异步发电机介绍及应用

1、目录1 绪论 11.1 引言 21.2 异步发电机在水力发电中发展应用 41.3 本课题的提出及意义 52 小型异步发电机研究 72.1 异步发电机基本原理 72.2 自励异步发电机的工作原理 72.3 异步机发电的工作运行原理 92.4 异步发电机设计研究 112.5 利用三相异步电动机改制异步发电机 122.5.1 电容器的选择与计算 . 132.5.2 接线方法（如图） . 162.5.3 使用注意事项 . 172.6 小型异步发电机典型应用 182.6.1 高精度校表电源 . 182.6.2 把直流发电机的能量回馈到电网 . 202.7 异步发电机配套用电力电容器数据 223 水轮异步

2、发电机的研究 243.1 三相异步发电机结构原理研究 243.1.1 三相电容式异步发电机的结构 . 253.1.2 三步发电机的发电原理 253.1.3 三相异步发电机电容器的选择 . 293.2 异步发电机的特性 323.2.1 运行特性 . 323.2.2 异步发电机功率因数的改善和自励现象. 353.2.3 异步发电机电磁设计特点 . 383.3 过渡过程 403.3.1 并网时的冲击电流 . 403.3.2 三相短路电流 . 413.4 异步发电机结构 413.4.1 卧式异步发电机. 423.4.2. 立式异步发电机 434 异步发电机与同步发电机的比较 454.1 异步发电机主要

3、的优缺点 454.2 异步发电机与同步发电机在电站中应用的经济性比较 46474.3 异步发电机水力发电应用实例 . 5 结束语 50致谢 51参考文献 错误 ! 未定义书签。1 绪论1.1 引言在现代电力系统中，同步电动机一统天下。但是，在一些小型或微 型水电站 中，在偏远地区的独立移动电站和风力发电站中，异步发电机 （又名感应发电 机）也得到了普遍应用，特别是在独立移动电站中，实 心转子三相异步发电机具 有明显的优越性。一台异步电动机， 只要用原动机将其转子拖动到高于旋转磁场的转 速，就 可以作为发电机运行。其运行方式有并网运行和单机运行两种。异步发电机一般都采用三相电机，但是，在采用单相

4、电网供电的山 区农村， 单相异步发电机也得到了应用。由于在副绕组中串接有电容器， 单相异步发电机与同容量的三相同 步发电 机相比，其效率和功率因数都比较高，用铜量也少。因单相电源 无相序制约，并 网运行时操作特别简单。由于一般三相异步发电机运行 中要吸收约 30%额定功率 的无功功率，造成电网功率因数下降。为了解 决这一问题，人们借鉴 Wan lass 的设计思想，研制出了三相电容式异 步发电机。由于在副绕组中串接有电容器， 功率因数很高，而且可以通 过设计适当的主、副绕组匝比及选用合适的电容，达 到消除谐波、降低 损耗和提高效率的目的。为了进一步提高异步电机的可控性， 适应实际 工况中负载和

5、转速的动态变化， 人们研制出了带定子励磁补偿绕组的 双 绕组异步发电机，使用电力电子变流器来对发电机进行控制。按转子结构的不同， 异步发电机可分为鼠笼转子异步发电机和实心 转子异 步发电机。 按励磁方式可分为电容自励异步发电机和并网运行异 步发电机。利用煤炭、石油等常规资源发电的大电厂中 , 同步电机无疑优于异 步电 机。然而 , 近几年来 , 在许多国家 , 异步发电机的发电量却迅猛增长。 因为在利 用分散的变化无常的各种风力、水力发电时, 异步电机在很多 方面超过同步电机。例如 ,美国在西部地区中小型风力、水力电站星罗棋布 ,其中大部分都是用异步发电机。俄罗斯在 1994 年建成的 6.3

6、kV 、1MW 勺风力电站中也是采用的异步发电机。它允许风速变化范围为5?26m/s, 最高效率达 90.5% 。我国风力、水力资源丰富 , 在大电网难以覆盖到的偏远地区和广大 农村 , 利 用风力、水力为能源 ,首选异步电机发电的理由是 :(1) 异步电机比同步电机构造简单、价格便宜、经久耐用、维修方 便。(2) 异步发电机对原动机的要求低 ,既可恒速 ,也可变速运行 ,根本 没有同步 要求。因此 , 它适应于风力、水力作动力。(3) 异步发电机不需要同步发电机那样的复杂的励磁系统 , 连自动 调整系统 有时也可以省去。(4) 异步发电机在起动、运行、保护、并网等诸方面都比同步发电 机简单、

7、 方便 , 而且便于遥控。这在技术人员缺乏的边远地区和广大农村尤显重要。(5) 近年来 ,发电专用的各种风车、水车及变速涡轮机不断推陈出新 ,效率不断提高 , 而价格却在下落。与此同时 ,新型电力电容不断推向 市场。这些 , 都为 发展异步电机发电创造了有利条件。当然，可再生能源也有着很多的制约因素，主要表现在：(1) 通常情况下，可再生能源转化为电能的成本高于常规能源。(2) 现行的工商业体系有利于使用常规能源。 显然，这些制约因素会随着科 技进步和国家的政策改革而得到改善。在我国的能源构成中，虽然煤的储量最多，足够我们开采数百年， 但由于环 境问题，交通运输问题，到 2050 年，煤电开发

8、将达到极限， 而可再生能源将成 为重要的组成部分，且是最具潜力的。其中风能是一种很好的可再生能源， 近年来对它的研究引起了广泛 的兴 趣。其对环境的正面影响为：1. 减少向大气排放粉尘、 CO2、 NOr、SOr。2. 减少因开发一次能源如煤、石油、天然气所造成的环境问题。3. 没有水电所存在的如淤积、生物、移民、水质等问题。 既然风能等可再生能源有着如此多的优点， 那么他们的开发利用状 况又如何呢？ 除了最原始的 机械能利用外，大多数情况下，可再生能源用于发 电。但由于这些资源的特殊 性，其发电技术也有较大的差异。如风能， 它的强度通常是不定的，只有统计规 律，要想更好地获取它，最好使用 变

9、速发电。这就对发电设备提出了更高的要 求。根据风能的特点，目前 广泛使用异步发电机。1.2 异步发电机在水力发电中发展应用异步发电机原理于 1901 年由法国人 M.Mauyice Loblance 首次提 出，然 而当时与同步发电机相比其应用是极为有限的。 1917 年在美国太 平洋海岸由太 平洋电力公司装设了一台 1750KW 勺异步发电机； 1919 年 又安装了一台 425KWS 台 1000KW 勺异步发电机。在美国东海岸交通 局装设 了五台 7500KW2 周波余热透平驱动的异步发电机。到 20 世纪 50 年代前后异步 发电机在水电、热电站勺辅机发电、自备电站等场合都有 应用，同

10、时在欧洲也建 设了一批异步发电站。美国 Scotlendl 北方水电 局建设了由一台异步发电机装备 勺水电站，当电网负荷高峰时，该电站 运行于发电状态，在电压 11KW 50 周波 电机 303r/min 时发出 5000KW 额定功率，当电网负荷低谷时，电机作电动机运 行产生 6500 （约 4875KV V 轴功率驱动水泵将水从低水位提升到高水位。该电站是最早勺异步电机 装备勺抽水蓄能电站。20 世纪 50 年以后，随着电力系统容量勺扩大，用于水电站勺异步 发电机 逐渐向大功率方向发展，几千 KW 勺机组已经得到了广泛的应用。 例如，在新西 兰已有 50% 以上勺水电站安装了异步发电机，并

11、认为经济上合理的容量范围是75? 60000KV ；在英国，仅英格兰北部电力系统就 安装了 29 台容量为 ;30? 5000KW 的异步发电机；日本从 1959 年开始研 究异步发电机，目前已有容量范 围： 50HZ 勺 500? 5000KW 及 60HZ 勺 600? 6000KW 加拿大、前苏联等国 家也大量研究和使用了异步发电机。 世界范 围内已有上百家电机制造厂商同时 提供同步发电机和异步发电机供用 户选择。随着电力系统输电电压的提高，线路的增长，当线路的传输功率低 于自然 功率时，线路和电站将出现持续的工频过电压。为改善系统的运 行特性，不少技 术先进的国家，在 20 世纪 80

12、 年代初开始研究异步发电 机在大电力系统中的应 用问题，并认为大系统采用异步发电机后，可提 高系统的稳定性、可靠性和运行 的经济性。近 20 多年来，国外由于经济上可开发的大中型水利资源日益枯竭， 致使开 发中小型水利资源利用现有大坝（泄流、溢流、输水）装机发电 越来越受到重 视。另一方面，由于能源价格上涨，利用工业用水农业用 水工厂冷却水剩余压力 等发电的种种节能措施也日益受到关注。伴随中小型水利资源的开发，水力发电机用异步发电机 得到了较 广泛的应 用，有的公司已形成体系。我国中小型水力资源丰富，中小型水电站的开发遍地开花，发展异 步发电 机具有十分诱人的前景。 东方电机股份有限公司与重庆

13、大学合作 研制成目前国 内最大的 2500KV , 1600r/min , 6300V 异步水轮发电机， 并已顺利投运，为 我国异步发电机的发展积累了经验。1.3 本课题的提出及意义在农村或某些场合，经常停电。在急需用电而又没有发电机时，可 以利用 农村常用的鼠笼式异步电动机加接适当容量的电容， 改装成异步 发电机，解决 燃眉之急。此种异步发电机具有结构简单、一机多用、成 本低，改装、维修方便 等优点，具有实用价值。在解决能源危机和环境保护双重任务的背景之下， 可再生洁净能源 的开发 和利用引起世界各国的关注。 特别是风能和小水电的开发和利用 这几年更是掀起 了很大的热潮。本课题为“异步发电机

14、的研究”，将涉及单相和三相异步机的原理 及应用， 这对异步发电机的理论的丰富及实际应用方面具有一定的现实 意义。2 小型异步发电机研究2.1 异步发电机基本原理众所周知，电机运行是可逆的，异步电机既可作电动机运行，又可 作发电 机运行。一台鼠笼异步电机，当定子外加电压作电动机运行时，转速 n 总是低于气息旋转磁场的转速 ns,即 n v g ，这时电机中产生的 电磁转矩与转向相同。若电 机空载运行，并外加一个驱动转矩使转速等 于同步转速（即 n=ns）时，由于旋 转磁场与转子间没有相对运动，电 机的电磁功率为零 , 定子电流纯粹为激磁电流 , 定子从电网吸收的功率 用于克服定子铜耗和铁耗， 转

15、子上的驱动功率则用于克 服风耗和轴承损 耗。若继续增大驱动转矩，转子的转速将高于同步转速（ n ns），此 时转子导体切割旋转磁场的方向就与 n v ns 时相反，因而转子感应电势 的方向就 nv ns 与时相反，转子电流的有功分量随之反向。在电网电压不变的情况下，为了维护气隙主磁通的数值，转子电流有功量的反向。 于是，电机由电动 机过渡到发电机状态。2.2 自励异步发电机的工作原理用水轮机、柴油机或风力机等原动机拖动异步电动机，使其转子转 速 n 高 于旋转磁场的同步转速 ns 即使转差率 svO, 就变成异步发电机运 行了。这种单机 运行的异步发电机称为自励异步发电机。自励异步发电 机必须

16、在定子绕组的端点 上并接适当的电容器， 利用电容来供给异步发 电机的励磁电流，从而使异步发 电机建立起电压，并在气隙中产生旋转 磁场，如图 2-1 所示。图 2-1 自励异步发电机的基本电路 只要异步发电机的转子有剩磁存在，当原动机带动转子旋转后，转 子的剩磁 磁通 C s 就会切割定子绕组，并在定子绕组中感应出剩磁电势Es，如图 2-2 b 所示。Es 的相位落后于 $ 90。电势加在电容器 上,使定子绕组中 流过超前 Es90的电容电流 lco，Ic 0通过定子绕组 产生的磁势和剩磁磁通 $ s方向相 同，使电机中的磁通增大。由图 2-2 a 可见，这时定子磁势增大到 Ei，电势 Ei 又

17、 使电容电流增加到 lei，Ici 再 使定子电势增大到 E2，如此反复励磁，直到发电机的 端电压上升到空 载稳定值 Uo。这时电容电流也增加到稳定值 Io，即发电机的工作 点就 在电机空载特性曲线 1 和电容线 2 的交点上。稳态电压的大小取决于电 容值 的大小以及发电机的空载转速。如果电容器的电容量增大，也就是容抗 X。=1/ (2fc)减小，则电容线的斜率就变小，如图 2-2 a)中曲 线 3所示。因此稳态电压就增 大。假如原动机带动转子的转速增加，图2-2 a) 中曲线 1 就会上移，也会使稳态电压值升高，同时，发电机的输出电压频率将随之增大。如果电容量低于一定值，则电容线将不参与磁

18、化曲线相交，电压 也就无法建立。这一点是与普通发电机不一样的，它 只能在一定电压范围内使 用，低于某一电压值就不能使用。曲线 1异步发电机的空载特性曲线曲线 2电容为 &时的端电压与电容电流的关系曲线 也称为电容线曲线 3电容为 C2 且 C2 C1时的端电压与电容电流的关系曲线b) 相量图图 2-2 a) 自励建压过程2.3 异步机发电的工作运行原理异步机发电有两种运行方式 ， 一是并网运行 ， 二是独立运行 ， 各有其 特 点：(1)并网运行异步发电机也可以并网运行，接人电网的手续极为简单，只要将转 子拖到尽 可能接近同步转速，并且转向和定子磁场旋转方向一致即可并 入电网。也就是先 把旋转

19、的异步电机的定子绕组并联在电网上，然后再 把转速 n 调到异步机的同步转 速 ns 以上，便可向电网输出电压、频率 与电网完全一致的电力。定子绕组的电势 和频率取决于电网的电压和频 率，并在异步发电机接入电网时自动的建立起来。 必须特别注意，由于 发电机从它所联接的电网获得励磁，所以，异步发电机输向 电网的电流 频率和它自身的转差率无关。并联运行时带负载能力强，电压、频率稳定，因此在有电网的地区， 应尽可 能并网运行。然而 ，并网运行时，需从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁异 步发电机并网运行的优点是接入电网时不需要整步， 行中不会发生振荡，而这些却是同步发电机经常遇到的困难。当发生短 路时

20、，除 瞬时的短路电流外，不会有大的短路稳定电流，因为此时异步 发电机将失去励 磁。异步发电机的缺点是需要很大的励磁电流， 励磁电流约为额定电流 的 25%，而且励磁电流滞后于电压接近 90, 使电网上同步发电机的 功率因数大大降 低。增加转速，就增加输出给电网的电流、功率。由于需从电网吸收滞 后的无功 功率以产生旋转磁场，这就恶化了电网的功率因数，使电网无 功不足，影响了电 压的稳定性。因此，必须给电网并联适当的电容以补 偿无功。(2)独立运行给定子绕组并联足够的电容，并且电机有剩磁，是异步发电机独立 运行的必 要条件，能建立空载电压的最小电容量，称为临界电容，投入 额定负载后，频率 和电压都

21、必会下降，为保持工频，必须把转速提高 10 % 左右。为保持额定电压， 必须增加比临界电容高好几倍的电容量。应增 的电容量与负载大小及其功率因数 等有关。实际工程可采用初步估算， 实验调整的方法。估算电容量的公式很多， 这里仅介绍简单实用的一种，即：面接每相电容量：3 Ic C o(1.1 ？ )(2-1)COS I NIo 106式中： Co 每相临界电容量 ,Co =2 fU o当负载功率因数 cos0. 4 时,估算 Co与 C 的公式分别误差为2% 与 8%若电容器 丫 接, 则电容量为接的 3 倍，但耐压仅为其若电压允许在土 6 %内变化 ,则可把电容器组分成两三档 ，采用人工 操作

22、切 换或采用继电 -接触器切换。若要无级调压 （稳压）， 则可采用饱和电抗器或晶闸管可控电抗器或其它自动调压器。若电机已无剩磁 ，则应先充磁。充磁电流 w 电机绕组额定电流。直 流电源 极性任意。若负载太重或负载功率因数太低 ，而使端电压消失 ， 可断开负载 ，再 重新 投入减小后的负载 ， 即可正常运行。三相负载要尽量平衡。停机时 ，应先断开电容器 ， 再切断负载 ，最后 关闭 原动机。2.4 异步发电机设计研究从原理上来说，异步发电机和异步电动机仅仅是异步电机的两种运 行状态， 异步发电机的设计与异步电动机基本一样，但也有其自身的特 点。作为异步电动 机运行时 ?电源电压 Ui比定子绕组感

23、应电势 Ei 大得 多，而作为异步发电机运行 时，U i和 Ei两者相近；另外，发电机的额 定电压比电动机的额定电压大。如在 我国三相四线制低压配电网中，三 相异步电动机的额定电压为 380V, 三相交流发 电机或低压配电变压器的 额定电压则为 400V 。这两种原因使得异步电机作为发 电机运行时与作为 电动机运行时相比，其满载电势要大得多。如果选用相近容量 的异步电 动机作为异步发电机运行，将使电机饱和程度大大增加，造成励磁电流 大增，若发电机并网运行则从电网吸收过大的无功功率，加大电网无功 负担，若 单机运行则必须增加昂贵的电力电容器， 从而使发电成本增加， 同时由于铁耗 的增加，电机温升

24、上升，将缩短其使用寿命。在山区农村， 由于人口少， 居住分散， 负荷密度小， 为了降低成本， 往 往采用单相电网供电，这时就需要单相异步发电机。由于在副绕组中 串接有电容 器，单相异步发电机与同容量的三相同步发电机相比，其效 率和功率因数都比较 高，用铜量也少。因单相电源无相序制约，并网运 行时操作特别简单。设计单相异步发电机时，需要考虑电机的性能指标如效率、功率因 数、有效 材料利用率等等，但这些指标都和绕组形式的选择有着密切关 系。可以适当增大 主绕组相带至 23，而缩小副绕组相带到 1 3。这 样虽然使有效材料利用率 有所下降，但却使电容器容量大为减少，提高 了整机的经济性能指标。在绕组

25、形 式的选择上，应使功率因数 cos 接 近于 1，每千瓦输出功率所配置的励磁电容 器的千法数尽量小。为了减小异步发电机的稳态电压调整率， 不宜使其工作在过于饱和 的状 态，并尽量将气隙长度和槽口宽度取得小一些，以减小气隙有效长 度；适当增加 铁心长度，虽然这会使铜、铁用量增加而导致成本上升， 但却可以减少昂贵的电 力电容器使成本下降。 需要综合考虑这两方面的 因素，选取合适的铁心长度和 气隙磁通密度。历史上由于计算手段的落后， 异步电机计算程序均是以简化的等值 电路为 基础导出有关公式，而当今计算机技术已普遍应用，完全可以使 用以准确的等值 电路为基础编制的程序。 有关三相及单相异步发电机计

26、 算程序的详细介绍可查 阅参考文献。2.5 利用三相异步电动机改制异步发电机102.5.1 电容器的选择与计算利用三相异步电动机改制异步发电机虽然不尽合理， 但作为一种简 便易行 的小型电源，无论是作为应急电源，或者是作为偏远地区的微型 发电站，均有其 存在的必要性和合理性。自励异步发电机的电容大小要选择适当。若电容过大，则空载电压 太高， 在过电压的情况下，容易损坏发电机和用电设备；若电容偏小， 则空载电压偏 低，不能适应供电要求。异步发电机空载时建立额定电压 所需电容称为主电容， 可按照下面的方法计算。为了使异步发电机的空载电压等于额定电压，必须使电容电流等于 电机在 额定电压下的励磁电流

27、。当电容器接成厶 时，每相电容器的容 抗值为(2-2)U NIo /32 fC 10每相电容量为：1010 62-3)2 f J3U N式中： Xc 每相电容器的容抗值，Io空载线电流， A；f 电源频率， Hz;UN 额定线电压， V；C接法时的每相电容量，f。当电容器采用 接法时，三相所需的总电容量11C为:C 3Cdi。102 fU N(2-4)当电容器接成 丫 时，每相电容的容抗为 :U N / 31XCY（2-5）Io 2 fCr 10 3U N由于电动机的空载励磁电流难以得到， 在计算电容量时采用了空 载电 流。来代替空载励磁电流，这样求得的电容量将偏大一些。电容器的额定电压必须高

28、于实际工作电压，在一般380V/ 22OV 三相四线制低压配电系统中，当电容器接成时。其额定电压应不低于 45OV 当 电容器接成 丫 时，其额定电压应不低于 25OV自励异步发电机在运行过程中，随着负载的增加，转差率丨s 丨将要增大。为了保持发电机输出电压的频率不变，就必须相应提高发电机的转速，否则负载增加后发电机的频率 f 及端电压均会下降，而端电压 的下降又会 导致励磁的电容电流减小，进一步使端电压下降。因此，自 励异步发电机负载 增大时端电压下降得很快。若负载为电感性负载 （ 变 压器、异步电动机等 ）， 则端电压下降比电阻性要严重得多。这是因负 载中的感性电流将抵消励磁用的 电容电流

29、，从而使端电压急剧下降。为 了保持端电压不变，必须在负载增加的 同时增大电容量。增加的这部分 电容器称为辅助电容器。C1约当负载为纯电阻 （如电炉、电炽灯 ）时，负载功率因数 cos 为 1, 发电机达到满负荷时要保持额定电压不变，所需要增加的辅助电容为空载电容 C 的 1.25 倍，即： C 1=1.25C当负载为电感性时，负载功率因数 cos 小于 1, 这时负载无功功率Q 为： Q PN sin12式中； Q 负载无功功率， kV;PN 发电机额定容量， kVA负载功率因数角。补偿这部分无功功率Q 所需要增加的辅助电容为接法时， C2Q2 102 fU N(2-6)丫接法时 ,C23Q

30、2 102 fU N(2-7)因此?在额定负载情况下，需增加的辅助电容为CMCiC2自励异步发电机满载运行时三相总的电容为C 总 C C i C2由以上分析可知 ?自励异步发电机在负载变化时，如果没有自动励磁调节装置，其端电压和频率的变化是很难避免的。投入负载时，要同 时增加相应的辅助电容；切除 负载时，应同时切除相应的辅助电容，以 防运行中电压过高，损坏电容器和其它用电设 备。如果负载为异步电动 机，则其容量不应超过异步发电机容量的 10% 电动机负载的总 容量不 应超过发电机容量的 25% 如果在运行中突然发生端电压消失，可以立即切断负载，端电压将重新建立起来，空载电压建立起来以后再逐渐增

31、 加负载。作为改制实例，下面给出利用一台小型三相异步电动机改为三相异 步发电机时的 计算值和实测值。该动机的型号为 JO2 324, 额定电压 380V, 额定频率 50Hz, 额定 电流 6.31A 。空载电流 2.70A ，额定转速 1430r / min, 效率 83.5%, 功率因数 0.84 ，接法 ，具体数据见表 2-1。表 2-1 三相异步电动机改为三相异步发电机时的计算值和实测值13运行方式数据性质线电 压V线电 流A输出功率KW频率Hz发电机 功率因数转速 r / min负载 功率因数接每相 电 容量 F并网运行计算值4004.82.20500.661552实测值4005.0

32、2.16500.661517单机运行感性负载计算值4004.82.20500.6615520.80027.5实测值4004.92.1649.90.6515460.80527.3单机运行 电阻性负载计算值4004.82.20500.6615521.00016.5实测值4004.922.24500.6515460.99517.52.5.2 接线方法（如图）（1）主电容器组的选择主电容器组是空载是保证发电机起动并 达到额定输出电压所需的电容器量 C ，当三相的主电容量总值 C 确定 后，每一相的主电容量为 1/3 C。（2）负电容器组的连接副电容器组是为了保持发电机带上负荷后端电压不致下降为零所需增

33、加的电容器C2。副电容器组可按负荷情 况分成几个单元，有几个闸刀开关分别控制，电压降低时，依次投入使 用；随着电压的升高断开。当 三相的副电容量总值C2 确定后，若仅一个单元，每相的副电容量为 1/3 C2 ;若分两个单元，每相的副电容量为 1/6 C2。142.5.3 使用注意事项（1） 改制后的发电机所配用的动力机（如柴油机、水轮机等）输入 够，转速不能过低，否则发电机不发电。（ 2） 当异步发电机剩磁消失时，如附近有电源，可直接将发电机作 转几分钟；如附近无电源，可在起动前用 6 伏蓄电池或干电 池 4 节串联后， 相定子绕组上，充电几分钟即可。（3）起动发电机时，待发电机的空载电压达到

34、额定值后，方可加负出电压很难建立。停机时，应先降低发电机转速，同时卸掉 负荷和电容器。（ 4） 有时转子剩磁微弱，电压难以建立时，也可提高动力机的转速的电容器。当用电器对频率的质量要求不高时，也可以用提 高转速来稳压。（ 5） 因输出电压随负载的变动有较大的变化，因此，这种发电机最 较多的电感负载，这样可减少所需的副电容量。功率要足为电动机运加在任何一载，否则输或投入更多好不要担负152.6 小型异步发电机典型应用261 高精度校表电源在电机试验中， 根据 GB103 85三相异步电动机实验方法 对试 验电源的规定， 试验电源的电压波形正弦性畸变率应不超过 5%在进行 温升试验时应不超过 2.

35、5% 。在仪 表校验中， JJG124-82 电流电压表及 功率表鉴定规程 中明确规定， 对交流表或交直流 两用表都必须用交流 法进行校验。然而，目前国内各电机制造厂试验用电源发电机组， 其 波 形畸变率大多数都超过了上述要求。虽然 TY 型隐极式同步发电机的电 压波形正弦性 畸变率不超过 2.5% ，但因制造厂要成套供应，不仅交货周 期长，而且价格太高，电机制 造厂一般难以接受。为解决上述问题，可 以采用异步发电机作为试验室电源进行电机试 验。校验电表，电磁测量 和绝缘介电强度试验等。异步发电机一般都具有非常良好的电压波形， 因为异步发电机定转 子都采用分布绕组。 同时定转子都是半闭口槽，

36、且气隙均匀， 具有结构 上产生优良波形的 特点。据对小型异步发电机的波形进行测定，其波形 畸变率都很小，指标一般都优于 TY 型隐极式同步发电机波形畸变率指 标，具体数据见表 2-2 :表 2-2 异步发电机的电压波形畸变率实测值容量KW极数每极每相槽数绕组节距关联支路数定子槽数波形畸变率%移相后波形 畸变率 %10131? 82361.52.110621? 62362.014431? 92361.52.31.6241? 111240.94.5821? 61480.91.8除了电压波形畸变率优于一般三相同步发电机外，有试验数据表 明，异步发电机还具有不平衡负载能力强，或者说带单相负载能力强的

37、优点。这是因为 异步发电机的转子导条均匀分布在整个转子上， 实际上 就是非常好的阻尼绕组， 所以带不 平衡负载的能力强。下面以功率表的 校验为例为加以说明，具体接线参考图 2-4 。16图 2-4 功率表校验接线图(1) 电压调节因为校验功率表电压档时电压需从零位非常均匀地调节到满压 . 若 通过改变励磁电容大小来调节电压则无法实现无级调节， 且励磁电容小 于临界值时发电机无法建压，好在电压档消耗电流很小，可在采用三相 电阻器来得到可 调电压，或者采用小容量三相调压器来得到可调电压。(2) 电流调节因为功率表电流档的内阻很小，只需要几十伏的低压电源就够了。 由于异步发电机具有较强的单相负载能力

38、，可在电动机三相绕组中接近 中点处引出一个 极相组的感应电压， 这样就形成了以原中性点为中点的 丫 形接法的低压电流发电机的引 出线。(3) 移相当校验功率表时，电压、电流之间的相位角须在土120电角度范 围内调节。可在电压出线端外接三相或单相移相器。当改变移相器转子 的位置即可达到移相的目的。 移 相器实际上就是一台绕线转子异步电动 机。它具有良好的电压波形， 移相后的电压波形略 有损失实测数据见 表 2 。若无合适的移相器则可用绕线转子异步电动机代替，最好是 选用 两极电机，在电机轴伸端安装蜗轮，在调压手轮上安装蜗杆，这样可以 防止在电磁 力矩的作用下电机转子旋转， 又可以连续调节转子位置

39、以实 现移相之目的。172.6.2 把直流发电机的能量回馈到电网在进行直流发电机负载试验时，如果发电机的负载输出功率超过5kW 则由电阻等负载消耗掉，很不经济，这时可采用异步发电机将其能量回馈到电网 ?具体接线可参考图2-5。首先接通开关 K1, 使三相异 步电动机 M投入运行，然后调节直流发电机 G1 的励磁电流，使其输出 电压高于被试直流发电机 G2 的最大输出电压，这时 G1 处于空载运行状 态。最后接通开关 K2. 使直流电动机 M （又称测功机 ）拖动被试直流发 电机 G2 运行，此时调节 G2 的励磁电流使其输出 电压到需要的数值，再 减 G1 的励磁电流 .使得 G2 的输出电流

40、 A 到需要值。一旦电流 表 A 有读 数，就表明直流发电机 G1 已变成电动机运行状态，而三相异步电动机 M 已 变成发电机运行状态。试验过程中要反复调节G1 与 G2 的励磁，使 G2 运行在需要的工作点上。在实际操作中，如果没有合适的整流管 D,也可以用开关来代替， 只是要特别注 意，只有当电压表 V2 与 V1 的读数相等时方可接通开关， 以防止冲击电流对系统的 影响。18通过分析可知，由 M 与 G1 组成的电动发电机组，不论是工作在异 步电动机状态 还是直流发电机状态， 还是工作在直流电动机异步发电机 状态，电磁转矩与能量传递 的方向恰好满足系统的需要。192.7 异步发电机配套用

41、电力电容器数据异步发电机的励磁电容器，一般可选用自愈式低电压并联电容器。 这种电容器芯由 两层镀有金属层的聚丙烯薄膜卷绕而成； 电容器内部装 有放电电阻，在断电后一分钟内 端子之间的电压可降至 50V 以下。同时， 电容器内设有过压力隔离装置，一旦电容器出 现故障，内部产生的过压 力将使隔离装置动作，从而自动切断电源。根据国家标准 GB1274 91自愈式低电压并联电容器的规定， 电容器的主要 技术性能如下：（ 1） 安装运行地区海拔高度不超过 2ooom 使用周围环境空气温度 为（-25 ? +50 ） C o电容值偏差不超过额定值的 （ O? 10）%o 在工频额定电压下， 2O C 时的

42、损耗角正切值 （ tg ）不大于允许在 1.1 倍额定电压下长期运行。允许在 1.3 倍额定电流下长期运行。这是由于过电压和高次谐 波共同作用的异步发电机配套用电力电容器分为 BSMJ ；干式）和 BZMJ 油浸式） 两大系列。各个规格的技术数据见表 2-3 。注意表中规格栏内尾数为 3 者，表示电容器 为三相 接法，额定电容量为三相电容量之和；尾数 为 1 者，表示电容器为单相接 法， 电容量即为每相电容量； 尾数为 1Y 者， 表示电容器为三相 丫 接法并有中性线引 出. 额定电容量为三相电容量之 和，但表示形式为每相电容量乘 3。2）3）0.002 o结果。4）5）20表 2-3 自愈式

43、低电压并联电容器额运 电 腳嵌定输岀 kY.鹤定电恥额定电窖墜 P 卜 外理尺可 IW高0. 4440057,25TS1晞90155&. 44 577,510.81竹j2)50. 4-10-31014.4194 o3150 4 U-312H. 323S. 9】B3轴215o -i-M-a1420 2276 72350. -15-3Is-21.7298.6也50. 4-L6-3J623. 1523S0,41 刘 5-3415S-7.092. 51G&90fas0 4 5-7, 53TT10. 413B . 721S0 4 5-1( 310119lh4 92150 415-12-31216.722

44、1 9183&62150 415-14-31415.5258 92350 415-15-31520.9277. 42350 4 5 16-322.3295.92350 45-5-J150s6 478.669豹1550 15-7 EH7.596118.02150 -15- ： 0-31012.fi157 32150. 45-L 2-324168 r1 &Q6621$0 45-J-JII13.0220.22350. 4S-L5-J1519.2235.92350.45-16-3Ifi50 5251.62350.525-10-352510JLOIIS. 5159602150. 525 12-3213.

45、 213GL ?183開21&0 525-14-31415.416L823i0 5251S-31516.517132350. S25-16-3J617.6ltL92350.69-1D-3690io866.9169601150 9-12-11210 0HO ： 1183662150 妙 14-3HIL 793.62350 妙心is16100. 32J5U.W-lb-d1.6ILflf 0绑0 25-2-12502&LOL 9169RnWIBS& 25-3 -1312哑915$0. 25-4-1416203. S1550. 25-5-；s202S4 Rl?50 25-6-1621305. 7Z1S

46、0 25-7.5T7.5303昭20 25-10-LID40soa 6】药0 25-2X3-1 Y2X38X3W1.9X3S3d7AfvIBS0 25-3 X 3-1Y3X32X3152.9X31950 25-3. 4X3-1V3. 31 x 313.ItH BX31沾0. 25-K3-lY4X316X3203.8x32J50 25-5X3-IV5X320X3254 8X32和0 25-5.34M3-U5.34X321.3X3271.8X32900 25-6X 3-1Y21X3305.7X33150.25 6. 67X3 1Y6. 67X J26. 7 M 333Q. 7X331&0 25-7

47、. SXHZ? 5XJJ0X33812X33350.2510 X3-1Y10X3-10X3509.6X33500. k0. 5-3100OS0 710 023095)300 443-11.419 9130(L 4-1. 5-31. s2. 229 &1600. 2-322 J39 S1600.1-2 5-3? 53619.8100 4-3-334. J59. 71900.4-4-345.879 61驰213 水轮异步发电机的研究3.1 三相异步发电机结构原理研究在风能开发利用中，变速发电是一个关键性问题，解决好了可以大 大地提高效率。同 步发电机要用于变速发电，就必须采用变频器，或改 变叶片桨

48、距的方法控制原动机转速， 这就增加了成本和维护难度。异步 发电机无需直流励磁， 具有结构简单， 坚固可靠，维 护便利， 并网容易， 易于控制的优点，可在一定的范围内直接用于变速发电。正是因为有 着 这么多的优点，异步发电机在可再生能源的开发利用中被越来越看好。但异步发电机需从电网吸收无功功率，不采取措施就会影响电网， 所以一般都要配备 发出无功的设备。异步发电机单机运行时，还必须有 电容来实现电机的自激，而且端电压 和频率都会随着转速和负载变化， 因此需要一套控制设备实现实时控制。 这都增加了异步 发电机运作复杂 性和设备成本，限制了它的发展应用。目前，随着可控硅控制的静态无 功 伏安源的进一

49、步发展，异步发电机的应用又开始热起来。在研究节能电机时，我们发现三相电容式电动机很有特点。它与普 通三相异步电动机 相比，主要有三个方面的优点：首先，由于副相串接 有电容，它的功率因数很高，而且可 通过调节电容来调整功率因数；其 次，可以设计适当的主副绕组匝比和配置恰当的电容使 电机在按额定运 行点平衡运行，从而达到消除五，七次谐波的目的，即降低损耗，提高 效 率；另外，可以接适当的起动电容来提高起动转矩。基于这些特点， 如果将三相电容式异 步电动机作发电机运行也应具有同样的性质，因为 电动机与发电机并没有本质的区别。所 以我们要研究一下三相电容式异 步发电机。3.1.1 三相电容式异步发电机

50、的结构三相异步发电机按其励磁方式来分， 可分为自励式异步发电机和他 励式异步发电 机。三相电容式异步发电机属于自励式异步发电机。自励式异步发电机由一个鼠笼式异步电动机和一组电容组构成。 如图 3-1 所示：22三相电动机三相绕组接成星形，从尾端引出一根线作为发电机的中性线 0, 从三个首端分别引出三根线作为发电机的三根相线 A、B、 C, 在两根相线之间联接适当等量的电容 组 Co 发电时，用原动机 （柴油机或 水轮机 ）拖动电动机的转子旋转，当转子转速达到额 定值时，在三相绕 组上感应产生三相电动势，在相线与中线之间得到三相对称的相电压， 相线与相线之间得到三相对称的线电压。这时，发电机即可

51、给相应的负 载供电。3.1.2 三步发电机的发电原理异步发电机为什么能发出电来呢 ？我们知道，同步发电机主要由定 子 （定子铁心上 嵌人三相对称绕组，叫电枢 ）和转子 （转子铁心上绕上励磁 绕组，通人直流电，形成一 组磁极 ） 组成。发电时，原动机拖动转子磁 极在定子里旋转，使定子绕组的磁通依次发 生变化，从而在三相绕组上 产生三相对称的电动势。三相鼠笼式异步电动定子结构和同步 发电机的 电枢相似，如能把电动机的转子变成一个磁极组并由原动机拖动旋转， 则定子 绕组就可感应出电动势。但是，鼠笼式电动机的转子绕组是一个 形似鼠笼的闭合导体，无 通人直流电使转子变成磁极，但在相线上并联 电容器后鼠笼

52、转子可以变成磁极。一般来 说，电动机转子在制作的过程 中总会受到磁化，带有一定的磁场。这个磁场在转子周围空 间的磁感应 强度 B 按照正弦规律分布，空间某点的磁感强度可以表示为B=Bm sina 式中 Bm 为磁感强度最大值， a 为空间某点与中性面的夹角。当转子被原动机拖动在定子中旋转时，定子绕组回路的磁通 将正23弦规律作周期性的变化，可表示为：=msi nm 为磁通 = 最大值若转子转动的角频率为 =2 f 时，(f 为转子转动的频率，设为两极电动机 ) ，则对应时刻 t，磁通可表示为：=msin t( 3-1 )故在各绕组上都感应有电动势 e。可表示为：e= -N = N msin(

53、t-90 )(3-2 )dt=Emsin ( t-90 )N 为绕组的匝数， Em= N m 是电动势的最大值。其相位比磁通 滞后 90 。由于定子绕组是对称的，故在其上感应的三相电动势亦是对称的，A,B,C 三相电动势可依次表示为 :e = m sin t(参考量 )(3-3)eB = m sin( t -120 )(3-4)ec= msin( t + 120 )(3-5)各相的端电压等于相电动势，可表示为：U A = mSin t(参考量 )(3-6)U B = mSin( t -120 )( 3-7)UC= mSin( t + 120 )(3-8)24则加在电容组各电容器的电压是对称的线电压，可表示为U AB = =3U BC : =3U CA = =3mSi n( t + 30 )mSi n( t-90 )mSin( t+150 )(3-9)( 310)3-11)这样，就有三相对称电流 （电容电流 ）通过电容器进人相绕组构成闭 合回路。我们