異步機發(fā)電的原理與判據(jù)

1、異步機發(fā)電的原理與判據(jù)的研究摘要 傳統(tǒng)電機理論以轉差率的正負為異步機運行狀態(tài)的判據(jù)，缺乏科學的證明并 與實踐不符。判別異步機運行狀態(tài)的參照標志是理想轉速，電動狀態(tài)的判據(jù)為n<n。；發(fā)電狀態(tài)的判據(jù)那么為 n>n0。異步發(fā)電機調速的目的是為了滿足 n>no發(fā)電判據(jù)的需要，主要適用于轉速變 化的風力發(fā)電等場合。功率因數(shù)是異步發(fā)電所面臨的重要問題，有效的解決方法是轉子激磁補償， 為此，電機宜為繞線型，調速控制應該具有對轉子無功補償?shù)墓δ堋ｊP鍵詞異步發(fā)電 判據(jù) 理想轉速 調速 功率因數(shù)、尸 、-前言化石能源資源日趨減少且不可再生，使得以煤、石油等為資源的火力發(fā)電面 臨難以持續(xù)開展的困難

2、局面， 為了滿足不斷增長的電能需要， 風力發(fā)電已被提到 重要議程，同時正在蓬勃開展。如果僅從技術性能角度出發(fā)，交流發(fā)電當首選同步發(fā)電機，理由是同步發(fā)電 機具有效率高， 激磁功率小， 發(fā)電不僅有功， 而且兼有無功等一系列優(yōu)點。 但是， 同步發(fā)電要求轉速必須穩(wěn)定， 顯然，這對于轉速變化無常的風力發(fā)電來講是無法 實現(xiàn)的。于是異步發(fā)電就應運而生，但是，異步發(fā)電原理如何科學地詮釋？以及怎樣 克服異步發(fā)電存在的技術缺陷？對于這些重大理論和技術問題，作者研究發(fā)現(xiàn)， 傳統(tǒng)的電機理論不僅無法給出科學、準確的答案，而且有關結論與事實不符。為了促進風力異步發(fā)電技術的開展，本文針對傳統(tǒng)電機理論存在的問題，主 要利用作

3、者前曾提出的交流調速 P 理論文獻 1，對異步機發(fā)電運行原理進行 了分析和研究，并且得出新的結論。其中，新建立的異步機發(fā)電狀態(tài)的判據(jù)，對 異步機發(fā)電運行原理給予了全新的解讀， 同時，也指明了異步發(fā)電機的技術路線和開展方向，希望能夠引起業(yè)界的關注和討論1. 問題的提出異步機感應電機是異步電動機和異步發(fā)電機的統(tǒng)稱， 根據(jù)電機可逆原理， 一臺異步機既可作為電動機，亦可作為發(fā)電機，電機究竟運行在何種狀態(tài)，本質 的判據(jù)是能量轉換方向，即，如果是電一一機轉換，那么為電動狀態(tài)；如果是機一 電轉換，那么為發(fā)電狀態(tài)。但問題是如何判斷電機的能量轉換方向呢？這就需要 根據(jù)具體的電機原理，尋找出區(qū)分電機工作狀態(tài)的標志

4、性物理量， 并通過該標志 性物理量的界定，最終確定電機的工作狀態(tài)，于是，這個標志性物理量及其界定 便成為電機運行狀態(tài)的判據(jù)。顯然，作為根底理論，電機運行狀態(tài)的判據(jù)必須是 科學、嚴謹?shù)模衲敲?，將對異步發(fā)電技術產(chǎn)生誤導。對于異步機運行狀態(tài)的判別，傳統(tǒng)電機學選擇轉差率定義為s 比丨為ni標志，并以轉差率的正負作為判據(jù)，其主要觀點為：“按照轉差率的大小和正負， 異步機可分為電動機和發(fā)電機及電磁制動三種狀態(tài)。在轉差率1> s >0，即Ovnvn的范圍內(nèi)，此時電機處于電動機狀態(tài)。假設使轉子轉速高于旋轉磁場速度， 即n>ni,此時s<0,電機就處于發(fā)電機狀態(tài)文獻 2。以上觀點可歸結

5、為：當s>0或n<ni時，異步機為電動狀態(tài)；當s<0或n>ni時，異步機為發(fā)電狀態(tài)。此即為傳統(tǒng)電機理論的異步機運行狀態(tài)判據(jù)。然而，上述的經(jīng)典理論卻在異步機雙饋調速的超同步狀態(tài)時發(fā)生了例外。業(yè) 界悉知，當雙饋調速超同步運行時，轉速高于同步轉速，即n>ni，s<0,如果按照傳統(tǒng)的判據(jù)，異步機應該運行在發(fā)電狀態(tài)，但事實卻是運行在電動狀態(tài)。對此， 傳統(tǒng)的異步機狀態(tài)判據(jù)無法給出圓滿的解答?？茖W的理論應該是理想、普適的，理論的科學性不允許有任何違背理論的例 外發(fā)生。因此，雖然僅舉出傳統(tǒng)判據(jù)的一例失誤，就足以證明傳統(tǒng)判據(jù)的科學性 值得商榷。2. 異步發(fā)電機的功率轉換原理與

6、判據(jù)I異步發(fā)電機的根本原理異步機的典型特征是電磁感應，即定子和轉子的電磁功率是通過旋轉磁場的感應作用傳輸?shù)模虼水惒綑C有旋轉的變壓器之稱，其物理模型如圖1所示。異步發(fā)電機雖然和異步電動機的能量轉換方向相反，但定、轉子的電磁感應及其電磁功率的傳輸原理并未改變。 異步機發(fā)電運行時，首先，轉子在主磁通的 作用下，將機械功率PM轉化為電磁功率Pem，其間須扣除轉子損耗P2。與此同 時，轉子將電磁功率通過電磁感應傳輸給定子，扣除定子損耗 P1后，將功率輸 入電網(wǎng)。異步發(fā)電機的轉子和定子功率平衡方程可分別表為Pem PM p2 1Pl Rm Pl 2需要注意的是，和異步電動機一樣，轉子的電磁功率無法直接觀

7、測，而只能在定 子間接地表達，并表為Pem m E1I1 COS 1 3這是由于轉子電磁功率為機械功率所平衡之故。當電機處于發(fā)電狀態(tài)時，定子的電壓平衡方程為? ? ?E1 -U1 1. jxj 4式中的E1為定子繞組的感應電勢，且 E1>U1，于是定子將電磁功率饋入電網(wǎng)， 異步機實現(xiàn)發(fā)電運行。另外，異步機定、轉子能量交換的前提是兩者的旋轉磁場同步，根據(jù)電機學原理，無論異步機的轉速上下、正負，轉子的旋轉磁場轉速恒為n n2 m 5即轉子與定子的磁場轉速是恒等的，兩者始終保持同步，因此，異步機的定、轉 子能量交換永遠是暢通的，不存在轉子頻率變化而導致的不同步問題。2異步發(fā)電機的理想轉速電機穩(wěn)

8、定運行時，原動機的驅動轉矩 Tm與發(fā)電機的電磁轉矩T相平衡，即Tm T 6結合式1有PMp2t t t由于功率與轉矩之比為角速度，故有PemT(8)PM(9)(10)式中的 為角速度；為角速度降；0那么為理想角速度。異步發(fā)電機的角速度方程表為011換算為轉速的形式，那么有60pmn-(12)112 T60 p2 n2 T(13)-60 Pem n°2 T(14)發(fā)電機的轉速方程為n n0n(15)上式中的no定義為發(fā)電機的理想轉速亦稱理想空載轉速，其物理意義為：在假定的無損耗狀態(tài)下即 P2=0，全部機械功率都轉化為電磁功率時，發(fā)電機 所需要提供的最低轉速。由于事實上必然存在損耗，理想

9、狀態(tài)無法實現(xiàn)，所以 原動機提供的轉速必須高于理想轉速，轉速方程15對此給予了完整表達。將式15和異步電動機的轉速表達式n no n比照可以發(fā)現(xiàn)，對于電動 機，理想轉速是最高的極限速度與同步轉速無關，而對于發(fā)電機，理想轉速 那么是最低的極限速度，由此可見， 理想轉速no是電動機和發(fā)電機的臨界點，也 是區(qū)分電動狀態(tài)與發(fā)電狀態(tài)的唯一標志。另外， no既可以從電動角度觀察，也 可以從發(fā)電角度觀察，兩種觀察的結果是一致的。對于自然運行的異步機，可以通過式14的進一步推導過程從略，證明 理想轉速與同步轉速數(shù)值相等，即n0 n1。但應注意，這種相等僅僅是數(shù)值的， 且僅限于自然運行，不能掩蓋兩者物理意義的區(qū)別

10、。方程14同時給出了改變理想轉速的方法，鑒于電磁轉矩是由發(fā)電負載所 決定，不能人為地改變，因此調節(jié)no只能通過控制電磁功率Pem才能實現(xiàn)，這一 結論對于異步機調速是極為重要的。需要指出，n>no只是定性的判據(jù)，要使異步發(fā)電機穩(wěn)定運行，必須使n和no同在一條機械特性曲線上，且 n位于第U象限如圖3，此時，由于特性曲線 較硬，兩者的誤差實際很小。綜合上述，異步機的理想轉速no是十分重要的物理量，且與同步轉速ni有本 質的區(qū)別。前者是機械運動，后者那么是非機械的電磁運動，影響電機轉速的是運 動屬性相同的no,同步轉速那么和轉速沒有本質的聯(lián)系。 傳統(tǒng)的異步機理論中并沒 有建立no的概念，片面強調

11、同步轉速和轉差率，這是造成理論失誤的根本原因。3異步機狀態(tài)判據(jù)從本質上看，異步機發(fā)電狀態(tài)的功率判據(jù)應為 PM > Pem,根據(jù)力學理論，機 械功率表達為2Pm TTn 166o而電磁功率那么從機械角度觀察可表達為2Pem T oTn° 176o將以上兩式帶入功率判據(jù)Pm > Pem，便可得到轉速判據(jù)n > no 18即，發(fā)電狀態(tài)的標志是電機轉速 n必須大于理想轉速no。這和經(jīng)典理論的判據(jù) n>n1顯然不同。發(fā)電判據(jù)不等式18具有重要的工程指導意義，它說明，當異步發(fā)電機的 轉速變化且不恒定時例如風力發(fā)電，應該調節(jié)理想轉速no,使之跟蹤變化的 轉速，滿足n >

12、; no判據(jù)。至于同步轉速以及轉差率，異步機的發(fā)電與其沒有直 接、必然的關系。3. 異步機發(fā)電的調速異步發(fā)電機調速的提出，主要是為了滿足 n>no發(fā)電判據(jù)的需要。當原動機轉 速變化時一一例如風力發(fā)電，要保證異步機運行于發(fā)電狀態(tài)，必須通過平滑的調 速來改變理想轉速。前已敘及，理想轉速是電動和發(fā)電的狀態(tài)臨界點，無論從哪個角度分析，其 結果是一致的。由于電動機更為普及，因此對發(fā)電調速改變理想轉速的分析 以電動為出發(fā)點，于是就和異步電動機調速相統(tǒng)一了。關于異步機調速原理，文獻2給予了新的詮釋，并給出了新的公式，為方便 閱讀，現(xiàn)摘要如下：電動機調速源于力學原理，其實質是對機械功率 Pm的控制；異步

13、機調速最終歸結于轉子的功率控制， 根據(jù)Pm P P2，電氣的調速原理分為電磁功率Pem控制和損耗功率P2控制，前者是通過電磁功率 控制來改變理想空載轉速no而非同步轉速ni，屬于高效率的調速;后者是通過增大損耗功率來增大轉速降 n,屬于低效率的調速;對于異步機，電磁功率調速的控制對象可以選擇定子或轉子， 兩者具有根本相同的調速性能。改變理想轉速的公式對于轉子i920E2n0 Ce2 m對于定子EiUin° c c ei mei m式中的E2 轉子的合電勢；Ce2 轉子電勢系數(shù),Ce2、2 N2kr2p主磁通量調速變流控制裝置是變速的異步機發(fā)電系統(tǒng)的重要組成局部，異步發(fā)電機的調速便可根

14、據(jù)情況選擇定子控制或轉子控制。即有1) 定子控制的調速：即按式 20，采取變壓變頻 VVVF 調速，多用于 鼠籠機。2) 轉子控制的調速：即按式 19，采取內(nèi)饋、雙饋調速，只限于繞線機。 其中，基于轉子的內(nèi)饋和雙饋調速，其變流控制該具有如下功能： 控制附加電源與轉子功率交換的方向和大小， 以實現(xiàn)理想轉速的低同 步和超同步無級調節(jié)； 協(xié)調轉子附加電源的頻率，以使兩者實現(xiàn)有功功率交換； 為轉子提供無功激磁功率，提高異步發(fā)電的功率因數(shù)。4. 無功補償問題 異步電機的顯著特點之一是定子激磁，為此，定子須從電網(wǎng)中吸收一定的感 性無功功率， 由于定轉子之間存在較大的氣隙， 電機的磁阻遠大于變壓器， 因此

15、異步電機的激磁無功較大，異步機發(fā)電運行時同樣如此。理想的交流發(fā)電機不僅能夠向電網(wǎng)提供有功電能，還應該提供容性的無功能 量，為此，雙饋異步發(fā)電機在實現(xiàn)有功發(fā)電的同時， 還要設法提高異步發(fā)電機的 功率因數(shù)，以減小定子的無功功率和電網(wǎng)的無功負擔。減小定子激磁無功的合理方法是轉子激磁，即通過向轉子提供一定的激磁電 流，使其產(chǎn)生助磁的激磁磁勢，由于異步電機的主磁通為定值即 m C ，故 激磁磁勢 Fm 亦為常量，即? ? ?F m F 1 F 2 C 21?由于只分析無功激磁，故可忽略 F1、F2 的有功分量，磁勢平衡可表為代數(shù)形式， 此時的定子磁勢為F 1m F m F 2m 22式中的 F1m 為定子激磁磁勢， F2m 為轉子激磁磁勢，兩者方向相同。故轉子激磁 可以使定子激磁磁勢和電流減小，定子的功率因數(shù)明顯提高。需要指出，如果轉子激磁所付出的無功和定子減小的無功相等，結果電機總 的激磁功率不變，那么轉子激磁就失去了意義。然而，按照電機學原理，對于一 定磁勢，轉子激磁所需的無功功率僅為定子激磁的 s轉差率倍，正常發(fā)電運 行時，s遠小于1因此轉子激磁可以用較小的無功功率補償較大的定子功率激 磁，具有事倍功半的效果。顯然，轉子激磁只能適用于繞線型異步機，