电气｜异步发电机还有这几种用法

电力百科第 4 期：发电机

1 异步发电机作为频率变换装置

异步自励调频发电机含一个定子绕组和两个转子绕组.分析时可视之为由两个单独的发电机组成:三相异步励磁机和三相异步发电机.前者含定子绕组Ws1,励磁电容Cf,转子绕组Wr1,极对为P1;后者含定子绕组Ws2,转子绕组Wr2,极对为P2(如图1所示).

两个转子绕组轴线垂直无磁的铰链,故无互感.经推导有的如下关系.

由此可见,输出电压的频率励磁回路和发电机极对相互关系、转差率和励磁回路的输出频率相互关系.而后者在很大程度上依赖于电容值,故调节电容可调f1.

实验验证:二台型号为YR系列(IP44)的异步电动机,极对分别为P1=2和P2=4,调节电容变动范围为(0.15～1.50)μF.当由高值向低值调节电容.可用转差率数字测试仪[3]测得转差S在0.8～0.2范围内,并可测得f3和f1对应分别在(2～15)Hz以及(15～125)Hz范围内变化.

可见,磁场和转子的旋转速度对输出频率大小的影响最为基本,改变磁场和转子转速可以从基本值降低或升高频率;由频率表达式可以看出,应使p2>p1.因为在这种条件下,励磁回路可在升频以后提高电压和大大降低必须的励磁电容值.这样,异步自励调频发电机不仅可以平稳地调节负荷系统电压的频率,还可以在不改变转子旋向的条件下改变相序.

2 异步发电机作为强力电源

异步发电机的缺点之一是陡降的外特性,正是这一特点使它在拖动系统中得到好的应用.电气接线如图2所示.

其中AG为异步发电机,DM为直流电动机;DG为与之同轴的直流发电机,供DM的励磁绕组Wf的励磁;ML为轴上的机械负载;RD为整流装置,Rmf为DM的励磁调节装置.正是这一接线装置保证了电枢电流的稳定性.对旋转频率、时间和功率的控制靠Rmf调节DM的励磁实现.

众所周知,整流装置,特别是可控整流装置以及变频装置,使发电机电压和电枢电流包含大量高次谐波.若由一台同步发电机通过整流装置RD对DM供电,则高次谐波使发电机损耗大大增加,同时相应加大发热、振动和噪声,在这种情况下,一般同步发电机只好降低容量使用.与标准正弦供电情况相比,容量利用率仅为50%～75%,而如图中采用异步发电机,由于它并联有励磁电容Cf,对整流负载而言相当于人口处加入一个滤波器,大大削弱了涌入发电机的谐波分量.特别是串有补偿电容Cc以后,其作用效果更显著,异步发电机效率最高可达90%～95%.

实验验证:AG为Y2系列异步机,功率SN1=10kW,励磁电容每相Cf=0.4μF,补偿电容每相Cc=0.115μF;直流发电机DG和直流电动机DM均取额定功率为10kW的.用电机测功机(或机械测功机)可测得轴上输出转矩约为19.2Nm,转速1216r/min,折合轴端机械功率输出为9.43kW.此例中,DG效率达84%,对AG而言,测出其输出电压、电流分别为220V和41A,则效率η=220×41/10000≈90%.

3 异步发电机的并联运行

同步发电机并联运行是不稳定的;需要昂贵的同步装置;且由于交换的有功功率振荡振幅很大,效率很低.而同样功率的异步发电机并联运行稳定得多.由于异步发电机的定子旋转磁场和转子间弹性的电磁联系,在异步发电机没有电压的大脉动,也没有过渡过程.

实验表明:功率相当的异步发电机并联运行,如在负载时功率均不超过其额定值,则这一并联运行是稳定的:不满足并联运行条件,却不引起电磁转矩的波动.当异步发电机与同步发电机并联运行时,前者的转子没有固定的磁的轴线,与后者的转子相对空间位置不固定,故可以以各种频率旋转.

异步机投入并联运行的条件优于同步机,过渡过程时间是一个与机组轴上旋转物质质量有关的量,构造使异步机组的过渡过程时间比同步机组的少得多;异步机产生的转矩较小,振荡幅度小,衰减快,过程优于同步机.异步机并联时,阻力矩适度,故异步机并联运行时平衡电流不大.

图3中的波形表明两台型号同为YPTQ的异步发电机同步运行时负载电流和发电机电压变化的过程,注意刚投入时,二者相位差高达100°.若与同步机系统比较,显然对异步机并联运行条件限制要少得多.同步机并联运行的条件要求高,若存在较大相位差,不平衡电流可达额定值的(20～30)倍.

由于在异步机组中,无须励磁,故无载时不平衡电流几为0,从而避免了过电流.还要指出的是,功率不大的异步机并联运行比同步机并联运行更简单可靠.

4 总结

在自备的余热发电站、风力电站、以及某些小型水电站中,异步发电机获得普遍应用.除此以外,异步发电机这几种特殊的用途.上述几种异步发电机的特殊应用方式,无一不是异步电机基本原理运用的延伸,尽管不是普遍的方式,在特定的条件下,这些用途能发挥特殊作用.认真、深入地研究它们,具有重要的实际意义和价值.

参考文献：钟思正, 王问斯, 丁稳房,等. 异步发电机的几种特殊用法[J]. 湖北工业大学学报, 2005, 20(2):52-54.

参考文献：钟思正, 王问斯, 丁稳房,等. 异步发电机的几种特殊用法[J]. 湖北工业大学学报, 2005, 20(2):52-54.

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