继电保护异步发电机技能篇.docx

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继电保护异步发电机技能篇

永磁发电机是一种将普通同步发电机的转子改变成永磁结构的发电机，常用的永磁材料有铁氧体（BaFeO）、钐钴5（SmCo）等，永磁发电机一般用于小型风力发电机组中。

　　　异步发电机是指异步电机处于发电的工作状态，从其激励方式有电网电源励磁发电（他励）和并联电容自励发电（自励）两种情况。

　　　１、电网电源励磁发电：

是将异步电机接到电网上，电机内的定子绕组产生以同步转速转动的旋转磁场，再用原动机拖动，使转子转速大于同步转速，电网提供的磁力矩的方向必定与转速方向相反，而机械力矩的方向则与转速方向相同，这时就将原动机的机械能转化为电能。

在这种情况下，异步电机发出的有功功率向电网输送；同时又消耗电网的无功功率作励磁作用，并供应定子和转子漏磁所消耗的无功功率，因此异步发电机并网发电时，一般要求加无功补偿装置，通常用并列电容器补偿的方式。

　　　２、并联电容器自励发电：

并联电容器的连接方式分为星形和三角形两种。

励磁电容的接入在发电机利用本身的剩磁发电的过程中，发电机周期性地向电容器充电；同时，电容器也周期性地通过异步电机的定子绕组放电。

这种电容器与绕组组成的交替进行充放电的过程，不断地起到励磁的作用，从而使发电机正常发电。

励磁电容分为主励磁电容和辅助励磁电容，主励磁电容是保证空载情况下建立电压所需要的电容，辅助电容则是为了保证接入负载后电压的恒定，防止电压崩溃而设的。

　　　通过上述的分析，异步发电机的起动、并网很方便且便于自动控制、价格低、运行可靠、维修便利、运行效率也较高、因此在风力发电方面并网机组基本上都是采用异步发电机，而同步发电机则常用于独立运行方面。

1　电压的自激建立过程

一般在异步电动机的转子上都存有剩磁，当转子被原动机拖动以一定的转速转动时，转子上的剩磁场将切割定子绕组，在定子绕组中产生出微弱的感应电势，这个弱小电势将通过外接的励磁电容在定子绕组中形成弱小电流，这个弱小电流在定子绕组中产生的磁场，经磁耦合又恰好使转子磁场进一步加强，转子磁场的增大又会使定子绕组感应电势增大，相继使电容电流增大、使定子绕组磁场进一步加强，反过来又使转子磁场进一步增强。

这是一个自激正反馈过程，很快可使电机建立起电压，这就是异步发电的电压建立过程。

由此不难看出，异步发电必须具备以下条件：

（1）有原动机拖动供给机械能量。

（2）电动机必须有剩磁。

（3）必须外接一定量的电容，供给电动机建立定子磁场所需的无功电流。

一般运行后的异步电机转子上都存有剩磁，而无需考虑充磁。

如因某种原因确实没有剩磁时，也可进行充磁（方法见后）。

2　发电频率与电机转速的关系

异步发电机之所以能产生电压，一个很重要的原因，是由于转子转速略大于定子磁场的同步速，即存在转差。

发电电压频率与电机转速存在如下关系：

f=p（n－sn）/120Hz

式中L-电压频率，Hz

　　p-电机极数

　　n-电机转速，转/min

　　s-转差值

实际上由于转差s一般较小，可将其sn项忽略，上式可近似表示为：

f≈pn/120Hz

由上式可以看出：

在电机极数一定时，发电频率f将决定于电机转速n，转速上升、频率升高；转速下降频率降低。

由于电机类负荷的设计工作频率为50Hz，带这类负荷的异步发电频率尽量控制在50Hz左右，在单独带照明负荷时因频率的高低不会造成多大影响，故频率范围可适当放宽。

3　电容大小与输出电压的关系

异步发电的条件之一是必须外接一定量的电容，我们把能保证在额定转速下，建立起额定空载电压所需的最小电容称之为"主电容"，把带负荷后需要再增加的电容称之为"辅助电容"。

主电容的作用是为建立所需的空载电压，在电机型号选定后可视为不变量；而辅助电容则是用来提供感性负载本身所需的无功电流，及电机内部漏抗所消耗的无功功率，以维持输出电压近似不变。

所需辅助电容的大小，将随负载的性质和大小而变，对纯电阻性负载（如照明、电加热等）所需的辅助电容就小；对感性负载（如电机类动力负荷）所需的辅助电容就大。

因此在投入负载的同时，最好连同辅助电容一并投入，这样可避免输出电压较大下降及消失现象的发生。

电容量与输出电压的关系是：

在转速和负载不变的情况下，减少电容量则使输出电压下降；增加电容量则使输出电压升高。

因此在实际中，可通过调整电容的投入量来调节输出电压的大小。

又由于电容的容抗与频率成反比，即频率越高（即电机转速越高）则容抗越小，相对来看，相当于电容增大了，因此在不特别要求电压频率的情况下（如只带照明时），可通过提高电机转速来相对减少电容的投入量。

这也是在异步发电的电压建立过程中，增加转速使电压容易建立的内在原因。

4　异步发电机的负载特性

了解异步发电机的负载特性是很重要的，将有助于我们掌握异步发电的相关特性、特点，在实际应用过程中应对自如。

（1）负载特性曲线：

负载特性曲线是在保持异步发电机转速和外接电容量不变的情况下，只改变负载的大小，所测出的负载电流与端电压的对应关系曲线。

特性曲线如图1所示。

图1　负载特性曲线

曲线①对应带纯电阻负载时的情况

曲线②对应带感性负载时的情况

从曲线①、②均可看出，当负载电流为零时（即空载时），输出电压对应100％处为最大，随着负载电流的增加，输出电压下降幅度是比较大的，当负载电流超过各自对应的临界值时，电流不仅不增加反而快速减小，此时端电压已失去稳定并继续降低，直至端电压和负载电流均降至零。

比较曲线①和②不难发现，曲线②所对应的电流临界值小于曲线①所对应的电流临界值。

这说明异步发电带感性负载的能力将小于电阻性负载，也就是说异步发电最适用供给照明负载，供给动力负载（一般为感性）只能是少量的，一般可控制在发电机容量的20％以下，且掌握动力负载的单机容量不宜大于发电机容量的10％。

同时在运行中应注意随负载的变化，适当增减电容的投入量，以维持端电压不致过高或过低，还要注意不要使负载过重，以免导致电压降至零。

（2）短路及不对称运行特性：

当异步发电机出现三相短路时，其电流必定超过临界值。

由上面异步发电机的负载特性可知，这时将导致端电压和电流反而会迅速下降至零，不会引起大的短路电流。

这是异步发电机运行的一大优点，故可简化或不考虑对异步发电机进行短路保护。

5电容的计算与选择

为使计算公式尽量简化，更适合广大农村读者使用，我们对所有异步电机统一作如下近似规定：

①额定电压UN=380V；额定频率fN=50Hz。

②额定功率因数cosφn=0.8；额定效率ηn=0.8

③把电机的空载电流近似看作为激磁电流，并取值为额定电流IN的35％（考虑到一般用于发电的电机功率较小，空载电流所占比重相对较大）。

做上述规定后，即可推导出异步发电时在空载和额定负载时所需电容的相应简捷计算公式。

限于篇幅考虑，下面直接给出公式结果不再对推导过程进行叙述。

（1）主电容计算：

当电容为△接时，三相总电容为：

C△m≈5NμF

当电容为Y接时，三相总电容为：

CYm≈3C△mμF

式中IN-作异步发电用电机的额定电流（名牌上所给），单位为A

（2）辅助电容计算：

所谓辅助电容，指带上负载后需要再另增加投入的电容，不包括主电容。

①带电阻性三相负载（cosφ=1）满载时的电容计算：

当电容为△接时，三相总辅助电容为：

C△RF≈3.5INμF

当电容为Y接时，三相总辅助电容为：

CYRF≈3C△RFμF

②带感性三相负载（cosφ=0.8）满载时的电容计算：

当电容为△接时，三相总辅助电容为：

C△ZF≈12INμF

当电容为Y接时，三相总辅助电容为：

CYZF≈3C△ZFμF

上面辅助电容的计算公式，亦可用于对不同功率三相负载需配辅助电容的近似估算，应用时只需将公式中的IN换成实际负载的额定电流即可。

（3）电容的选择：

因电容在△接时所用电容量仅为Y接时的1/3，为节省电容一般优先选用△形接法。

但△接时电容的耐压要求较高，为Y接时的倍。

因此在△接时应选择耐压不低于540V的交流电容器；在Y接应用时应选择耐压不低于320V的交流电容器。

三相异步电动机可改作自励发电机使用，其中电容器起作重要作用。

自励三相异步发电机一般接有两种作用的电容器，一种称主电容器固定接在异步电动机的定子绕组出线上，另一种称辅助电容器分别接在配电线路上，即在负载端接辅助电容器。

合理选择电容器是关键，这里就选择电容器的方法介绍如下。

1空载时电容量（即主电容电容量）的近似计算

为了减少发电机激磁用电容量，在三相发电机中，一般将电容器接成三角形，这种接线需要三组电容器，当空载额定电压时，每相电容器（即主电容器）的电容量可按下式计算：

带电阻负载，电容器按∆形联结，每相电容量为：

3电容器电压大小选择

考虑到负载突然切除时，主电容上所受到的脉冲电压有时会比电机端电压大1～2倍，故主电容器的额定电压，应不低于异步发电机端电压幅值的1.5～2倍。

辅助电容器的额定电压只需为发电机端电压的1.1倍。

4应注意的几个问题

（1）电容器电容量选择应适当，选择太小的发电机，电压达不到要求值，电压调节范围较小，选得太大易产生过电压，且成本高。

（2）三相异步发电机主要适用于照明负载，且负载的单机容量不大于发电机容量的10%，否则应增大电容量。

（3）辅助电容器可由若干组小容量电容器并联组成，以便调节容量，主电容器可以是固定式的。

（4）在为动力负载供电时，考虑到其中的电动机负载起动时电流很大，辅助电容器的电容量可适当增加。

异步发电机并网发电是利用电网提供以同步转速转动的旋转磁场，在转差率为负值的工况下，其磁力矩与转速方向相反，机械力矩与转速方向相同，磁力矩作负功，机械力矩作正功（转化为电能），而向电网输出电能。

由于历史条件和多种原因，国内长期以来还是应用同步发电机，随着电网建设的不断扩大，小型发电装置也随之基本进入并网运行为主要方式的工业化。

商业化阶段，农村电网的技术和质量水平也得到很大提高，为应用异步发电机并网发电奠定了基础。

目前我国发电机并网发电的研究开发尚处起步阶段，大田县蕉坑水电站单机500千瓦异步发电机并网发电成功，为异步电机并网发电创造了经验，技术水平属国内领先，是国内目前已并网的容量最大的异步发电机。

异步发电机和同步发电机相比，最大差别就在于激磁方式。

同步发电机需要复杂的直流励磁系统，异步发电机则需要依靠电网提供激磁（消耗电网无功率）。

同步发电机技术要求高，控制保护复杂、故障率及一次投资、运行费用也较高；异步发电机对电网质量及依赖性较高，运行可靠性和稳定性好，技术要求及一次投资，运行费用较低，发电效率比同步发电机略高，噪音略小，控制保护简单，便于实现自动化和无人值守。

有较好的经济效益，适合在有电网的农村小水电推广应用。

在电力拖动与控制中讲：

异步电动机下放重物，当电动机转速大于同步 转速，电动机处于发电反馈制动; 即电动机将重力势能转换成电能反馈到电网上。

对此我想谈一下我个人认识：

       1 在电磁感应原理讲：

在一对直流线圈中通入直流电，即可产生一个固定的磁场。

在这个磁场中放一个矩形线圈，当外力作用使线圈转动时，在线圈就产生感生电流，有感生电流，就必产生电磁力矩。

根据左手定则：

电磁力矩的方向和线圈转动方向相反，它的大小和转速成正比。

当外力矩大于电 磁力矩线圈加速运转，外力矩小于电磁力矩做减速运转；当外力矩等于电磁力矩，线圈做匀速运转。

这就是在电磁学中所讲的：

电磁力总是阻碍原导体 运动的，力矩是失量，功是标量，线圈做正逆方向转动而做功都是以消耗电磁能量为前提，它不能改变磁力线方向，即产生磁力线直流电流的方向；并且转动越快，消耗电磁能量越多。

  2 在电机学中讲：

异步电动机的工作原理是在电动机定子通入三相交流电 ，即产生一个旋转磁场。

旋转磁场转速n=60f/p,我们称为同步转速。

转子