿”(buck)式，下面便是它的工作原理。 当输出的电流超过了电子系统的需求时，首先使通过转子线圈部分的电流降低至零。若输出电流仍然过大，转子线圈电流的方向就会被转换。电流反向时，绕组线圈便产生与永久磁铁相反的磁性而相抵消。这样，通过控制极性和转子线圈部分的电流大小，就可能使交流发电机的输出降至零--同样的技术亦应用在一种自动防故障的安全电路中。 虽然转子采用了两部分的结构形式，且其内部设计错综复杂，但也带来一些意想不到的好处。对于起动电机，复式设计使之获得80%的高效率。这就是说只需3750W或略低于3730W的功率就可取得一个200安培(3000瓦)的输出电流。同时，由于驱动发电机的功率和热损耗都变小的缘故，在一定输出功率下，发电机的外形尺寸可以做得更小，重量可以更轻等等。另外，在传统的交流发电机中，其直径尺寸必须与前后距离相近，而Ecoair的混合 式交流发电机可以同老式发电机一样有一个较长的形体。因为考虑到辅助驱动带形成的径向可用空间有限，不可能总是无限地扩大交流发电机的直径尺寸，所以增加其有效长度倒不失为一个增大输出的好办法，还有利于增大驱动带扭矩及发动机容量。 而这种交流发电机的诱人之处还在于它的燃油经济性，尤其在空转或低速运作时。博世公司由一种经验方法得出交流发电机效率每提高5%，燃油经济性就会提高大约1%。而戴姆勒?克莱斯勒公司做的对比试验表明，Ecoair的交流发电机与传动系的变速箱共同工作在空转工况时，当输入不变而输出功率增加13.4%时，燃油的经济性能提高5.8%。 交流发电机和充电系统在任何设计问题中的重要性都是不可低估的。若不是因为可用电力受到限制，像电力驱动的水泵、发动机油泵、动力转向装置及刹车等具有省油特征的部件，现在就会出现了。不过，或许只需一个高效率、大功率、输出为42V电压的交流发电机，就正好搭成一座通往彼岸的坚实桥梁。 (2009—2012)试题阿伏伽德罗常数汇编练习版 1((09年福建理综?8)设N为阿伏伽德罗常数，下列叙述正确的是 A A(24g镁的原子量最外层电子数为N A -1，B(1L0.1mol?L乙酸溶液中H数为0.1N A 1mol甲烷分子所含质子数为10N C(A D(状况下，22.4L乙醇的分子数为N A 2((09年广东化学?6)设N代表阿伏加德罗常数(N)的数值，下列说法正确的是 A A A(1 mol 硫酸钾中阴离子所带电荷数为N A B(乙烯和环丙烷(CH)组成的28g混合气体中含有3N个氢原子 36 A C(标准状况下，22.4L氯气与足量氢氧化钠溶液反应转移的电子数为N A 3+D(将0.1mol氯化铁溶于1L水中，所得溶液含有0.1NFe A 3((09年广东理基?20)设N代表阿伏加德罗常数(N)的数值，下列说法正确的是 AA A(22(4 L Cl中含有N个C1分子 2A2 -1+ B(1 L 0(1 mol?L NaSO溶液中有0(1 N个Na24A C(1 mol H与1 mol C1反应生成N个HCl分子 22A 2+D(1 mol Ca变成Ca时失去的电子数为2N A 4((09年海南化学?8)下列叙述正确的是(用N代表阿伏加德罗常数的值) A A(2.4g金属镁变为镁离子时失去的电子数为0.1N A B(1molHCl气体中的粒子数与0.5 mo1/L盐酸中溶质粒子数相等 C(在标准状况下，22.4LCH与18gHO所含有的电子数均为10 N 42A D(CO和N为等电子体，22.4L的CO气体与lmol N所含的电子数相等 225((09年江苏化学?4)用N表示阿伏加德罗常数的值。下列叙述正确的是 A ,A(25?时，pH=13的1.0L Ba(OH)溶液中含有的OH数目为0.2N2A B(标准状况下，2.24L Cl与过量稀NaOH溶液反应，转移的电子总数为0.2N 2A C(室温下，21.0g乙烯和丁烯的混合气体中含有的碳原子数目为1.5NA D(标准状况下，22.4L 甲醇中含有的氧原子数为1.0N A6((09年上海化学?12)N代表阿伏加德罗常数。下列有关叙述正确的是 A A(标准状况下，2.24LHO含有的分子数等于0.1N 2A ,1B(常温下，100mL 1mol?LNaCO溶液中阴离子总数大于0.1N 23A C(分子数为N的CO、CH混合气体体积约为22.4L，质量为28g A24 D(3.4gNH中含N—H键数目为0.2N3A 7((09年浙江理综?8)用N表示阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是 A A(标准状况下，5.6 L NO和5.6 L O混合后的分子总数为0.5 N 2A B(1 mol乙烷分子含有8 N个共价键 A C(58.5 g氯化钠固体中含有N个氯化钠分子 A D(在1 L 0.1 mol/L碳酸钠溶液中阴离总数大于0.1 NA 8. (2010广东理综卷)设 为阿伏加德罗常数的数值，下列说法正确的是 nA A.16g 中含有4个C-H键 CHn4A ，,1NaClB.1mol?溶液含有个 NaLnA C.1mol Cu和足量稀硝酸反应产生 个NO分子 nA D.常温常压下，22.4L 中含有 个分子 COCOn2A29.(2010福建卷)表示阿伏伽德罗常数，下列判断正确的是 NA 18A(在18中含有个氧原子 NgOA2 B(标准状况下，22(4L空气含有个单质分子 NA C(1 molCl参加反应转移电子数一定为2 N2A ，，,1D(含NaNamolL 个的溶解于1L水中，的物质的量浓度为 NNaOA2 10.(2010上海卷)N表示阿伏加德罗常数，下列叙述正确的是 A A(等物质的量的N和CO所含分子数均为N 2A B(1.7g HO中含有的电子数为0.9 N 22A C(1mol NaO 固体中含离子总数为4 N 22A D(标准状况下，2.24L戊烷所含分子数为0.1 N A11.(2010江苏卷)设N为阿伏加德罗常数的值，下列叙述正确的是 A ,11L0.1mol LNHNONA(常温下，的溶液中氮原子数为0.2 43A NB(1mol羟基中电子数为10 A INC(在反应中，每生成3mol转移的电子数为6 A2 CH—ND(常温常压下，22.4L乙烯中键数为4 A N12.(2010四川理综卷)表示阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是 A NA.标准状况下，22.4L二氯甲烷的分子数约为个 A NSOSOB.盛有的密闭容器中含有个氧原子，则的物质的量为0.5mol A22 4NC.17.6g丙烷中所含的极性共价键为个 A 2ND.电解精炼铜时，若阴极得到电子数为个，则阳极质量减少64g A 13.(2011广东高考9)设n为阿伏伽德罗常数的数值，下列说法正确的是 A A.常温下，23g NO含有n个氧原子 2A -1―B(1L0.1mol•L的氨水含有0.1n个OH A C(常温常压下，22.4LCCl含有个n个CCl分子 4A4 2+ D(1molFe与足量的HO溶液反应，转移2n个电子 22A 14.(2011新课标全国)下列叙述正确的是 23A.1.00mol NaCl中含有6.02×10个NaCl分子 +23 B. 1.00mol NaCl中,所有Na的最外层电子总数为8×6.02×10 -1C.欲配置1.00L ,1.00mol.L的NaCl溶液，可将58.5g NaCl溶于1.00L水中 D.电解58.5g 熔融的NaCl，能产生22.4L氯气(标准状况)、23.0g金属钠 15.(2011海南)设N是阿伏加德罗常数的数值，下列说法正确的是 A 3+A.1molAl离子含有的核外电子数为3NA B.1molCl与足量的铁反应，转移的电子数为3N 来2A[ +C.10LpH=1的硫酸溶液中含有的H离子数为2NA -D.10LpH=13的NaOH溶液中含有的OH离子数为NA 16( (2011全国II卷12)N为阿伏伽德罗常数，下列叙述错误的是 A A(18gHO中含的质子数为10N 2A B(12g金刚石含有的共价键数为4N A C(46gNO和NO混合气体中含有原子总数为3N 224A D(1 mol Na与足量O反应，生成NaO和NaO的混合物，钠失去N个电子 2222A17.(2011江苏高考8)设N为阿伏伽德罗常数的值。下列叙述正确的是 A A.1mol甲醇中含有C—H键的数目为4N A ,B.25?,pH,13的NaOH溶液中含有OH的数目为0.1N A C.标准状况下，2.24L已烷含有分子的数目为0.1N A D.常温常压下，NaO与足量HO反应,共生成0.2molO,转移电子的数目为0.4N 2222A18(2012?广东)(设N为阿伏加德罗常数的数值，下列说法正确的是 A A(常温下，4g CH含N个C—H共价键 4A B(1 mol Fe与足量稀HNO反应，转移个2N个电子 3A —C(1L 0.1 mol/L NaHCO溶液中含有0.1N个HCO 3A3 D(常温常压下，22.4L的NO和CO混合气体含有2N个O原子 22A19(2012?四川)设N为阿伏加德罗常数的值，下列叙述正确的是 A A(标准状况下，33.6L氟化氢中含有氟原子的数目为1.5NA B(常温常压下，7.0g乙烯与丙烯的混合物中含有氢原子的数目为NA C(50mL 18.4mol/L浓硫酸与足量铜微热反应，生成SO分子数目为0.46N2A D(某密闭容器盛有0.1molN和0.3molH，在一定条件下充分反应，转移电子的数目22 为0.6NA 20(2012?四川)向27.2gCu和CuO的混合物中加入某浓度的稀硝酸0.5L，固体完全反应，2 生成NO和Cu(NO)，在所得溶液中加入1.0mol/L的NaOH溶液1.0L，此时溶液呈中性。32 金属离子已完全沉淀，沉淀质量为39.2g。下列有关说法不正确的是 A(Cu与CuO的物质的量之比为2?1 2 B(硝酸的物质的量浓度为2.6mol/L C(产生的NO在标准状况下的体积为4.48L D(Cu、CuO与硝酸反应后剩余HNO为0.2mol 23 21(2012?海南)(N为阿伏加德罗常数的数值，下列说法中正确的是 A A(在密闭容器中加入l.5mol H和0.5molN，充分反应后可得NH为N 223A B(一定条件下，2.3g的Na完全与O反应生成3.6g产物时失去的电子数为0.1N 2A -12-C(1.0L的0.1 mol?LNaS溶液中含有的S离子数为0.1N 2A D(标准状况下，22.4L的CCl中含有的CCl分子数为N 44A 22(2012?全国新课标卷)NA表示阿伏加德罗常数的值，下列叙述中不正确的是 A.分子总数为NA的NO和CO的混合气体中含有的氧原子数为2NA 22 B.28g乙烯和环丁烷(CH)的混合气体中含有的碳原子数为2NA 48 C.常温常压下，92g的NO和NO混合气体含有的原子数为6NA 224 D.常温常压下，22.4L氯气与足量镁粉充分反应，转移的电子数为2NA 23(2012?江苏)设N 表示阿伏加德罗常数的值。下列说法正确的是 A A( 标准状况下，0. 1 mol Cl 溶于水，转移的电子数目为0. 1N 2A B( 常温常压下，18 g HO 中含有的原子总数为3N 2A C( 标准状况下，11. 2 L CHCHOH 中含有的分子数目为0. 5N 32A D( 常温常压下，2. 24 L CO 和CO 混合气体中含有的碳原子数目为0. 1N 2A24(2012?上海)(工业上将氨气和空气的混合气体通过铂,铑合金网发生氮氧化反应，若有标准状况下yL氨气完全反应，并转移n个电子，则阿伏加德罗常数N可表示为 A 11.2n5V22.4n22.4VA( B( C( D( 5V11.2n5n5V