异步发电机.docx

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异步发电机

2小型异步发电机研究7

2.1异步发电机基本原理7

2.2自励异步发电机的工作原理7

2.3异步机发电的工作运行原理9

2.6.2把直流发电机的能量回馈到电网20

3.3.1并网时的冲击电流40

4异步发电机与同步发电机的比较45

4.1异步发电机主要的优缺点45

4.2异步发电机与同步发电机在电站中应用的经济性比较46

4.3异步发电机水力发电应用实例47

5结束语50

致谢51

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3O％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Wanlass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6.3kV、1MW的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、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.MauyiceLoblance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的异步发电机；1919年又安装了一台425KW和一台1000KW的异步发电机。

在美国东海岸交通局装设了五台7500KW25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、热电站的辅机发电、自备电站等场合都有应用，同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的水电站，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6500P（约4875KW）轴功率驱动水泵将水从低水位提升到高水位。

该电站是最早的异步电机装备的抽水蓄能电站。

20世纪50年以后，随着电力系统容量的扩大，用于水电站的异步发电机逐渐向大功率方向发展，几千KW的机组已经得到了广泛的应用。

例如，在新西兰已有50%以上的水电站安装了异步发电机，并认为经济上合理的容量范围是75～60000KW；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的500～5000KW及60HZ的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大学合作研制成目前国内最大的2500KW，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

总是低于气息旋转磁场的转速

，即

＜n

，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

=

）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（

＞

），此时转子导体切割旋转磁场的方向就与

＜

时相反，因而转子感应电势的方向就

＜

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

高于旋转磁场的同步转速

即使转差率s

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¢

就会切割定子绕组，并在定子绕组中感应出剩磁电势

，如图2-2b所示。

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

90°的电容电流

，

通过定子绕组产生的磁势和剩磁磁通¢

方向相同，使电机中的磁通增大。

由图2-2a可见，这时定子磁势增大到

，电势

又使电容电流增加到

，

再使定子电势增大到

，如此反复励磁，直到发电机的端电压上升到空载稳定值

。

这时电容电流也增加到稳定值

，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／（

）减小，则电容线的斜率就变小，如图2-2a）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2-2a）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

且

时的端电压与电容电流的关系曲线

图2-2a）自励建压过程b）相量图

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

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，运行中不会发生振荡，而这些却是同步发电机经常遇到的困难。

当发生短路时