異步發(fā)電機介紹及應用

1、目錄1 緒論21.1 引言21.2 異步發(fā)電機在水力發(fā)電中發(fā)展應用41.3 本課題的提出及意義52小型異步發(fā)電機研究72.1 異步發(fā)電機基本原理72.2 自勵異步發(fā)電機的工作原理72.3 異步機發(fā)電的工作運行原理92.4 異步發(fā)電機設計研究112.5 利用三相異步電動機改制異步發(fā)電機122.5.1 電容器的選擇與計算122.5.2 接線方法（如圖）162.5.3 使用注意事項172.6 小型異步發(fā)電機典型應用182.6.1 高精度校表電源182.6.2 把直流發(fā)電機的能量回饋到電網202.7 異步發(fā)電機配套用電力電容器數據223 水輪異步發(fā)電機的研究243.1 三相異步發(fā)電機結構原理研究243

2、.1.1三相電容式異步發(fā)電機的結構253.1.2 三步發(fā)電機的發(fā)電原理253.1.3 三相異步發(fā)電機電容器的選擇293.2 異步發(fā)電機的特性323.2.1 運行特性323.2.2異步發(fā)電機功率因數的改善和自勵現(xiàn)象353.2.3異步發(fā)電機電磁設計特點383.3 過渡過程403.3.1 并網時的沖擊電流403.3.2 三相短路電流413.4 異步發(fā)電機結構413.4.1 臥式異步發(fā)電機423.4.2. 立式異步發(fā)電機434 異步發(fā)電機與同步發(fā)電機的比較454.1異步發(fā)電機主要的優(yōu)缺點454.2 異步發(fā)電機與同步發(fā)電機在電站中應用的經濟性比較464.3 異步發(fā)電機水力發(fā)電應用實例475 結束語50致

3、謝51參考文獻521 緒論1.1 引言在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，同步電動機一統(tǒng)天下。但是，在一些小型或微型水電站中，在偏遠地區(qū)的獨立移動電站和風力發(fā)電站中，異步發(fā)電機（又名感應發(fā)電機）也得到了普遍應用，特別是在獨立移動電站中，實心轉子三相異步發(fā)電機具有明顯的優(yōu)越性。一臺異步電動機，只要用原動機將其轉子拖動到高于旋轉磁場的轉速，就可以作為發(fā)電機運行。其運行方式有并網運行和單機運行兩種。異步發(fā)電機一般都采用三相電機，但是，在采用單相電網供電的山區(qū)農村，單相異步發(fā)電機也得到了應用。由于在副繞組中串接有電容器，單相異步發(fā)電機與同容量的三相同步發(fā)電機相比，其效率和功率因數都比較高，用銅量也少。因單相電源無相序制

4、約，并網運行時操作特別簡單。由于一般三相異步發(fā)電機運行中要吸收約3O額定功率的無功功率，造成電網功率因數下降。為了解決這一問題，人們借鑒Wan lass的設計思想，研制出了三相電容式異步發(fā)電機。由于在副繞組中串接有電容器，功率因數很高，而且可以通過設計適當的主、副繞組匝比及選用合適的電容，達到消除諧波、降低損耗和提高效率的目的。為了進一步提高異步電機的可控性，適應實際工況中負載和轉速的動態(tài)變化，人們研制出了帶定子勵磁補償繞組的雙繞組異步發(fā)電機，使用電力電子變流器來對發(fā)電機進行控制。按轉子結構的不同，異步發(fā)電機可分為鼠籠轉子異步發(fā)電機和實心轉子異步發(fā)電機。按勵磁方式可分為電容自勵異步發(fā)電機和并網

5、運行異步發(fā)電機。利用煤炭、石油等常規(guī)資源發(fā)電的大電廠中,同步電機無疑優(yōu)于異步電機。然而,近幾年來,在許多國家,異步發(fā)電機的發(fā)電量卻迅猛增長。因為在利用分散的變化無常的各種風力、水力發(fā)電時,異步電機在很多方面超過同步電機。例如,美國在西部地區(qū)中小型風力、水力電站星羅棋布,其中大部分都是用異步發(fā)電機。俄羅斯在1994 年建成的6.3kV、1MW的風力電站中也是采用的異步發(fā)電機。它允許風速變化范圍為526m/s,最高效率達90.5%。 我國風力、水力資源豐富,在大電網難以覆蓋到的偏遠地區(qū)和廣大農村,利用風力、水力為能源,首選異步電機發(fā)電的理由是:(1) 異步電機比同步電機構造簡單、價格便宜、經久耐用

6、、維修方便。(2) 異步發(fā)電機對原動機的要求低,既可恒速,也可變速運行,根本沒有同步要求。因此,它適應于風力、水力作動力。(3) 異步發(fā)電機不需要同步發(fā)電機那樣的復雜的勵磁系統(tǒng),連自動調整系統(tǒng)有時也可以省去。(4) 異步發(fā)電機在起動、運行、保護、并網等諸方面都比同步發(fā)電機簡單、方便,而且便于遙控。這在技術人員缺乏的邊遠地區(qū)和廣大農村尤顯重要。(5) 近年來,發(fā)電專用的各種風車、水車及變速渦輪機不斷推陳出新,效率不斷提高,而價格卻在下落。與此同時,新型電力電容不斷推向市場。這些,都為發(fā)展異步電機發(fā)電創(chuàng)造了有利條件。當然，可再生能源也有著很多的制約因素，主要表現(xiàn)在：(1) 通常情況下，可再生能源轉

7、化為電能的成本高于常規(guī)能源。(2) 現(xiàn)行的工商業(yè)體系有利于使用常規(guī)能源。顯然，這些制約因素會隨著科技進步和國家的政策改革而得到改善。在我國的能源構成中，雖然煤的儲量最多，足夠我們開采數百年，但由于環(huán)境問題，交通運輸問題，到2050年，煤電開發(fā)將達到極限，而可再生能源將成為重要的組成部分，且是最具潛力的。其中風能是一種很好的可再生能源，近年來對它的研究引起了廣泛的興趣。其對環(huán)境的正面影響為：1.減少向大氣排放粉塵、CO2、NOr、SOr。2.減少因開發(fā)一次能源如煤、石油、天然氣所造成的環(huán)境問題。3.沒有水電所存在的如淤積、生物、移民、水質等問題。既然風能等可再生能源有著如此多的優(yōu)點，那么他們的開

8、發(fā)利用狀況又如何呢？ 除了最原始的機械能利用外，大多數情況下，可再生能源用于發(fā)電。但由于這些資源的特殊性，其發(fā)電技術也有較大的差異。如風能，它的強度通常是不定的，只有統(tǒng)計規(guī)律，要想更好地獲取它，最好使用變速發(fā)電。這就對發(fā)電設備提出了更高的要求。根據風能的特點，目前廣泛使用異步發(fā)電機。1.2 異步發(fā)電機在水力發(fā)電中發(fā)展應用異步發(fā)電機原理于1901年由法國人M.Mauyice Loblance 首次提出，然而當時與同步發(fā)電機相比其應用是極為有限的。1917年在美國太平洋海岸由太平洋電力公司裝設了一臺1750KW的異步發(fā)電機；1919年又安裝了一臺425KW和一臺1000KW的異步發(fā)電機。在美國東海

9、岸交通局裝設了五臺7500KW25周波余熱透平驅動的異步發(fā)電機。到20世紀50年代前后異步發(fā)電機在水電、熱電站的輔機發(fā)電、自備電站等場合都有應用，同時在歐洲也建設了一批異步發(fā)電站。美國Scotlendl北方水電局建設了由一臺異步發(fā)電機裝備的水電站，當電網負荷高峰時，該電站運行于發(fā)電狀態(tài)，在電壓11KW、50周波電機303r/min時發(fā)出5000KW額定功率，當電網負荷低谷時，電機作電動機運行產生6500P（約4875KW）軸功率驅動水泵將水從低水位提升到高水位。該電站是最早的異步電機裝備的抽水蓄能電站。20世紀50年以后，隨著電力系統(tǒng)容量的擴大，用于水電站的異步發(fā)電機逐漸向大功率方向發(fā)展，幾千

10、KW的機組已經得到了廣泛的應用。例如，在新西蘭已有50%以上的水電站安裝了異步發(fā)電機，并認為經濟上合理的容量范圍是7560000KW；在英國，僅英格蘭北部電力系統(tǒng)就安裝了29臺容量為;305000KW的異步發(fā)電機；日本從1959年開始研究異步發(fā)電機，目前已有容量范圍：50HZ的5005000KW及60HZ的6006000KW加拿大、前蘇聯(lián)等國家也大量研究和使用了異步發(fā)電機。世界范圍內已有上百家電機制造廠商同時提供同步發(fā)電機和異步發(fā)電機供用戶選擇。隨著電力系統(tǒng)輸電電壓的提高，線路的增長，當線路的傳輸功率低于自然功率時，線路和電站將出現(xiàn)持續(xù)的工頻過電壓。為改善系統(tǒng)的運行特性，不少技術先進的國家，在

11、20世紀80年代初開始研究異步發(fā)電機在大電力系統(tǒng)中的應用問題，并認為大系統(tǒng)采用異步發(fā)電機后，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和運行的經濟性。近20多年來，國外由于經濟上可開發(fā)的大中型水利資源日益枯竭，致使開發(fā)中小型水利資源利用現(xiàn)有大壩（泄流、溢流、輸水）裝機發(fā)電越來越受到重視。另一方面，由于能源價格上漲，利用工業(yè)用水農業(yè)用水工廠冷卻水剩余壓力等發(fā)電的種種節(jié)能措施也日益受到關注。伴隨中小型水利資源的開發(fā)，水力發(fā)電機用異步發(fā)電機 得到了較廣泛的應用，有的公司已形成體系。我國中小型水力資源豐富，中小型水電站的開發(fā)遍地開花，發(fā)展異步發(fā)電機具有十分誘人的前景。東方電機股份有限公司與重慶大學合作研制成目前國內最

12、大的2500KW，1600r/min，6300V異步水輪發(fā)電機，并已順利投運，為我國異步發(fā)電機的發(fā)展積累了經驗。1.3 本課題的提出及意義在農村或某些場合，經常停電。在急需用電而又沒有發(fā)電機時，可以利用農村常用的鼠籠式異步電動機加接適當容量的電容，改裝成異步發(fā)電機，解決燃眉之急。此種異步發(fā)電機具有結構簡單、一機多用、成本低，改裝、維修方便等優(yōu)點，具有實用價值。在解決能源危機和環(huán)境保護雙重任務的背景之下，可再生潔凈能源的開發(fā)和利用引起世界各國的關注。特別是風能和小水電的開發(fā)和利用這幾年更是掀起了很大的熱潮。本課題為“異步發(fā)電機的研究”，將涉及單相和三相異步機的原理及應用，這對異步發(fā)電機的理論的豐

13、富及實際應用方面具有一定的現(xiàn)實意義。2 小型異步發(fā)電機研究2.1 異步發(fā)電機基本原理眾所周知，電機運行是可逆的，異步電機既可作電動機運行，又可作發(fā)電機運行。一臺鼠籠異步電機，當定子外加電壓作電動機運行時，轉速總是低于氣息旋轉磁場的轉速，即n，這時電機中產生的電磁轉矩與轉向相同。若電機空載運行，并外加一個驅動轉矩使轉速等于同步轉速（即=）時，由于旋轉磁場與轉子間沒有相對運動，電機的電磁功率為零，定子電流純粹為激磁電流，定子從電網吸收的功率用于克服定子銅耗和鐵耗，轉子上的驅動功率則用于克服風耗和軸承損耗。若繼續(xù)增大驅動轉矩，轉子的轉速將高于同步轉速（），此時轉子導體切割旋轉磁場的方向就與時相反，因

14、而轉子感應電勢的方向就與時相反，轉子電流的有功分量隨之反向。在電網電壓不變的情況下，為了維護氣隙主磁通的數值，轉子電流有功量的反向。于是，電機由電動機過渡到發(fā)電機狀態(tài)。2.2 自勵異步發(fā)電機的工作原理用水輪機、柴油機或風力機等原動機拖動異步電動機，使其轉子轉速高于旋轉磁場的同步轉速即使轉差率sO，就變成異步發(fā)電機運行了。這種單機運行的異步發(fā)電機稱為自勵異步發(fā)電機。自勵異步發(fā)電機必須在定子繞組的端點上并接適當的電容器，利用電容來供給異步發(fā)電機的勵磁電流，從而使異步發(fā)電機建立起電壓，并在氣隙中產生旋轉磁場，如圖2-1所示。圖2-1 自勵異步發(fā)電機的基本電路只要異步發(fā)電機的轉子有剩磁存在，當原動機帶

15、動轉子旋轉后，轉子的剩磁磁通就會切割定子繞組，并在定子繞組中感應出剩磁電勢，如圖2-2 b所示。的相位落后于 90。電勢加在電容器上，使定子繞組中流過超前90的電容電流 ，通過定子繞組產生的磁勢和剩磁磁通方向相同，使電機中的磁通增大。由圖2-2 a可見，這時定子磁勢增大到，電勢又使電容電流增加到，再使定子電勢增大到，如此反復勵磁，直到發(fā)電機的端電壓上升到空載穩(wěn)定值。這時電容電流也增加到穩(wěn)定值，即發(fā)電機的工作點就在電機空載特性曲線1和電容線2的交點上。穩(wěn)態(tài)電壓的大小取決于電容值的大小以及發(fā)電機的空載轉速。如果電容器的電容量增大，也就是容抗X。=1()減小，則電容線的斜率就變小，如圖2-2 a)中

16、曲線3所示。因此穩(wěn)態(tài)電壓就增大。假如原動機帶動轉子的轉速增加，圖2-2 a)中曲線1就會上移，也會使穩(wěn)態(tài)電壓值升高，同時，發(fā)電機的輸出電壓頻率將隨之增大。如果電容量低于一定值，則電容線將不參與磁化曲線相交，電壓也就無法建立。這一點是與普通發(fā)電機不一樣的，它只能在一定電壓范圍內使用，低于某一電壓值就不能使用。 曲線1異步發(fā)電機的空載特性曲線 曲線2電容為時的端電壓與電容電流的關系曲線 也稱為電容線曲線3電容為且時的端電壓與電容電流的關系曲線圖2-2 a)自勵建壓過程 b)相量圖2.3 異步機發(fā)電的工作運行原理異步機發(fā)電有兩種運行方式,一是并網運行,二是獨立運行,各有其特點:(1) 并網運行異步發(fā)

17、電機也可以并網運行，接人電網的手續(xù)極為簡單，只要將轉子拖到盡可能接近同步轉速，并且轉向和定子磁場旋轉方向一致即可并入電網。也就是先把旋轉的異步電機的定子繞組并聯(lián)在電網上，然后再把轉速n 調到異步機的同步轉速以上，便可向電網輸出電壓、頻率與電網完全一致的電力。定子繞組的電勢和頻率取決于電網的電壓和頻率，并在異步發(fā)電機接入電網時自動的建立起來。必須特別注意，由于發(fā)電機從它所聯(lián)接的電網獲得勵磁，所以，異步發(fā)電機輸向電網的電流頻率和它自身的轉差率無關。并聯(lián)運行時帶負載能力強，電壓、頻率穩(wěn)定，因此在有電網的地區(qū)，應盡可能并網運行。然而,并網運行時，需從電網吸收滯后的無功功率以產生旋轉磁異步發(fā)電機并網運行

18、的優(yōu)點是接入電網時不需要整步，運行中不會發(fā)生振蕩，而這些卻是同步發(fā)電機經常遇到的困難。當發(fā)生短路時，除瞬時的短路電流外，不會有大的短路穩(wěn)定電流，因為此時異步發(fā)電機將失去勵磁。異步發(fā)電機的缺點是需要很大的勵磁電流，勵磁電流約為額定電流的25% ，而且勵磁電流滯后于電壓接近90，使電網上同步發(fā)電機的功率因數大大降低。增加轉速，就增加輸出給電網的電流、功率。由于需從電網吸收滯后的無功功率以產生旋轉磁場，這就惡化了電網的功率因數，使電網無功不足，影響了電壓的穩(wěn)定性。因此，必須給電網并聯(lián)適當的電容以補償無功。 (2) 獨立運行給定子繞組并聯(lián)足夠的電容，并且電機有剩磁，是異步發(fā)電機獨立運行的必要條件，能建

19、立空載電壓的最小電容量，稱為臨界電容，投入額定負載后，頻率和電壓都必會下降，為保持工頻，必須把轉速提高10 %左右。為保持額定電壓，必須增加比臨界電容高好幾倍的電容量。應增的電容量與負載大小及其功率因數等有關。實際工程可采用初步估算，實驗調整的方法。估算電容量的公式很多，這里僅介紹簡單實用的一種，即：面接每相電容量： （2-1） 式中：每相臨界電容量，=，單位:F。當負載功率因數 0. 4 時,估算C與C 的公式分別誤差為2%與8%。若電容器Y接,則電容量為 接的3倍,但耐壓僅為其。若電壓允許在6 %內變化,則可把電容器組分成兩三檔,采用人工操作切換或采用繼電- 接觸器切換。若要無級調壓(穩(wěn)壓

20、) ,則可采用飽和電抗器或晶閘管可控電抗器或其它自動調壓器。若電機已無剩磁,則應先充磁。充磁電流電機繞組額定電流。直流電源極性任意。若負載太重或負載功率因數太低,而使端電壓消失,可斷開負載,再重新投入減小后的負載,即可正常運行。三相負載要盡量平衡。停機時,應先斷開電容器,再切斷負載,最后關閉原動機。2.4 異步發(fā)電機設計研究從原理上來說，異步發(fā)電機和異步電動機僅僅是異步電機的兩種運行狀態(tài)，異步發(fā)電機的設計與異步電動機基本一樣，但也有其自身的特點。作為異步電動機運行時電源電壓比定子繞組感應電勢大得多，而作為異步發(fā)電機運行時，和兩者相近；另外，發(fā)電機的額定電壓比電動機的額定電壓大。如在我國三相四線

21、制低壓配電網中，三相異步電動機的額定電壓為380V，三相交流發(fā)電機或低壓配電變壓器的額定電壓則為400V。這兩種原因使得異步電機作為發(fā)電機運行時與作為電動機運行時相比，其滿載電勢要大得多。如果選用相近容量的異步電動機作為異步發(fā)電機運行，將使電機飽和程度大大增加，造成勵磁電流大增，若發(fā)電機并網運行則從電網吸收過大的無功功率，加大電網無功負擔，若單機運行則必須增加昂貴的電力電容器，從而使發(fā)電成本增加，同時由于鐵耗的增加，電機溫升上升，將縮短其使用壽命。在山區(qū)農村，由于人口少，居住分散，負荷密度小，為了降低成本，往往采用單相電網供電，這時就需要單相異步發(fā)電機。由于在副繞組中串接有電容器，單相異步發(fā)電

22、機與同容量的三相同步發(fā)電機相比，其效率和功率因數都比較高，用銅量也少。因單相電源無相序制約，并網運行時操作特別簡單。設計單相異步發(fā)電機時，需要考慮電機的性能指標如效率、功率因數、有效材料利用率等等，但這些指標都和繞組形式的選擇有著密切關系?？梢赃m當增大主繞組相帶至23，而縮小副繞組相帶到13。這樣雖然使有效材料利用率有所下降，但卻使電容器容量大為減少，提高了整機的經濟性能指標。在繞組形式的選擇上，應使功率因數接近于1，每千瓦輸出功率所配置的勵磁電容器的千法數盡量小。為了減小異步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)電壓調整率，不宜使其工作在過于飽和的狀態(tài)，并盡量將氣隙長度和槽口寬度取得小一些，以減小氣隙有效長度；適當增

23、加鐵心長度，雖然這會使銅、鐵用量增加而導致成本上升，但卻可以減少昂貴的電力電容器使成本下降。需要綜合考慮這兩方面的因素，選取合適的鐵心長度和氣隙磁通密度。歷史上由于計算手段的落后，異步電機計算程序均是以簡化的等值電路為基礎導出有關公式，而當今計算機技術已普遍應用，完全可以使用以準確的等值電路為基礎編制的程序。有關三相及單相異步發(fā)電機計算程序的詳細介紹可查閱參考文獻。2.5 利用三相異步電動機改制異步發(fā)電機2.5.1 電容器的選擇與計算利用三相異步電動機改制異步發(fā)電機雖然不盡合理，但作為一種簡便易行的小型電源，無論是作為應急電源，或者是作為偏遠地區(qū)的微型發(fā)電站，均有其存在的必要性和合理性。自勵異

24、步發(fā)電機的電容大小要選擇適當。若電容過大，則空載電壓太高，在過電壓的情況下，容易損壞發(fā)電機和用電設備；若電容偏小，則空載電壓偏低，不能適應供電要求。異步發(fā)電機空載時建立額定電壓所需電容稱為主電容，可按照下面的方法計算。為了使異步發(fā)電機的空載電壓等于額定電壓，必須使電容電流等于電機在額定電壓下的勵磁電流。當電容器接成 時，每相電容器的容抗值為（2-2）每相電容量為： （2-3）式中：每相電容器的容抗值，； 空載線電流，A；電源頻率，Hz；額定線電壓，V；接法時的每相電容量，。當電容器采用 接法時，三相所需的總電容量C為： （2-4）當電容器接成Y時，每相電容的容抗為： （2-5）由于電動機的空載

25、勵磁電流難以得到，在計算電容量時采用了空載電流。來代替空載勵磁電流，這樣求得的電容量將偏大一些。電容器的額定電壓必須高于實際工作電壓，在一般380V22OV三相四線制低壓配電系統(tǒng)中，當電容器接成時。其額定電壓應不低于45OV，當電容器接成Y時，其額定電壓應不低于25OV。自勵異步發(fā)電機在運行過程中，隨著負載的增加，轉差率s將要增大。為了保持發(fā)電機輸出電壓的頻率不變，就必須相應提高發(fā)電機的轉速，否則負載增加后發(fā)電機的頻率f及端電壓均會下降，而端電壓的下降又會導致勵磁的電容電流減小，進一步使端電壓下降。因此，自勵異步發(fā)電機負載增大時端電壓下降得很快。若負載為電感性負載(變壓器、異步電動機等)，則端

26、電壓下降比電阻性要嚴重得多。這是因負載中的感性電流將抵消勵磁用的電容電流，從而使端電壓急劇下降。為了保持端電壓不變，必須在負載增加的同時增大電容量。增加的這部分電容器稱為輔助電容器。當負載為純電阻(如電爐、電熾燈)時，負載功率因數為1，發(fā)電機達到滿負荷時要保持額定電壓不變，所需要增加的輔助電容 約為空載電容的1.25倍，即：=1.25當負載為電感性時，負載功率因數小于1，這時負載無功功率為：式中；負載無功功率，kV；發(fā)電機額定容量，kVA；負載功率因數角。補償這部分無功功率所需要增加的輔助電容為： 接法時， （2-6）Y接法時， （2-7）因此在額定負載情況下，需增加的輔助電容為：自勵異步發(fā)電

27、機滿載運行時三相總的電容為：由以上分析可知自勵異步發(fā)電機在負載變化時，如果沒有自動勵磁調節(jié)裝置，其端電壓和頻率的變化是很難避免的。投入負載時，要同時增加相應的輔助電容；切除負載時，應同時切除相應的輔助電容，以防運行中電壓過高，損壞電容器和其它用電設備。如果負載為異步電動機，則其容量不應超過異步發(fā)電機容量的10%，電動機負載的總容量不應超過發(fā)電機容量的25%。如果在運行中突然發(fā)生端電壓消失，可以立即切斷負載，端電壓將重新建立起來，空載電壓建立起來以后再逐漸增加負載。作為改制實例，下面給出利用一臺小型三相異步電動機改為三相異步發(fā)電機時的計算值和實測值。該動機的型號為JO2324，額定電壓380V，

28、額定頻率50Hz，額定電流6.31A?？蛰d電流2.70A，額定轉速1430rmin，效率83.5%，功率因數0.84，接法 ，具體數據見表2-1。表2-1 三相異步電動機改為三相異步發(fā)電機時的計算值和實測值運行方式數據性質線電壓V線電流A輸出功率KW頻率Hz發(fā)電機功率因數轉速rmin負載功率因數 接每相電容量 F并網運行計算值4004.82.20500.661552實測值4005.02.16500.661517單機運行感性負載計算值4004.82.20500.6615520.80027.5實測值4004.92.1649.90.6515460.80527.3單機運行電阻性負載計算值4004.82

29、.20500.6615521.00016.5實測值4004.922.24500.6515460.99517.52.5.2 接線方法（如圖）（1）主電容器組的選擇 主電容器組是空載是保證發(fā)電機起動并達到額定輸出電壓所需的電容器量，當三相的主電容量總值確定后，每一相的主電容量為1/3。（2）負電容器組的連接 副電容器組是為了保持發(fā)電機帶上負荷后端電壓不致下降為零所需增加的電容器。副電容器組可按負荷情況分成幾個單元，有幾個閘刀開關分別控制，電壓降低時，依次投入使用；隨著電壓的升高斷開。當三相的副電容量總值確定后，若僅一個單元，每相的副電容量為1/3；若分兩個單元，每相的副電容量為1/6。圖2-3 接

30、線圖2.5.3 使用注意事項（1）改制后的發(fā)電機所配用的動力機（如柴油機、水輪機等）輸入功率要足夠，轉速不能過低，否則發(fā)電機不發(fā)電。（2）當異步發(fā)電機剩磁消失時，如附近有電源，可直接將發(fā)電機作為電動機運轉幾分鐘；如附近無電源，可在起動前用6伏蓄電池或干電池4節(jié)串聯(lián)后，加在任何一相定子繞組上，充電幾分鐘即可。（3）起動發(fā)電機時，待發(fā)電機的空載電壓達到額定值后，方可加負載，否則輸出電壓很難建立。停機時，應先降低發(fā)電機轉速，同時卸掉負荷和電容器。（4）有時轉子剩磁微弱，電壓難以建立時，也可提高動力機的轉速或投入更多的電容器。當用電器對頻率的質量要求不高時，也可以用提高轉速來穩(wěn)壓。（5）因輸出電壓隨負

31、載的變動有較大的變化，因此，這種發(fā)電機最 好不要擔負較多的電感負載，這樣可減少所需的副電容量。2.6 小型異步發(fā)電機典型應用2.6.1 高精度校表電源在電機試驗中，根據GB103285三相異步電動機實驗方法對試驗電源的規(guī)定，試驗電源的電壓波形正弦性畸變率應不超過5%；在進行溫升試驗時應不超過2.5%。在儀表校驗中，JJG12482電流電壓表及功率表鑒定規(guī)程中明確規(guī)定，對交流表或交直流兩用表都必須用交流法進行校驗。然而，目前國內各電機制造廠試驗用電源發(fā)電機組，其波形畸變率大多數都超過了上述要求。雖然TY型隱極式同步發(fā)電機的電壓波形正弦性畸變率不超過2.5%，但因制造廠要成套供應，不僅交貨周期長，

32、而且價格太高，電機制造廠一般難以接受。為解決上述問題，可以采用異步發(fā)電機作為試驗室電源進行電機試驗。校驗電表，電磁測量和絕緣介電強度試驗等。異步發(fā)電機一般都具有非常良好的電壓波形，因為異步發(fā)電機定轉子都采用分布繞組。同時定轉子都是半閉口槽，且氣隙均勻，具有結構上產生優(yōu)良波形的特點。據對小型異步發(fā)電機的波形進行測定，其波形畸變率都很小，指標一般都優(yōu)于TY型隱極式同步發(fā)電機波形畸變率指標，具體數據見表2-2：表2-2 異步發(fā)電機的電壓波形畸變率實測值容量KW極數每極每相槽數繞組節(jié)距關聯(lián)支路數定子槽數波形畸變率%移相后波形畸變率%1013182361.52.11062162362.014431923

33、61.52.31.6241111240.94.582161480.91.8除了電壓波形畸變率優(yōu)于一般三相同步發(fā)電機外，有試驗數據表明，異步發(fā)電機還具有不平衡負載能力強，或者說帶單相負載能力強的優(yōu)點。這是因為異步發(fā)電機的轉子導條均勻分布在整個轉子上，實際上就是非常好的阻尼繞組，所以帶不平衡負載的能力強。下面以功率表的校驗為例為加以說明，具體接線參考圖2-4。 圖2-4 功率表校驗接線圖（1）電壓調節(jié)因為校驗功率表電壓檔時電壓需從零位非常均勻地調節(jié)到滿壓若通過改變勵磁電容大小來調節(jié)電壓則無法實現(xiàn)無級調節(jié)，且勵磁電容小于臨界值時發(fā)電機無法建壓，好在電壓檔消耗電流很小，可在采用三相電阻器來得到可調電壓

34、，或者采用小容量三相調壓器來得到可調電壓。（2）電流調節(jié)因為功率表電流檔的內阻很小，只需要幾十伏的低壓電源就夠了。由于異步發(fā)電機具有較強的單相負載能力，可在電動機三相繞組中接近中點處引出一個極相組的感應電壓，這樣就形成了以原中性點為中點的Y形接法的低壓電流發(fā)電機的引出線。（3）移相當校驗功率表時，電壓、電流之間的相位角須在120電角度范圍內調節(jié)?？稍陔妷撼鼍€端外接三相或單相移相器。當改變移相器轉子的位置即可達到移相的目的。移相器實際上就是一臺繞線轉子異步電動機。它具有良好的電壓波形，移相后的電壓波形略有損失實測數據見表2。若無合適的移相器則可用繞線轉子異步電動機代替，最好是選用兩極電機，在電機

35、軸伸端安裝蝸輪，在調壓手輪上安裝蝸桿，這樣可以防止在電磁力矩的作用下電機轉子旋轉，又可以連續(xù)調節(jié)轉子位置以實現(xiàn)移相之目的。2.6.2 把直流發(fā)電機的能量回饋到電網在進行直流發(fā)電機負載試驗時，如果發(fā)電機的負載輸出功率超過5kW，則由電阻等負載消耗掉，很不經濟，這時可采用異步發(fā)電機將其能量回饋到電網具體接線可參考圖2-5。首先接通開關K1，使三相異步電動機M 投入運行，然后調節(jié)直流發(fā)電機G1的勵磁電流，使其輸出電壓高于被試直流發(fā)電機G2的最大輸出電壓，這時G1處于空載運行狀態(tài)。最后接通開關K2使直流電動機M (又稱測功機)拖動被試直流發(fā)電機G2運行，此時調節(jié)G2的勵磁電流使其輸出電壓到需要的數值，

36、再減G1的勵磁電流使得G2的輸出電流A到需要值。一旦電流表A有讀數，就表明直流發(fā)電機G1已變成電動機運行狀態(tài)，而三相異步電動機M 已變成發(fā)電機運行狀態(tài)。試驗過程中要反復調節(jié)G1與G2的勵磁，使G2運行在需要的工作點上。在實際操作中，如果沒有合適的整流管D，也可以用開關來代替，只是要特別注意，只有當電壓表V2與V1的讀數相等時方可接通開關，以防止沖擊電流對系統(tǒng)的影響。圖2-5 利用異步發(fā)電機把直流發(fā)電機的能量回饋到電網通過分析可知，由M 與G1組成的電動發(fā)電機組，不論是工作在異步電動機狀態(tài)還是直流發(fā)電機狀態(tài)，還是工作在直流電動機異步發(fā)電機狀態(tài)，電磁轉矩與能量傳遞的方向恰好滿足系統(tǒng)的需要。2.7

37、異步發(fā)電機配套用電力電容器數據異步發(fā)電機的勵磁電容器，一般可選用自愈式低電壓并聯(lián)電容器。這種電容器芯由兩層鍍有金屬層的聚丙烯薄膜卷繞而成；電容器內部裝有放電電阻，在斷電后一分鐘內端子之間的電壓可降至50V以下。同時，電容器內設有過壓力隔離裝置，一旦電容器出現(xiàn)故障，內部產生的過壓力將使隔離裝置動作，從而自動切斷電源。根據國家標準GB1274791自愈式低電壓并聯(lián)電容器的規(guī)定，電容器的主要技術性能如下：（1）安裝運行地區(qū)海拔高度不超過2000m，使用周圍環(huán)境空氣溫度為(-25+50) C。（2）電容值偏差不超過額定值的(O10)%。（3）在工頻額定電壓下，2OC時的損耗角正切值()不大于0.002

38、。（4）允許在1.1倍額定電壓下長期運行。（5）允許在1.3倍額定電流下長期運行。這是由于過電壓和高次諧波共同作用的結果。異步發(fā)電機配套用電力電容器分為BSMJ；(干式)和BZMJ (油浸式)兩大系列。各個規(guī)格的技術數據見表2-3。注意表中規(guī)格欄內尾數為3者，表示電容器為三相 接法，額定電容量為三相電容量之和；尾數為1者，表示電容器為單相接法，電容量即為每相電容量；尾數為1Y 者，表示電容器為三相Y接法并有中性線引出額定電容量為三相電容量之和，但表示形式為每相電容量乘3。 表2-3 自愈式低電壓并聯(lián)電容器3 水輪異步發(fā)電機的研究3.1 三相異步發(fā)電機結構原理研究在風能開發(fā)利用中，變速發(fā)電是一個

39、關鍵性問題，解決好了可以大大地提高效率。同步發(fā)電機要用于變速發(fā)電，就必須采用變頻器，或改變葉片槳距的方法控制原動機轉速，這就增加了成本和維護難度。異步發(fā)電機無需直流勵磁，具有結構簡單，堅固可靠，維護便利，并網容易，易于控制的優(yōu)點，可在一定的范圍內直接用于變速發(fā)電。正是因為有著這么多的優(yōu)點，異步發(fā)電機在可再生能源的開發(fā)利用中被越來越看好。但異步發(fā)電機需從電網吸收無功功率，不采取措施就會影響電網，所以一般都要配備發(fā)出無功的設備。異步發(fā)電機單機運行時，還必須有電容來實現(xiàn)電機的自激，而且端電壓和頻率都會隨著轉速和負載變化，因此需要一套控制設備實現(xiàn)實時控制。這都增加了異步發(fā)電機運作復雜性和設備成本，限制

40、了它的發(fā)展應用。目前，隨著可控硅控制的靜態(tài)無功伏安源的進一步發(fā)展，異步發(fā)電機的應用又開始熱起來。在研究節(jié)能電機時，我們發(fā)現(xiàn)三相電容式電動機很有特點。它與普通三相異步電動機相比，主要有三個方面的優(yōu)點：首先，由于副相串接有電容，它的功率因數很高，而且可通過調節(jié)電容來調整功率因數；其次，可以設計適當的主副繞組匝比和配置恰當的電容使電機在按額定運行點平衡運行，從而達到消除五，七次諧波的目的，即降低損耗，提高效率；另外，可以接適當的起動電容來提高起動轉矩?；谶@些特點，如果將三相電容式異步電動機作發(fā)電機運行也應具有同樣的性質，因為電動機與發(fā)電機并沒有本質的區(qū)別。所以我們要研究一下三相電容式異步發(fā)電機。3

41、.1.1三相電容式異步發(fā)電機的結構三相異步發(fā)電機按其勵磁方式來分，可分為自勵式異步發(fā)電機和他勵式異步發(fā)電機。三相電容式異步發(fā)電機屬于自勵式異步發(fā)電機。自勵式異步發(fā)電機由一個鼠籠式異步電動機和一組電容組構成。如圖3-1所示：圖3-1 異步發(fā)電機結構原理三相電動機三相繞組接成星形，從尾端引出一根線作為發(fā)電機的中性線O，從三個首端分別引出三根線作為發(fā)電機的三根相線A、B、C，在兩根相線之間聯(lián)接適當等量的電容組C。發(fā)電時，用原動機(柴油機或水輪機)拖動電動機的轉子旋轉，當轉子轉速達到額定值時，在三相繞組上感應產生三相電動勢，在相線與中線之間得到三相對稱的相電壓，相線與相線之間得到三相對稱的線電壓。這時

42、，發(fā)電機即可給相應的負載供電。3.1.2 三步發(fā)電機的發(fā)電原理異步發(fā)電機為什么能發(fā)出電來呢?我們知道，同步發(fā)電機主要由定子(定子鐵心上嵌人三相對稱繞組，叫電樞)和轉子(轉子鐵心上繞上勵磁繞組，通人直流電，形成一組磁極)組成。發(fā)電時，原動機拖動轉子磁極在定子里旋轉，使定子繞組的磁通依次發(fā)生變化，從而在三相繞組上產生三相對稱的電動勢。三相鼠籠式異步電動定子結構和同步發(fā)電機的電樞相似，如能把電動機的轉子變成一個磁極組并由原動機拖動旋轉，則定子繞組就可感應出電動勢。但是，鼠籠式電動機的轉子繞組是一個形似鼠籠的閉合導體，無通人直流電使轉子變成磁極，但在相線上并聯(lián)電容器后鼠籠轉子可以變成磁極。一般來說，電

43、動機轉子在制作的過程中總會受到磁化，帶有一定的磁場。這個磁場在轉子周圍空間的磁感應強度B按照正弦規(guī)律分布，空間某點的磁感強度可以表示為B=Bm sina式中Bm為磁感強度最大值，a為空間某點與中性面的夾角。當轉子被原動機拖動在定子中旋轉時，定子繞組回路的磁通將正弦規(guī)律作周期性的變化，可表示為：=sin 為磁通=最大值若轉子轉動的角頻率為=2f時，(f為轉子轉動的頻率，設為兩極電動機)，則對應時刻t，磁通可表示為：=sin （3-1）故在各繞組上都感應有電動勢e?？杀硎緸椋篹= -N=Nsin(-) （3-2） =sin(-)N為繞組的匝數，Em= N是電動勢的最大值。其相位比磁通滯后。由于定子

44、繞組是對稱的，故在其上感應的三相電動勢亦是對稱的，A,B,C三相電動勢可依次表示為：=sin (參考量) （3-3）=sin(-) （3-4）= sin(+) （3-5）各相的端電壓等于相電動勢，可表示為：=sin （參考量） （3-6）=sin(-) （3-7）= sin(+) （3-8）則加在電容組各電容器的電壓是對稱的線電壓，可表示為：=sin(+) （3-9）=sin(-) （3-10）=sin(+) （3-11）這樣，就有三相對稱電流(電容電流)通過電容器進人相繞組構成閉合回路。我們知道，三相對稱的繞組通人三相交流電就會產生一個旋轉磁場，旋轉磁場在轉子導體感應產生導體回路電流，回路電

45、流使轉子產生磁場。因為電容電流的相位比其相應的端電壓超前，所以，轉子感應電流產生的磁場與原始定子繞組產生感應電動勢的磁場同向，增大了產生感應電動勢的磁場，因此繞組的感應電動勢得以增大，電動勢增大后，使電容電流隨之增大，如此循環(huán)下去，最后繞組電動勢達到額定值，異步發(fā)電機就發(fā)出電來。從以上分析知道，要使異步發(fā)電機產生所需要的電動勢，必須有足夠強度的轉子磁極，而要有足夠強度的轉子磁極，必須有足夠大的三相電容電流，要有足夠大的電容電流，在一定的電壓下，必須有容量足夠大的電容器組。實驗證明，要使發(fā)電機的空載電壓達到額定值、電容電流(勵磁電流)等于電動機的空載電流，如電容器組為三角形聯(lián)接時，如圖1所示，則

46、所需的總電容量C按下式計算。C=F （3-12）式中I。為電動機的空載電流，一般為其額定電流的30U。為額定電壓，亦是發(fā)電機的額定電壓，f為額定頻率。 從圖3-1看到，電容器承受的電壓是線電壓，電容器的額定耐壓值應是線電壓的最大值。但實驗證明，如額定電壓為380V，電容器耐壓值達到400V時，即可正常發(fā)電。如電容器的耐壓值不到400V，應把電容器接成星形后再接在相線上，如圖2所示。這種聯(lián)接方法，電容總量是圖3-1接法的電容總量的3倍。如圖3-2： 圖3-2電容器星形接法3.1.3 三相異步發(fā)電機電容器的選擇自勵三相異步發(fā)電機一般接自兩種作用的電容器，一種稱主電容器固定地接在異步電動機的定子繞組

47、上，另一組稱輔助電容器分別接在配電線路上，即在負載端接輔助電容器。主電容器為三相異步發(fā)電機工作提供空載勵磁電流，而輔助電容則用于供給增加負載時所需的勵磁電流，補償負載所引起的壓降，使發(fā)電機電壓保持穩(wěn)定，輔助電容器電容I可調節(jié)。發(fā)電機要有良好的運行特性，合理選擇電容器是關鍵，這里就選擇電容器的實用方法介紹如下。 1. 空載時電容量（即主電容量）的近似計算為了減少發(fā)電機激磁用電容量，在三相發(fā)電機中，一般將電容器接成三角形，這種接線需要三組電容器，當空載額定電壓時，每相電容器(即主電容器)的電容備可按下式計算。 C= f （3-13）式中 發(fā)電機的額定線電壓 V； 激磁電流的無功分量，線電流 A；

48、f 頻率 Hz ；其中 = cos0.20.3-發(fā)電機的額定電壓時的空載線電流，可取電動機額定電流的30，即=0.3。形聯(lián)接空載時每相所需電容量即主電容量：C=4.841.45f （3-14）形聯(lián)接空載時三相所需總電容量： =4.35 f （3-15）2. 負載時電容量的近似計算（1）電阻負載 發(fā)電機帶電阻負載時所需容性電流為克服本身的無功分量= （3-16）式中 -額定負載電流； cos-異步電機額定功率因數；帶電阻負載，電容器按形聯(lián)接.每相電容量為： = f （3-17）這樣每相輔助電容器的電容量就可由-C之值確定。三相所需總電容量： = f （3-18）（2）動力負載帶動力負載需要增加容

49、性電流以補償負載的無功部分，滿載時所需增加的無功容量為： Q=電動機容量 kVar （3-19）式中cos-負載功率因數。滿載需增加的三相總電容量（即輔助電容）為：= f （3-20）可作為選擇輔助電容器的依據。發(fā)電機滿載時的總電容量為： =+ f （3-21）(3) 電容器電壓大小選擇考慮到負載突然切除時，主電容上所受到的脈沖電壓有時會比電機端電壓大1-2倍，故主電容器的額定電壓，應不低于異步發(fā)電機端電壓幅值的1.5-2倍。輔助電容器的額定電壓只需為發(fā)電機端電壓的1.1倍。3. 應注意的幾個問題電容器電容量選擇應適當，選得太小發(fā)電機電壓達不到要求值.電壓調節(jié)范圍較小甚至發(fā)生電壓崩潰，選得太大

50、易產生過電壓，且成本高。三相異步發(fā)電機主要適用于照明負載，供給動力負載只能是少量的，一般動力負載容量應在發(fā)電機額定容量25%以下，且負載的單機容量不大于發(fā)電機容t的10，否則應增大電容量。輔助電容器可由若干組小容量電容器并聯(lián)組成，且應裝設轉換開關，以便調節(jié)容量，主電容器可以是固定式的。在為動力負載供電時，考慮到其中的電動機負載起動時電流很大.導致電壓大幅下降.以至崩潰，輔助電容器的電容量在此情況下應適當增加。3.2 異步發(fā)電機的特性異步發(fā)電機有兩種運行方式：與電網并聯(lián)運行方式和單獨運行。在與電網并聯(lián)運行方式中，異步發(fā)電機一方面向電網輸出有功功率，另一方面又必須從電網吸收滯后的無功功率（或向電網

51、輸出超前的無功功率），以供勵磁及定、轉子漏磁所消耗無功功率的需要；在單獨運行方式中，異步發(fā)電機所需感性勵磁電流必須從負載中獲取。為此，一方面轉子磁路系統(tǒng)必須有一定的剩磁，另一方面發(fā)電機端點一定要并聯(lián)一組對稱的勵磁電容器。水力發(fā)電用異步發(fā)電機多為與電網并聯(lián)運行，故只討論與電網并聯(lián)運行的情況。3.2.1 運行特性圖3-3 為異步發(fā)電機和同步發(fā)電機的運行特性向量圖。 圖3-3 發(fā)電機向量圖發(fā)電機工作點 端電壓發(fā)電機電樞電流異步發(fā)電機空載電流異步發(fā)電機轉子電流發(fā)電機功率因數角同步電抗勢直軸同步電抗角標：s同步發(fā)電機 a異步發(fā)電機在同步發(fā)電機中，通過調節(jié)勵磁電流（），電機可以在滯后功率下運行，也可超前運

52、行。而在異步發(fā)電機中，工作點只能沿圖3-3所示的圓周上運行，故功率因數總是超前的，且功率因數隨發(fā)電機負荷率的變化而變化。圖3-4 為發(fā)電機出力特性曲線。從圖a可以看出，同步發(fā)電機的出力決定于內部相角差，在不考慮凸極的影響，時出力最大，且最大出力與端電壓成正比。若負載超過發(fā)電機最大出力，則會產生失步現(xiàn)象。從圖b可以看出，異步發(fā)電機的最大出力與旋轉速度有關，通常在轉速高于同步轉速的3%5%時出力最大。而且發(fā)電機的最大出力與電壓的平方成正比，故電壓波動對異步發(fā)電機穩(wěn)定運行的影響很大。但在實際運用中，由于異步發(fā)電機的最大出力多在額定出力的175%以上，故一般影響不大。發(fā)電機參數決定了它的運行性能。每一

53、個運行點有固定的功率因數和效率，因此，為獲得最大功率因數和最大效率，設計時選擇參數是十分重要的。3.2.2異步發(fā)電機功率因數的改善和自勵現(xiàn)象如圖3-5所示，異步發(fā)電機的視在功率由有功功率和無功功率合成。功率因數： （3-22）無功功率與勵磁電流成正比，而勵磁電流大致決定于定、轉子鐵芯間的氣勢磁勢。在相同容量下，低速機的氣隙長度與極距之比相對校大，使氣隙磁勢增大，無功功率較大，故通常低速機的較小。有功功率，KW無功功率，KVar視在功率，KVA功率因數角改善功率因數用電容器容量，KVar 改善功率因數后視功率，KVA 改善功率因數后功率因數角圖3-5 用電容器改善功率因數為了提高異步發(fā)電機的功率因數，通常采用發(fā)電機并聯(lián)電容器以補償無功功率的辦法。如圖3-5所示，并聯(lián)電容器后，發(fā)電機的無功功率由降低到（=-，為電容器的容量），從系統(tǒng)看，