雙饋異步發(fā)電原理的P理論研究

雙饋異步發(fā)電原理的研究緒言——問題的提出雙饋異步發(fā)電是目前風(fēng)力發(fā)電的主導(dǎo)，深刻揭示雙饋以及異步電機(jī)的發(fā)電原理，對(duì)于其技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展具有重要的意義。異步機(jī)發(fā)電的理論主要依據(jù)傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)的轉(zhuǎn)差率說，即當(dāng)s>0或n<n1時(shí)，異步電機(jī)為電動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)s<0或n>n1時(shí)，異步電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)。然而，該結(jié)論與雙饋電動(dòng)和發(fā)電的實(shí)際并不完全相符，例如，雙饋調(diào)速就有s<0，的超同步電動(dòng)運(yùn)行，也有s＞0,n＜n1的亞同步發(fā)電運(yùn)行。問題究竟何在？首先應(yīng)該準(zhǔn)確理解異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s。在電機(jī)學(xué)中，轉(zhuǎn)差率定義為其中的n1-n實(shí)際是轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，也是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)切割磁力線的速度；而分母n1可以理解為n1-0，即n=0轉(zhuǎn)子靜止，于是n1-0表示轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的切割磁力線的速度。由此可見，s所反映的是電機(jī)旋轉(zhuǎn)與電機(jī)靜止時(shí)的切割磁力線速度比，鑒于電磁感應(yīng)的參數(shù)都和切割磁力線速度密切相關(guān)，所以轉(zhuǎn)差率能夠反映的是異步機(jī)的電磁感應(yīng)情況。顯然，如果異步機(jī)轉(zhuǎn)子只有電磁感應(yīng)的作用，而沒有外部附加電勢(shì)的參與，轉(zhuǎn)差率即可全面反映電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，傳統(tǒng)的結(jié)論是正確的。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)子有外部附加電勢(shì)的參與和作用時(shí)，異步機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)就不能完全取決于電磁感應(yīng)，而是二者的綜合作用，于是，轉(zhuǎn)差率便不能全面反映電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，因此不能轉(zhuǎn)差率來判斷異步機(jī)的運(yùn)行。那么異步機(jī)的發(fā)電原理究竟何在？本文將結(jié)合作者的《發(fā)電機(jī)的普適原理》論文加以分析，從而得出相關(guān)的結(jié)論，希望有助于雙饋等風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。異步發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換與附加功率作為發(fā)電機(jī)的一種，異步發(fā)電機(jī)必然遵守普遍的能量轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)矩平衡原理,其中，能量轉(zhuǎn)換原理表現(xiàn)為（1）（2）式中，——發(fā)電機(jī)的軸機(jī)械功率；——電磁功率；——發(fā)電機(jī)的輸入損耗功率。轉(zhuǎn)矩平衡原理主要是機(jī)械轉(zhuǎn)矩的作用與電磁轉(zhuǎn)矩的反作用，如以轉(zhuǎn)速方向?yàn)閰⒖颊较?，則電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，即且電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩平衡，有（3）異步發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換原理可普遍地表達(dá)為圖1，其轉(zhuǎn)子為繞線型，籠型轉(zhuǎn)子封閉短路，可以視為是繞線轉(zhuǎn)子的特例。電磁功率異步機(jī)的電磁功率是耦合磁場(chǎng)的媒介功率，從電的角度觀察，轉(zhuǎn)子的電磁功率表達(dá)為（4）其中，——轉(zhuǎn)子開路靜止的感應(yīng)電勢(shì)，簡(jiǎn)稱開路電勢(shì)；——轉(zhuǎn)子相數(shù)；——轉(zhuǎn)子電流；——轉(zhuǎn)子功率因數(shù)?！c相角的余弦。式（18）為電磁轉(zhuǎn)矩的標(biāo)量式，其要反映T的方向，應(yīng)將理解為轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子開路電勢(shì)相角的余弦，而不宜采用的標(biāo)量表達(dá)，于是，T<0的問題就歸結(jié)為與的相角大于90○，或轉(zhuǎn)子有功電流與轉(zhuǎn)子開路電勢(shì)的方向相反。從電路角度觀察，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子合電勢(shì)，故在轉(zhuǎn)子無源（無附加電勢(shì)）的條件下，轉(zhuǎn)子電流方向恒與轉(zhuǎn)差電勢(shì)方向一致，并表達(dá)為（19）式中，s——轉(zhuǎn)差率，；r2——轉(zhuǎn)子繞組的相電阻；x2——轉(zhuǎn)子開路（靜止）的漏抗?？梢姡罐D(zhuǎn)子電流和開路電勢(shì)反向，唯一的方法是使s<0，即n>n1，電機(jī)轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速。顯然，籠型異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子短路而封閉，無法加入附加電勢(shì)，因此，只有在超同步條件下才能實(shí)現(xiàn)有源（并網(wǎng)）發(fā)電，而亞同步時(shí)只能作無源發(fā)電，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。有鑒于此，異步發(fā)電廣泛采用繞線轉(zhuǎn)子型的電機(jī)，目的是采用附加電勢(shì)控制，使異步電機(jī)在任意轉(zhuǎn)速下都能實(shí)現(xiàn)有源的并網(wǎng)發(fā)電。在轉(zhuǎn)子有源條件下，轉(zhuǎn)子電流表達(dá)為（20）式中為外附的附加電勢(shì)，此時(shí)，轉(zhuǎn)子電流取決于轉(zhuǎn)子合電勢(shì),而不是單純的轉(zhuǎn)差電勢(shì)，如果的方向與轉(zhuǎn)子開路電勢(shì)的方向相反，轉(zhuǎn)子電流便和開路電勢(shì)反向，于是電磁轉(zhuǎn)矩T<0，異步電機(jī)作發(fā)電運(yùn)行。總結(jié)以上分析，轉(zhuǎn)子無源時(shí),轉(zhuǎn)子電流的方向取決于轉(zhuǎn)差電勢(shì)方向（而非開路電勢(shì)方向）,而轉(zhuǎn)子有源時(shí),,轉(zhuǎn)子電流的方向取決于轉(zhuǎn)子合電勢(shì)方向。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流與開路電勢(shì)同向時(shí),電機(jī)為電動(dòng)態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)子電流與與開路電勢(shì)反向時(shí),電機(jī)為發(fā)電態(tài)。由此,實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)發(fā)電T<0的主要方法計(jì)有二種：對(duì)于轉(zhuǎn)子無源的情況，須使電機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，s<0。對(duì)于轉(zhuǎn)子有源情況，可在轉(zhuǎn)子回路串入附加電勢(shì)，并使合電勢(shì)與開路電勢(shì)的方向相反。具體是，當(dāng)n<n1，s>0（亞同步）時(shí)，因與同相，故須使和反向，且；而當(dāng)n>n1，s<0（超同步）時(shí)，因已經(jīng)與反相，故仍可以和方向相反，但須使。圖（）（）分別示出了相關(guān)的等效電路。異步電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速根據(jù)文獻(xiàn)1的分析結(jié)論，電機(jī)發(fā)電的和T<0條件最終歸結(jié)為n＞n0的轉(zhuǎn)速條件，其中的n0為電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速。但是，傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)并沒有建立異步電機(jī)理想轉(zhuǎn)速的概念，異步電機(jī)是否存在理想轉(zhuǎn)速？其物理意義何在？這是首先要回答的問題。根據(jù)力學(xué)原理，凡是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，轉(zhuǎn)速均為機(jī)械功率與機(jī)械轉(zhuǎn)矩之比，由于電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值相等，即，故異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速同為（21）其中，機(jī)械功率根據(jù)式（15）表達(dá)為，（22）所以異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可表為（23）假定，則有（24）其中，n0即為異步發(fā)電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，其物理意義是：在理想的無損耗條件下，機(jī)械功率全部轉(zhuǎn)換為電磁功率，發(fā)電機(jī)所具有的轉(zhuǎn)速?？梢?，異步電機(jī)和其它電機(jī)一樣具有理想轉(zhuǎn)速。鑒于損耗必然存在，故產(chǎn)生轉(zhuǎn)速降（25）異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速方程亦為（26）應(yīng)該特別注意，n0和同步轉(zhuǎn)速屬性完全不同，前者屬于電磁運(yùn)動(dòng)；后者屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)，二者并無直接聯(lián)系。將式（4）和式（18）代入式（），異步機(jī)普遍的理想轉(zhuǎn)速表達(dá)為（27）其中的Ce2為轉(zhuǎn)子電勢(shì)系數(shù)，。當(dāng)轉(zhuǎn)子無源時(shí)，，理想轉(zhuǎn)速表為（28）如果不考慮（主磁通為常量）的恒轉(zhuǎn)矩條件，可得說明在轉(zhuǎn)子無源的條件下，異步機(jī)的理想轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速數(shù)值相等。由此可見，按照力學(xué)原理，電機(jī)學(xué)的式（5）應(yīng)該寫成（29）只有在時(shí)，方可以此表達(dá)。轉(zhuǎn)差功率與效率根據(jù)圖（5）的轉(zhuǎn)子電路，當(dāng)與同軸時(shí)，其電壓平衡方程式表為（30）如果忽略損耗壓降，有（31）故有功率平衡式（32）說明無論附加功率PK方向如何，其數(shù)值都和轉(zhuǎn)差功率（近似）相等?；仡櫴剑?2），對(duì)于附加電勢(shì)控制的異步發(fā)電機(jī)，定子發(fā)電功率中除了機(jī)械功率之外，還含有附加電源的控制功率。問題在于狀態(tài)，顯然，發(fā)電機(jī)的目的是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，而是源于附加電源的電功率，所以，由附加電源——轉(zhuǎn)子——定子——電網(wǎng)是無謂的功率循環(huán)傳輸，此時(shí)，，定子的發(fā)電功率中除了機(jī)械功率之外，還含有無謂的電轉(zhuǎn)差功率，這將增大定子的功率負(fù)荷和損耗，使發(fā)電效率降低，特別是在轉(zhuǎn)差率s較大時(shí)，問題更為突出。的無謂功率循環(huán)傳輸發(fā)生在n<n1，s>0的亞同步發(fā)電情況下，此時(shí)，為使T＜0，需要附加電勢(shì)和轉(zhuǎn)差電勢(shì)反向，且，附加電勢(shì)向轉(zhuǎn)子輸送電功率。至于附加功率為負(fù)（即），主要發(fā)生在n>n1，s<0的超同步發(fā)電情況下，此時(shí)，轉(zhuǎn)子一方面通過電傳導(dǎo)將功率PK發(fā)電給附加電源，另一方面通過電磁感應(yīng)將其余部分功率發(fā)電給定子，由于PK是PM的一部分，故PK屬于機(jī)電功率轉(zhuǎn)換，于是不存在轉(zhuǎn)差功率的無謂循環(huán)以及損耗問題。結(jié)論交、直流電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的普適條件為功率條件及Pem＜0；基于發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換和守恒