異步發(fā)電機(jī)介紹及應(yīng)用

1、目錄1 緒論21.1 引言21.2 異步發(fā)電機(jī)在水力發(fā)電中發(fā)展應(yīng)用41.3 本課題的提出及意義52小型異步發(fā)電機(jī)研究72.1 異步發(fā)電機(jī)基本原理72.2 自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的工作原理72.3 異步機(jī)發(fā)電的工作運(yùn)行原理92.4 異步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)研究112.5 利用三相異步電動機(jī)改制異步發(fā)電機(jī)122.5.1 電容器的選擇與計(jì)算122.5.2 接線方法（如圖）162.5.3 使用注意事項(xiàng)172.6 小型異步發(fā)電機(jī)典型應(yīng)用182.6.1 高精度校表電源182.6.2 把直流發(fā)電機(jī)的能量回饋到電網(wǎng)202.7 異步發(fā)電機(jī)配套用電力電容器數(shù)據(jù)223 水輪異步發(fā)電機(jī)的研究243.1 三相異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理研究243

2、.1.1三相電容式異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)253.1.2 三步發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理253.1.3 三相異步發(fā)電機(jī)電容器的選擇293.2 異步發(fā)電機(jī)的特性323.2.1 運(yùn)行特性323.2.2異步發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的改善和自勵(lì)現(xiàn)象353.2.3異步發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)383.3 過渡過程403.3.1 并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流403.3.2 三相短路電流413.4 異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)413.4.1 臥式異步發(fā)電機(jī)423.4.2. 立式異步發(fā)電機(jī)434 異步發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)的比較454.1異步發(fā)電機(jī)主要的優(yōu)缺點(diǎn)454.2 異步發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)在電站中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性比較464.3 異步發(fā)電機(jī)水力發(fā)電應(yīng)用實(shí)例475 結(jié)束語50致

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

4、約，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)操作特別簡單。由于一般三相異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行中要吸收約3O額定功率的無功功率，造成電網(wǎng)功率因數(shù)下降。為了解決這一問題，人們借鑒Wan lass的設(shè)計(jì)思想，研制出了三相電容式異步發(fā)電機(jī)。由于在副繞組中串接有電容器，功率因數(shù)很高，而且可以通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹鳌⒏崩@組匝比及選用合適的電容，達(dá)到消除諧波、降低損耗和提高效率的目的。為了進(jìn)一步提高異步電機(jī)的可控性，適應(yīng)實(shí)際工況中負(fù)載和轉(zhuǎn)速的動態(tài)變化，人們研制出了帶定子勵(lì)磁補(bǔ)償繞組的雙繞組異步發(fā)電機(jī)，使用電力電子變流器來對發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，異步發(fā)電機(jī)可分為鼠籠轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)和實(shí)心轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)。按勵(lì)磁方式可分為電容自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)和并網(wǎng)

5、運(yùn)行異步發(fā)電機(jī)。利用煤炭、石油等常規(guī)資源發(fā)電的大電廠中,同步電機(jī)無疑優(yōu)于異步電機(jī)。然而,近幾年來,在許多國家,異步發(fā)電機(jī)的發(fā)電量卻迅猛增長。因?yàn)樵诶梅稚⒌淖兓療o常的各種風(fēng)力、水力發(fā)電時(shí),異步電機(jī)在很多方面超過同步電機(jī)。例如,美國在西部地區(qū)中小型風(fēng)力、水力電站星羅棋布,其中大部分都是用異步發(fā)電機(jī)。俄羅斯在1994 年建成的6.3kV、1MW的風(fēng)力電站中也是采用的異步發(fā)電機(jī)。它允許風(fēng)速變化范圍為526m/s,最高效率達(dá)90.5%。 我國風(fēng)力、水力資源豐富,在大電網(wǎng)難以覆蓋到的偏遠(yuǎn)地區(qū)和廣大農(nóng)村,利用風(fēng)力、水力為能源,首選異步電機(jī)發(fā)電的理由是:(1) 異步電機(jī)比同步電機(jī)構(gòu)造簡單、價(jià)格便宜、經(jīng)久耐用

6、、維修方便。(2) 異步發(fā)電機(jī)對原動機(jī)的要求低,既可恒速,也可變速運(yùn)行,根本沒有同步要求。因此,它適應(yīng)于風(fēng)力、水力作動力。(3) 異步發(fā)電機(jī)不需要同步發(fā)電機(jī)那樣的復(fù)雜的勵(lì)磁系統(tǒng),連自動調(diào)整系統(tǒng)有時(shí)也可以省去。(4) 異步發(fā)電機(jī)在起動、運(yùn)行、保護(hù)、并網(wǎng)等諸方面都比同步發(fā)電機(jī)簡單、方便,而且便于遙控。這在技術(shù)人員缺乏的邊遠(yuǎn)地區(qū)和廣大農(nóng)村尤顯重要。(5) 近年來,發(fā)電專用的各種風(fēng)車、水車及變速渦輪機(jī)不斷推陳出新,效率不斷提高,而價(jià)格卻在下落。與此同時(shí),新型電力電容不斷推向市場。這些,都為發(fā)展異步電機(jī)發(fā)電創(chuàng)造了有利條件。當(dāng)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(zhuǎn)

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(jìn)步和國家的政策改革而得到改善。在我國的能源構(gòu)成中，雖然煤的儲量最多，足夠我們開采數(shù)百年，但由于環(huán)境問題，交通運(yùn)輸問題，到2050年，煤電開發(fā)將達(dá)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(fēng)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(zhì)等問題。既然風(fēng)能等可再生能源有著如此多的優(yōu)點(diǎn)，那么他們的開

8、發(fā)利用狀況又如何呢？ 除了最原始的機(jī)械能利用外，大多數(shù)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(shù)也有較大的差異。如風(fēng)能，它的強(qiáng)度通常是不定的，只有統(tǒng)計(jì)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(shè)備提出了更高的要求。根據(jù)風(fēng)能的特點(diǎn)，目前廣泛使用異步發(fā)電機(jī)。1.2 異步發(fā)電機(jī)在水力發(fā)電中發(fā)展應(yīng)用異步發(fā)電機(jī)原理于1901年由法國人M.Mauyice Loblance 首次提出，然而當(dāng)時(shí)與同步發(fā)電機(jī)相比其應(yīng)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(shè)了一臺1750KW的異步發(fā)電機(jī)；1919年又安裝了一臺425KW和一臺1000KW的異步發(fā)電機(jī)。在美國東海

9、岸交通局裝設(shè)了五臺7500KW25周波余熱透平驅(qū)動的異步發(fā)電機(jī)。到20世紀(jì)50年代前后異步發(fā)電機(jī)在水電、熱電站的輔機(jī)發(fā)電、自備電站等場合都有應(yīng)用，同時(shí)在歐洲也建設(shè)了一批異步發(fā)電站。美國Scotlendl北方水電局建設(shè)了由一臺異步發(fā)電機(jī)裝備的水電站，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)，該電站運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)，在電壓11KW、50周波電機(jī)303r/min時(shí)發(fā)出5000KW額定功率，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)，電機(jī)作電動機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生6500P（約4875KW）軸功率驅(qū)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(jī)裝備的抽水蓄能電站。20世紀(jì)50年以后，隨著電力系統(tǒng)容量的擴(kuò)大，用于水電站的異步發(fā)電機(jī)逐漸向大功率方向發(fā)展，幾千

10、KW的機(jī)組已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)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(jī)，并認(rèn)為經(jīng)濟(jì)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(jī)；日本從1959年開始研究異步發(fā)電機(jī)，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(jī)。世界范圍內(nèi)已有上百家電機(jī)制造廠商同時(shí)提供同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)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(dāng)線路的傳輸功率低于自然功率時(shí)，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(yùn)行特性，不少技術(shù)先進(jìn)的國家，在

11、20世紀(jì)80年代初開始研究異步發(fā)電機(jī)在大電力系統(tǒng)中的應(yīng)用問題，并認(rèn)為大系統(tǒng)采用異步發(fā)電機(jī)后，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。近20多年來，國外由于經(jīng)濟(jì)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(jī)發(fā)電越來越受到重視。另一方面，由于能源價(jià)格上漲，利用工業(yè)用水農(nóng)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(guān)注。伴隨中小型水利資源的開發(fā)，水力發(fā)電機(jī)用異步發(fā)電機(jī) 得到了較廣泛的應(yīng)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(jī)具有十分誘人的前景。東方電機(jī)股份有限公司與重慶大學(xué)合作研制成目前國內(nèi)最

12、大的2500KW，1600r/min，6300V異步水輪發(fā)電機(jī)，并已順利投運(yùn)，為我國異步發(fā)電機(jī)的發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)。1.3 本課題的提出及意義在農(nóng)村或某些場合，經(jīng)常停電。在急需用電而又沒有發(fā)電機(jī)時(shí)，可以利用農(nóng)村常用的鼠籠式異步電動機(jī)加接適當(dāng)容量的電容，改裝成異步發(fā)電機(jī)，解決燃眉之急。此種異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、一機(jī)多用、成本低，改裝、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，具有實(shí)用價(jià)值。在解決能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)雙重任務(wù)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(guān)注。特別是風(fēng)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(jī)的研究”，將涉及單相和三相異步機(jī)的原理及應(yīng)用，這對異步發(fā)電機(jī)的理論的豐

13、富及實(shí)際應(yīng)用方面具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。2 小型異步發(fā)電機(jī)研究2.1 異步發(fā)電機(jī)基本原理眾所周知，電機(jī)運(yùn)行是可逆的，異步電機(jī)既可作電動機(jī)運(yùn)行，又可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。一臺鼠籠異步電機(jī)，當(dāng)定子外加電壓作電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速總是低于氣息旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即n，這時(shí)電機(jī)中產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相同。若電機(jī)空載運(yùn)行，并外加一個(gè)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速（即=）時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子間沒有相對運(yùn)動，電機(jī)的電磁功率為零，定子電流純粹為激磁電流，定子從電網(wǎng)吸收的功率用于克服定子銅耗和鐵耗，轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動功率則用于克服風(fēng)耗和軸承損耗。若繼續(xù)增大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速將高于同步轉(zhuǎn)速（），此時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向就與時(shí)相反，因

14、而轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢的方向就與時(shí)相反，轉(zhuǎn)子電流的有功分量隨之反向。在電網(wǎng)電壓不變的情況下，為了維護(hù)氣隙主磁通的數(shù)值，轉(zhuǎn)子電流有功量的反向。于是，電機(jī)由電動機(jī)過渡到發(fā)電機(jī)狀態(tài)。2.2 自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的工作原理用水輪機(jī)、柴油機(jī)或風(fēng)力機(jī)等原動機(jī)拖動異步電動機(jī)，使其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速即使轉(zhuǎn)差率sO，就變成異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行了。這種單機(jī)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)稱為自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)。自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)必須在定子繞組的端點(diǎn)上并接適當(dāng)?shù)碾娙萜鳎秒娙輥砉┙o異步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，從而使異步發(fā)電機(jī)建立起電壓，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，如圖2-1所示。圖2-1 自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的基本電路只要異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子有剩磁存在，當(dāng)原動機(jī)帶

15、動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)子的剩磁磁通就會切割定子繞組，并在定子繞組中感應(yīng)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(chǎn)生的磁勢和剩磁磁通方向相同，使電機(jī)中的磁通增大。由圖2-2 a可見，這時(shí)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(fù)勵(lì)磁，直到發(fā)電機(jī)的端電壓上升到空載穩(wěn)定值。這時(shí)電容電流也增加到穩(wěn)定值，即發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)就在電機(jī)空載特性曲線1和電容線2的交點(diǎn)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(jī)的空載轉(zhuǎn)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(jī)帶動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(shí)，發(fā)電機(jī)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(diǎn)是與普通發(fā)電機(jī)不一樣的，它只能在一定電壓范圍內(nèi)使用，低于某一電壓值就不能使用。 曲線1異步發(fā)電機(jī)的空載特性曲線 曲線2電容為時(shí)的端電壓與電容電流的關(guān)系曲線 也稱為電容線曲線3電容為且時(shí)的端電壓與電容電流的關(guān)系曲線圖2-2 a)自勵(lì)建壓過程 b)相量圖2.3 異步機(jī)發(fā)電的工作運(yùn)行原理異步機(jī)發(fā)電有兩種運(yùn)行方式,一是并網(wǎng)運(yùn)行,二是獨(dú)立運(yùn)行,各有其特點(diǎn):(1) 并網(wǎng)運(yùn)行異步發(fā)

17、電機(jī)也可以并網(wǎng)運(yùn)行，接人電網(wǎng)的手續(xù)極為簡單，只要將轉(zhuǎn)子拖到盡可能接近同步轉(zhuǎn)速，并且轉(zhuǎn)向和定子磁場旋轉(zhuǎn)方向一致即可并入電網(wǎng)。也就是先把旋轉(zhuǎn)的異步電機(jī)的定子繞組并聯(lián)在電網(wǎng)上，然后再把轉(zhuǎn)速n 調(diào)到異步機(jī)的同步轉(zhuǎn)速以上，便可向電網(wǎng)輸出電壓、頻率與電網(wǎng)完全一致的電力。定子繞組的電勢和頻率取決于電網(wǎng)的電壓和頻率，并在異步發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)時(shí)自動的建立起來。必須特別注意，由于發(fā)電機(jī)從它所聯(lián)接的電網(wǎng)獲得勵(lì)磁，所以，異步發(fā)電機(jī)輸向電網(wǎng)的電流頻率和它自身的轉(zhuǎn)差率無關(guān)。并聯(lián)運(yùn)行時(shí)帶負(fù)載能力強(qiáng)，電壓、頻率穩(wěn)定，因此在有電網(wǎng)的地區(qū)，應(yīng)盡可能并網(wǎng)運(yùn)行。然而,并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，需從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行

18、的優(yōu)點(diǎn)是接入電網(wǎng)時(shí)不需要整步，運(yùn)行中不會發(fā)生振蕩，而這些卻是同步發(fā)電機(jī)經(jīng)常遇到的困難。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，除瞬時(shí)的短路電流外，不會有大的短路穩(wěn)定電流，因?yàn)榇藭r(shí)異步發(fā)電機(jī)將失去勵(lì)磁。異步發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)是需要很大的勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流約為額定電流的25% ，而且勵(lì)磁電流滯后于電壓接近90，使電網(wǎng)上同步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)大大降低。增加轉(zhuǎn)速，就增加輸出給電網(wǎng)的電流、功率。由于需從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，這就惡化了電網(wǎng)的功率因數(shù)，使電網(wǎng)無功不足，影響了電壓的穩(wěn)定性。因此，必須給電網(wǎng)并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙菀匝a(bǔ)償無功。 (2) 獨(dú)立運(yùn)行給定子繞組并聯(lián)足夠的電容，并且電機(jī)有剩磁，是異步發(fā)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)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(fù)載后，頻率和電壓都必會下降，為保持工頻，必須把轉(zhuǎn)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(yīng)增的電容量與負(fù)載大小及其功率因數(shù)等有關(guān)。實(shí)際工程可采用初步估算，實(shí)驗(yàn)調(diào)整的方法。估算電容量的公式很多，這里僅介紹簡單實(shí)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(dāng)負(fù)載功率因數(shù) 0. 4 時(shí),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(nèi)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(diào)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(diào)壓器。若電機(jī)已無剩磁,則應(yīng)先充磁。充磁電流電機(jī)繞組額定電流。直流電源極性任意。若負(fù)載太重或負(fù)載功率因數(shù)太低,而使端電壓消失,可斷開負(fù)載,再重新投入減小后的負(fù)載,即可正常運(yùn)行。三相負(fù)載要盡量平衡。停機(jī)時(shí),應(yīng)先斷開電容器,再切斷負(fù)載,最后關(guān)閉原動機(jī)。2.4 異步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)研究從原理上來說，異步發(fā)電機(jī)和異步電動機(jī)僅僅是異步電機(jī)的兩種運(yùn)行狀態(tài)，異步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與異步電動機(jī)基本一樣，但也有其自身的特點(diǎn)。作為異步電動機(jī)運(yùn)行時(shí)電源電壓比定子繞組感應(yīng)電勢大得多，而作為異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，和兩者相近；另外，發(fā)電機(jī)的額定電壓比電動機(jī)的額定電壓大。如在我國三相四線

21、制低壓配電網(wǎng)中，三相異步電動機(jī)的額定電壓為380V，三相交流發(fā)電機(jī)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(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)與作為電動機(jī)運(yùn)行時(shí)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(jī)作為異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將使電機(jī)飽和程度大大增加，造成勵(lì)磁電流大增，若發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行則從電網(wǎng)吸收過大的無功功率，加大電網(wǎng)無功負(fù)擔(dān)，若單機(jī)運(yùn)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(shí)由于鐵耗的增加，電機(jī)溫升上升，將縮短其使用壽命。在山區(qū)農(nóng)村，由于人口少，居住分散，負(fù)荷密度小，為了降低成本，往往采用單相電網(wǎng)供電，這時(shí)就需要單相異步發(fā)電機(jī)。由于在副繞組中串接有電容器，單相異步發(fā)電

22、機(jī)與同容量的三相同步發(fā)電機(jī)相比，其效率和功率因數(shù)都比較高，用銅量也少。因單相電源無相序制約，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)操作特別簡單。設(shè)計(jì)單相異步發(fā)電機(jī)時(shí)，需要考慮電機(jī)的性能指標(biāo)如效率、功率因數(shù)、有效材料利用率等等，但這些指標(biāo)都和繞組形式的選擇有著密切關(guān)系?？梢赃m當(dāng)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(jī)的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。在繞組形式的選擇上，應(yīng)使功率因數(shù)接近于1，每千瓦輸出功率所配置的勵(lì)磁電容器的千法數(shù)盡量小。為了減小異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)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(dāng)增

23、加鐵心長度，雖然這會使銅、鐵用量增加而導(dǎo)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(jì)算手段的落后，異步電機(jī)計(jì)算程序均是以簡化的等值電路為基礎(chǔ)導(dǎo)出有關(guān)公式，而當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)已普遍應(yīng)用，完全可以使用以準(zhǔn)確的等值電路為基礎(chǔ)編制的程序。有關(guān)三相及單相異步發(fā)電機(jī)計(jì)算程序的詳細(xì)介紹可查閱參考文獻(xiàn)。2.5 利用三相異步電動機(jī)改制異步發(fā)電機(jī)2.5.1 電容器的選擇與計(jì)算利用三相異步電動機(jī)改制異步發(fā)電機(jī)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(yīng)急電源，或者是作為偏遠(yuǎn)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(lì)異

24、步發(fā)電機(jī)的電容大小要選擇適當(dāng)。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(jī)和用電設(shè)備；若電容偏小，則空載電壓偏低，不能適應(yīng)供電要求。異步發(fā)電機(jī)空載時(shí)建立額定電壓所需電容稱為主電容，可按照下面的方法計(jì)算。為了使異步發(fā)電機(jī)的空載電壓等于額定電壓，必須使電容電流等于電機(jī)在額定電壓下的勵(lì)磁電流。當(dāng)電容器接成 時(shí)，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(shí)的每相電容量，。當(dāng)電容器采用 接法時(shí)，三相所需的總電容量C為： （2-4）當(dāng)電容器接成Y時(shí)，每相電容的容抗為： （2-5）由于電動機(jī)的空載

25、勵(lì)磁電流難以得到，在計(jì)算電容量時(shí)采用了空載電流。來代替空載勵(lì)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(shí)際工作電壓，在一般380V22OV三相四線制低壓配電系統(tǒng)中，當(dāng)電容器接成時(shí)。其額定電壓應(yīng)不低于45OV，當(dāng)電容器接成Y時(shí)，其額定電壓應(yīng)不低于25OV。自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，隨著負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)差率s將要增大。為了保持發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率不變，就必須相應(yīng)提高發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，否則負(fù)載增加后發(fā)電機(jī)的頻率f及端電壓均會下降，而端電壓的下降又會導(dǎo)致勵(lì)磁的電容電流減小，進(jìn)一步使端電壓下降。因此，自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)負(fù)載增大時(shí)端電壓下降得很快。若負(fù)載為電感性負(fù)載(變壓器、異步電動機(jī)等)，則端

26、電壓下降比電阻性要嚴(yán)重得多。這是因負(fù)載中的感性電流將抵消勵(lì)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(fù)載增加的同時(shí)增大電容量。增加的這部分電容器稱為輔助電容器。當(dāng)負(fù)載為純電阻(如電爐、電熾燈)時(shí)，負(fù)載功率因數(shù)為1，發(fā)電機(jī)達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)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(dāng)負(fù)載為電感性時(shí)，負(fù)載功率因數(shù)小于1，這時(shí)負(fù)載無功功率為：式中；負(fù)載無功功率，kV；發(fā)電機(jī)額定容量，kVA；負(fù)載功率因數(shù)角。補(bǔ)償這部分無功功率所需要增加的輔助電容為： 接法時(shí)， （2-6）Y接法時(shí)， （2-7）因此在額定負(fù)載情況下，需增加的輔助電容為：自勵(lì)異步發(fā)電

27、機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)三相總的電容為：由以上分析可知自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)在負(fù)載變化時(shí)，如果沒有自動勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置，其端電壓和頻率的變化是很難避免的。投入負(fù)載時(shí)，要同時(shí)增加相應(yīng)的輔助電容；切除負(fù)載時(shí)，應(yīng)同時(shí)切除相應(yīng)的輔助電容，以防運(yùn)行中電壓過高，損壞電容器和其它用電設(shè)備。如果負(fù)載為異步電動機(jī)，則其容量不應(yīng)超過異步發(fā)電機(jī)容量的10%，電動機(jī)負(fù)載的總?cè)萘坎粦?yīng)超過發(fā)電機(jī)容量的25%。如果在運(yùn)行中突然發(fā)生端電壓消失，可以立即切斷負(fù)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(fù)載。作為改制實(shí)例，下面給出利用一臺小型三相異步電動機(jī)改為三相異步發(fā)電機(jī)時(shí)的計(jì)算值和實(shí)測值。該動機(jī)的型號為JO2324，額定電壓380V，

28、額定頻率50Hz，額定電流6.31A。空載電流2.70A，額定轉(zhuǎn)速1430rmin，效率83.5%，功率因數(shù)0.84，接法 ，具體數(shù)據(jù)見表2-1。表2-1 三相異步電動機(jī)改為三相異步發(fā)電機(jī)時(shí)的計(jì)算值和實(shí)測值運(yùn)行方式數(shù)據(jù)性質(zhì)線電壓V線電流A輸出功率KW頻率Hz發(fā)電機(jī)功率因數(shù)轉(zhuǎn)速rmin負(fù)載功率因數(shù) 接每相電容量 F并網(wǎng)運(yùn)行計(jì)算值4004.82.20500.661552實(shí)測值4005.02.16500.661517單機(jī)運(yùn)行感性負(fù)載計(jì)算值4004.82.20500.6615520.80027.5實(shí)測值4004.92.1649.90.6515460.80527.3單機(jī)運(yùn)行電阻性負(fù)載計(jì)算值4004.82

29、.20500.6615521.00016.5實(shí)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(jī)起動并達(dá)到額定輸出電壓所需的電容器量，當(dāng)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(fù)電容器組的連接 副電容器組是為了保持發(fā)電機(jī)帶上負(fù)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(fù)荷情況分成幾個(gè)單元，有幾個(gè)閘刀開關(guān)分別控制，電壓降低時(shí)，依次投入使用；隨著電壓的升高斷開。當(dāng)三相的副電容量總值確定后，若僅一個(gè)單元，每相的副電容量為1/3；若分兩個(gè)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(xiàng)（1）改制后的發(fā)電機(jī)所配用的動力機(jī)（如柴油機(jī)、水輪機(jī)等）輸入功率要足夠，轉(zhuǎn)速不能過低，否則發(fā)電機(jī)不發(fā)電。（2）當(dāng)異步發(fā)電機(jī)剩磁消失時(shí)，如附近有電源，可直接將發(fā)電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)時(shí)，待發(fā)電機(jī)的空載電壓達(dá)到額定值后，方可加負(fù)載，否則輸出電壓很難建立。停機(jī)時(shí)，應(yīng)先降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)卸掉負(fù)荷和電容器。（4）有時(shí)轉(zhuǎn)子剩磁微弱，電壓難以建立時(shí)，也可提高動力機(jī)的轉(zhuǎn)速或投入更多的電容器。當(dāng)用電器對頻率的質(zhì)量要求不高時(shí)，也可以用提高轉(zhuǎn)速來穩(wěn)壓。（5）因輸出電壓隨負(fù)

31、載的變動有較大的變化，因此，這種發(fā)電機(jī)最 好不要擔(dān)負(fù)較多的電感負(fù)載，這樣可減少所需的副電容量。2.6 小型異步發(fā)電機(jī)典型應(yīng)用2.6.1 高精度校表電源在電機(jī)試驗(yàn)中，根據(jù)GB103285三相異步電動機(jī)實(shí)驗(yàn)方法對試驗(yàn)電源的規(guī)定，試驗(yàn)電源的電壓波形正弦性畸變率應(yīng)不超過5%；在進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)應(yīng)不超過2.5%。在儀表校驗(yàn)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(jìn)行校驗(yàn)。然而，目前國內(nèi)各電機(jī)制造廠試驗(yàn)用電源發(fā)電機(jī)組，其波形畸變率大多數(shù)都超過了上述要求。雖然TY型隱極式同步發(fā)電機(jī)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(yīng)，不僅交貨周期長，

32、而且價(jià)格太高，電機(jī)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(jī)作為試驗(yàn)室電源進(jìn)行電機(jī)試驗(yàn)。校驗(yàn)電表，電磁測量和絕緣介電強(qiáng)度試驗(yàn)等。異步發(fā)電機(jī)一般都具有非常良好的電壓波形，因?yàn)楫惒桨l(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子都采用分布繞組。同時(shí)定轉(zhuǎn)子都是半閉口槽，且氣隙均勻，具有結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生優(yōu)良波形的特點(diǎn)。據(jù)對小型異步發(fā)電機(jī)的波形進(jìn)行測定，其波形畸變率都很小，指標(biāo)一般都優(yōu)于TY型隱極式同步發(fā)電機(jī)波形畸變率指標(biāo)，具體數(shù)據(jù)見表2-2：表2-2 異步發(fā)電機(jī)的電壓波形畸變率實(shí)測值容量KW極數(shù)每極每相槽數(shù)繞組節(jié)距關(guān)聯(lián)支路數(shù)定子槽數(shù)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(jī)外，有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，異步發(fā)電機(jī)還具有不平衡負(fù)載能力強(qiáng)，或者說帶單相負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)楫惒桨l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條均勻分布在整個(gè)轉(zhuǎn)子上，實(shí)際上就是非常好的阻尼繞組，所以帶不平衡負(fù)載的能力強(qiáng)。下面以功率表的校驗(yàn)為例為加以說明，具體接線參考圖2-4。 圖2-4 功率表校驗(yàn)接線圖（1）電壓調(diào)節(jié)因?yàn)樾ｒ?yàn)功率表電壓檔時(shí)電壓需從零位非常均勻地調(diào)節(jié)到滿壓若通過改變勵(lì)磁電容大小來調(diào)節(jié)電壓則無法實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，且勵(lì)磁電容小于臨界值時(shí)發(fā)電機(jī)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(diào)電壓

34、，或者采用小容量三相調(diào)壓器來得到可調(diào)電壓。（2）電流調(diào)節(jié)因?yàn)楣β时黼娏鳈n的內(nèi)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(jī)具有較強(qiáng)的單相負(fù)載能力，可在電動機(jī)三相繞組中接近中點(diǎn)處引出一個(gè)極相組的感應(yīng)電壓，這樣就形成了以原中性點(diǎn)為中點(diǎn)的Y形接法的低壓電流發(fā)電機(jī)的引出線。（3）移相當(dāng)校驗(yàn)功率表時(shí)，電壓、電流之間的相位角須在120電角度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)?？稍陔妷撼鼍€端外接三相或單相移相器。當(dāng)改變移相器轉(zhuǎn)子的位置即可達(dá)到移相的目的。移相器實(shí)際上就是一臺繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)。它具有良好的電壓波形，移相后的電壓波形略有損失實(shí)測數(shù)據(jù)見表2。若無合適的移相器則可用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)代替，最好是選用兩極電機(jī)，在電機(jī)

35、軸伸端安裝蝸輪，在調(diào)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(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，又可以連續(xù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子位置以實(shí)現(xiàn)移相之目的。2.6.2 把直流發(fā)電機(jī)的能量回饋到電網(wǎng)在進(jìn)行直流發(fā)電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，如果發(fā)電機(jī)的負(fù)載輸出功率超過5kW，則由電阻等負(fù)載消耗掉，很不經(jīng)濟(jì)，這時(shí)可采用異步發(fā)電機(jī)將其能量回饋到電網(wǎng)具體接線可參考圖2-5。首先接通開關(guān)K1，使三相異步電動機(jī)M 投入運(yùn)行，然后調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)G1的勵(lì)磁電流，使其輸出電壓高于被試直流發(fā)電機(jī)G2的最大輸出電壓，這時(shí)G1處于空載運(yùn)行狀態(tài)。最后接通開關(guān)K2使直流電動機(jī)M (又稱測功機(jī))拖動被試直流發(fā)電機(jī)G2運(yùn)行，此時(shí)調(diào)節(jié)G2的勵(lì)磁電流使其輸出電壓到需要的數(shù)值，

36、再減G1的勵(lì)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(shù)，就表明直流發(fā)電機(jī)G1已變成電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，而三相異步電動機(jī)M 已變成發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。試驗(yàn)過程中要反復(fù)調(diào)節(jié)G1與G2的勵(lì)磁，使G2運(yùn)行在需要的工作點(diǎn)上。在實(shí)際操作中，如果沒有合適的整流管D，也可以用開關(guān)來代替，只是要特別注意，只有當(dāng)電壓表V2與V1的讀數(shù)相等時(shí)方可接通開關(guān)，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(jī)把直流發(fā)電機(jī)的能量回饋到電網(wǎng)通過分析可知，由M 與G1組成的電動發(fā)電機(jī)組，不論是工作在異步電動機(jī)狀態(tài)還是直流發(fā)電機(jī)狀態(tài)，還是工作在直流電動機(jī)異步發(fā)電機(jī)狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)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(jī)配套用電力電容器數(shù)據(jù)異步發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(nèi)部裝有放電電阻，在斷電后一分鐘內(nèi)端子之間的電壓可降至50V以下。同時(shí)，電容器內(nèi)設(shè)有過壓力隔離裝置，一旦電容器出現(xiàn)故障，內(nèi)部產(chǎn)生的過壓力將使隔離裝置動作，從而自動切斷電源。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)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(shù)性能如下：（1）安裝運(yùn)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(shí)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(yùn)行。（5）允許在1.3倍額定電流下長期運(yùn)行。這是由于過電壓和高次諧波共同作用的結(jié)果。異步發(fā)電機(jī)配套用電力電容器分為BSMJ；(干式)和BZMJ (油浸式)兩大系列。各個(gè)規(guī)格的技術(shù)數(shù)據(jù)見表2-3。注意表中規(guī)格欄內(nèi)尾數(shù)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(shù)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(shù)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(jī)的研究3.1 三相異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理研究在風(fēng)能開發(fā)利用中，變速發(fā)電是一個(gè)

39、關(guān)鍵性問題，解決好了可以大大地提高效率。同步發(fā)電機(jī)要用于變速發(fā)電，就必須采用變頻器，或改變?nèi)~片槳距的方法控制原動機(jī)轉(zhuǎn)速，這就增加了成本和維護(hù)難度。異步發(fā)電機(jī)無需直流勵(lì)磁，具有結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固可靠，維護(hù)便利，并網(wǎng)容易，易于控制的優(yōu)點(diǎn)，可在一定的范圍內(nèi)直接用于變速發(fā)電。正是因?yàn)橛兄@么多的優(yōu)點(diǎn)，異步發(fā)電機(jī)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(jī)需從電網(wǎng)吸收無功功率，不采取措施就會影響電網(wǎng)，所以一般都要配備發(fā)出無功的設(shè)備。異步發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，還必須有電容來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自激，而且端電壓和頻率都會隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化，因此需要一套控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。這都增加了異步發(fā)電機(jī)運(yùn)作復(fù)雜性和設(shè)備成本，限制

40、了它的發(fā)展應(yīng)用。目前，隨著可控硅控制的靜態(tài)無功伏安源的進(jìn)一步發(fā)展，異步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用又開始熱起來。在研究節(jié)能電機(jī)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)三相電容式電動機(jī)很有特點(diǎn)。它與普通三相異步電動機(jī)相比，主要有三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：首先，由于副相串接有電容，它的功率因數(shù)很高，而且可通過調(diào)節(jié)電容來調(diào)整功率因數(shù)；其次，可以設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹鞲崩@組匝比和配置恰當(dāng)?shù)碾娙菔闺姍C(jī)在按額定運(yùn)行點(diǎn)平衡運(yùn)行，從而達(dá)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(dāng)?shù)钠饎与娙輥硖岣咂饎愚D(zhuǎn)矩。基于這些特點(diǎn)，如果將三相電容式異步電動機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行也應(yīng)具有同樣的性質(zhì)，因?yàn)殡妱訖C(jī)與發(fā)電機(jī)并沒有本質(zhì)的區(qū)別。所以我們要研究一下三相電容式異步發(fā)電機(jī)。3

41、.1.1三相電容式異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)三相異步發(fā)電機(jī)按其勵(lì)磁方式來分，可分為自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)和他勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)。三相電容式異步發(fā)電機(jī)屬于自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)。自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)由一個(gè)鼠籠式異步電動機(jī)和一組電容組構(gòu)成。如圖3-1所示：圖3-1 異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理三相電動機(jī)三相繞組接成星形，從尾端引出一根線作為發(fā)電機(jī)的中性線O，從三個(gè)首端分別引出三根線作為發(fā)電機(jī)的三根相線A、B、C，在兩根相線之間聯(lián)接適當(dāng)?shù)攘康碾娙萁MC。發(fā)電時(shí)，用原動機(jī)(柴油機(jī)或水輪機(jī))拖動電動機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值時(shí)，在三相繞組上感應(yīng)產(chǎn)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(shí)

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

43、動機(jī)轉(zhuǎn)子在制作的過程中總會受到磁化，帶有一定的磁場。這個(gè)磁場在轉(zhuǎn)子周圍空間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B按照正弦規(guī)律分布，空間某點(diǎn)的磁感強(qiáng)度可以表示為B=Bm sina式中Bm為磁感強(qiáng)度最大值，a為空間某點(diǎn)與中性面的夾角。當(dāng)轉(zhuǎn)子被原動機(jī)拖動在定子中旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角頻率為=2f時(shí)，(f為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的頻率，設(shè)為兩極電動機(jī))，則對應(yīng)時(shí)刻t，磁通可表示為：=sin （3-1）故在各繞組上都感應(yīng)有電動勢e?？杀硎緸椋篹= -N=Nsin(-) （3-2） =sin(-)N為繞組的匝數(shù)，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(yīng)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(jìn)人相繞組構(gòu)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(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)產(chǎn)生導(dǎo)體回路電流，回路電

45、流使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁場。因?yàn)殡娙蓦娏鞯南辔槐绕湎鄳?yīng)的端電壓超前，所以，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與原始定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的磁場同向，增大了產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的磁場，因此繞組的感應(yīng)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(dá)到額定值，異步發(fā)電機(jī)就發(fā)出電來。從以上分析知道，要使異步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生所需要的電動勢，必須有足夠強(qiáng)度的轉(zhuǎn)子磁極，而要有足夠強(qiáng)度的轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)證明，要使發(fā)電機(jī)的空載電壓達(dá)到額定值、電容電流(勵(lì)磁電流)等于電動機(jī)的空載電流，如電容器組為三角形聯(lián)接時(shí)，如圖1所示，則

46、所需的總電容量C按下式計(jì)算。C=F （3-12）式中I。為電動機(jī)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(jī)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(yīng)是線電壓的最大值。但實(shí)驗(yàn)證明，如額定電壓為380V，電容器耐壓值達(dá)到400V時(shí)，即可正常發(fā)電。如電容器的耐壓值不到400V，應(yīng)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(jī)電容器的選擇自勵(lì)三相異步發(fā)電機(jī)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(jī)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(fù)載端接輔助電容器。主電容器為三相異步發(fā)電機(jī)工作提供空載勵(lì)磁電流，而輔助電容則用于供給增加負(fù)載時(shí)所需的勵(lì)磁電流，補(bǔ)償負(fù)載所引起的壓降，使發(fā)電機(jī)電壓保持穩(wěn)定，輔助電容器電容I可調(diào)節(jié)。發(fā)電機(jī)要有良好的運(yùn)行特性，合理選擇電容器是關(guān)鍵，這里就選擇電容器的實(shí)用方法介紹如下。 1. 空載時(shí)電容量（即主電容量）的近似計(jì)算為了減少發(fā)電機(jī)激磁用電容量，在三相發(fā)電機(jī)中，一般將電容器接成三角形，這種接線需要三組電容器，當(dāng)空載額定電壓時(shí)，每相電容器(即主電容器)的電容備可按下式計(jì)算。 C= f （3-13）式中 發(fā)電機(jī)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(jī)的額定電壓時(shí)的空載線電流，可取電動機(jī)額定電流的30，即=0.3。形聯(lián)接空載時(shí)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(shí)三相所需總電容量： =4.35 f （3-15）2. 負(fù)載時(shí)電容量的近似計(jì)算（1）電阻負(fù)載 發(fā)電機(jī)帶電阻負(fù)載時(shí)所需容性電流為克服本身的無功分量= （3-16）式中 -額定負(fù)載電流； cos-異步電機(jī)額定功率因數(shù)；帶電阻負(fù)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(fù)載帶動力負(fù)載需要增加容

49、性電流以補(bǔ)償負(fù)載的無功部分，滿載時(shí)所需增加的無功容量為： Q=電動機(jī)容量 kVar （3-19）式中cos-負(fù)載功率因數(shù)。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(jù)。發(fā)電機(jī)滿載時(shí)的總電容量為： =+ f （3-21）(3) 電容器電壓大小選擇考慮到負(fù)載突然切除時(shí)，主電容上所受到的脈沖電壓有時(shí)會比電機(jī)端電壓大1-2倍，故主電容器的額定電壓，應(yīng)不低于異步發(fā)電機(jī)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(jī)端電壓的1.1倍。3. 應(yīng)注意的幾個(gè)問題電容器電容量選擇應(yīng)適當(dāng)，選得太小發(fā)電機(jī)電壓達(dá)不到要求值.電壓調(diào)節(jié)范圍較小甚至發(fā)生電壓崩潰，選得太大

50、易產(chǎn)生過電壓，且成本高。三相異步發(fā)電機(jī)主要適用于照明負(fù)載，供給動力負(fù)載只能是少量的，一般動力負(fù)載容量應(yīng)在發(fā)電機(jī)額定容量25%以下，且負(fù)載的單機(jī)容量不大于發(fā)電機(jī)容t的10，否則應(yīng)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(yīng)裝設(shè)轉(zhuǎn)換開關(guān)，以便調(diào)節(jié)容量，主電容器可以是固定式的。在為動力負(fù)載供電時(shí)，考慮到其中的電動機(jī)負(fù)載起動時(shí)電流很大.導(dǎo)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(yīng)適當(dāng)增加。3.2 異步發(fā)電機(jī)的特性異步發(fā)電機(jī)有兩種運(yùn)行方式：與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行方式和單獨(dú)運(yùn)行。在與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行方式中，異步發(fā)電機(jī)一方面向電網(wǎng)輸出有功功率，另一方面又必須從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率（或向電網(wǎng)

51、輸出超前的無功功率），以供勵(lì)磁及定、轉(zhuǎn)子漏磁所消耗無功功率的需要；在單獨(dú)運(yùn)行方式中，異步發(fā)電機(jī)所需感性勵(lì)磁電流必須從負(fù)載中獲取。為此，一方面轉(zhuǎn)子磁路系統(tǒng)必須有一定的剩磁，另一方面發(fā)電機(jī)端點(diǎn)一定要并聯(lián)一組對稱的勵(lì)磁電容器。水力發(fā)電用異步發(fā)電機(jī)多為與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，故只討論與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的情況。3.2.1 運(yùn)行特性圖3-3 為異步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性向量圖。 圖3-3 發(fā)電機(jī)向量圖發(fā)電機(jī)工作點(diǎn) 端電壓發(fā)電機(jī)電樞電流異步發(fā)電機(jī)空載電流異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流發(fā)電機(jī)功率因數(shù)角同步電抗勢直軸同步電抗角標(biāo)：s同步發(fā)電機(jī) a異步發(fā)電機(jī)在同步發(fā)電機(jī)中，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流（），電機(jī)可以在滯后功率下運(yùn)行，也可超前運(yùn)

52、行。而在異步發(fā)電機(jī)中，工作點(diǎn)只能沿圖3-3所示的圓周上運(yùn)行，故功率因數(shù)總是超前的，且功率因數(shù)隨發(fā)電機(jī)負(fù)荷率的變化而變化。圖3-4 為發(fā)電機(jī)出力特性曲線。從圖a可以看出，同步發(fā)電機(jī)的出力決定于內(nèi)部相角差，在不考慮凸極的影響，時(shí)出力最大，且最大出力與端電壓成正比。若負(fù)載超過發(fā)電機(jī)最大出力，則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象。從圖b可以看出，異步發(fā)電機(jī)的最大出力與旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，通常在轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速的3%5%時(shí)出力最大。而且發(fā)電機(jī)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(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的影響很大。但在實(shí)際運(yùn)用中，由于異步發(fā)電機(jī)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(jī)參數(shù)決定了它的運(yùn)行性能。每一

53、個(gè)運(yùn)行點(diǎn)有固定的功率因數(shù)和效率，因此，為獲得最大功率因數(shù)和最大效率，設(shè)計(jì)時(shí)選擇參數(shù)是十分重要的。3.2.2異步發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的改善和自勵(lì)現(xiàn)象如圖3-5所示，異步發(fā)電機(jī)的視在功率由有功功率和無功功率合成。功率因數(shù)： （3-22）無功功率與勵(lì)磁電流成正比，而勵(lì)磁電流大致決定于定、轉(zhuǎn)子鐵芯間的氣勢磁勢。在相同容量下，低速機(jī)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(jī)的較小。有功功率，KW無功功率，KVar視在功率，KVA功率因數(shù)角改善功率因數(shù)用電容器容量，KVar 改善功率因數(shù)后視功率，KVA 改善功率因數(shù)后功率因數(shù)角圖3-5 用電容器改善功率因數(shù)為了提高異步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)，通常采用發(fā)電機(jī)并聯(lián)電容器以補(bǔ)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(jī)的無功功率由降低到（=-，為電容器的容量），從系統(tǒng)看，