1、0目录1 绪论 21.1 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 122.5.2 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 水轮异步发电机的研
2、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 异步发电机主要的优缺点 454.2
3、异步发电机与同步发电机在电站中应用的经济性比较 .464.3 异步发电机水力发电应用实例 .475 结束语 .501致谢 .51参考文献 .521 绪论21.1 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。
4、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 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
5、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。3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 526m/s,最高效率达 90.5%。我国风力、水力资源丰富,
6、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
7、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。4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、CO 2、NO r、SO r。2.减
8、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.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
9、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65
10、00P（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5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 7560000KW；在英国，仅英格兰北部电力系统就安装了 29 台容量为;305000KW 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 5005000KW 及 60HZ 的6006000KW 加拿大、前苏联等国家也大量研究和使用
11、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
12、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6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
13、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。72 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nss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
14、速（即 = ）时，由于旋转磁场与转子间没有相对ns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，ns ns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ns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
15、O，就变成异步发电机nsn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。8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s势 ，如图 2-2 b 所示。 的相位落后于 90。电势 加在电容sEEsssE器上，使定子绕组中流过超前 90的电容电流 ， 通过定子s cI0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
16、图s2-2 a 可见，这时定子磁势增大到 ，电势 又使电容电流增加到 ，1E1 cI1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cI1 2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0U0I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2fc2-2 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9时，发电机的输出电压频率将随之增大。如果
17、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1C与电容电流的关系曲线 也称为电容线曲线3电容为 且21时的端电压与电容电流的关系曲线图2-2 a)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
18、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、sn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10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，除瞬时的短路电流外，不会有大的短路
19、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
20、，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：)cos31.(0NIc（2-1） 11式中： 每相临界电容量， = ，单位 :F。0c0c0621fUI当负载功率因数 0 . 4 时 ,估算 C 与 C 的公式分别误差为os2%与 8%。若电容器 Y 接,则电容量为 接的 3 倍,但耐压仅为其 。31若电压允许在6 %内变化,则可把电容器组分成两三档,采用人工操作切换或采用继电- 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
21、或其它自动调压器。若电机已无剩磁,则应先充磁。充磁电流电机绕组额定电流。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 比定子绕组感应电势1U大得多，而作为异步发电机运行时， 和 两者相近；另外，发电1EE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
22、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12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
23、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13。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。在绕组形式的选择上，应使功率因数 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cos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
24、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算程序的详细介绍可查阅参考文献。132.5 利用三相异步电动机改制异步发电机2.5.1 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
25、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。当电容器接成 时，每相电容器的容抗值为（2-2）每相电容量为：（2-60132NUfIC3）式中： 每相电容器的容抗值， ；cx空载线电流，A；0I电源频率， Hz；f额定线电压，V；NU601023/fCIUxNc14接法时的每相电容量， 。Cf当电容器采用 接法时，三相所需的总电容量C 为：（
26、2-60123NfUI4）当电容器接成 Y 时，每相电容的容抗为：（2-NrNC UfCIx31023/605）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于实际工作电压，在一般 380V22OV 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 Y 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s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
27、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，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。15增加的这部分电容器称为辅助电容器。当负载为纯电阻(如电炉、电炽灯)时，负载功率因数 为 1，cos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 C约为空载电容 的 1.25 倍，即： =1.25CC1当负载为电感性时，负载功率因数 小于 1，这时负载无功功cos率 为：QsinNP式中； 负
28、载无功功率， kV；发电机额定容量，kVA；N负载功率因数角。补偿这部分无功功率 所需要增加的辅助电容为：Q 接法时， （2-62210NfUC6）Y 接法时， （2-622103NfQ7）因此在额定负载情况下，需增加的辅助电容为： 21CM自励异步发电机满载运行时三相总的电容为： 21总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16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
29、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 JO2324，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 1430rmin，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rmin负载功率因数 接每相电容量
30、 F计算值 400 4.8 2.20 50 0.66 1552 并网运行 实测值 400 5.0 2.16 50 0.66 1517 计算值 400 4.8 2.20 50 0.66 1552 0.800 27.5单机运行感性负载 实测值 400 4.9 2.16 49.9 0.65 1546 0.805 27.3计算值 400 4.8 2.20 50 0.66 1552 1.000 16.5单机运行电阻性负载 实测值 400 4.92 2.24 50 0.65 1546 0.995 17.52.5.2 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
31、所需的电容器量 ，当三相的主电容量总值 确定CC后，每一相的主电容量为 1/3 。（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17后端电压不致下降为零所需增加的电容器 。副电容器组可按负荷情2C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 确定后，若仅2一个单元，每相的副电容量为 1/3 ；若分两个单元，每相的副电容2量为 1/6 。2C图 2-3 接线图2.5.3 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）输入功率要足够，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
32、电源，可直接将发电机作为电动机运转几分钟；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，加在任何一相定子绕组上，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额定值后，方可加负载，否则输出电压很难建立。停机时，应先降低发电机转速，同时卸掉负荷和电容器。18（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或投入更多的电容器。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 好不要担负较多的电感负载，这样可减少所需的副电容量。2.6 小型异步发电机典型应用2.6.1 高精度校表电源在电机试
33、验中，根据 GB103285三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 2.5%。在仪表校验中，JJG12482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
34、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，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 极数 每极每相槽 绕组节距 关联支路数 定子槽数 波形畸变 移相后波形19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
35、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。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。KW 数 率% 畸变率%10 1 3 18 2 36 1.5 2.110 6 2 16 2 36 2.0 14 4 3 19 2 36 1.5 2.31.6 2 4 111 1 24 0.9 4.5 8 2 16 1 48 0.9 1.820
36、（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，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 Y 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
37、，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以实现移相之目的。2.6.2 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
38、G1 的励磁电流使得 G2 的输出电流 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，21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。图2-5 利用异步发电机把直流发电机的能量回馈到电网通过分析可知，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
39、矩与能量传递的方向恰好满足系统的需要。222.7 异步发电机配套用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 GB1274791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 2000m，使用周围环境空气温度为(-25+50) C。（2）电容值偏差不超过额定值的(O10)%。（3）在
40、工频额定电压下，2OC 时的损耗角正切值( )不大于tg0.002。（4）允许在 1.1 倍额定电压下长期运行。（5）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结果。异步发电机配套用电力电容器分为 BSMJ ；(干式)和 BZMJ (油浸1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 Y 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。 23表 2-3 自愈式
41、低电压并联电容器25263 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
42、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
43、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。273.1.1 三相电容式异步发电机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：图 3-1 异步发电机结构原理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 O，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 C。发电时，用原动机( 柴油机或水轮机) 拖动电动机的转子旋转
44、，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28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
45、。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 将正弦规律作周期性的变化，可表示为：= sin 为磁通 =最大值mm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：= s
46、in （3-mt1）故在各绕组上都感应有电动势 e。可表示为：e= -N = N sin( - ) （3-dtmt902） = sin( - )mEt90N 为绕组的匝数，Em= N 是电动势的最大值。其相位比磁通m29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：= sin (参考量) （3-Aemt3）= sin( - ) （3-Bemt1204）= sin( + ) （3-Cemt5）各相的端电压等于相电动势，可表示为：= sin （参考量） AUmt（3-6）= sin( - ) （3-BUmt1207）= sin( + )
47、（3-Cmt8）则加在电容组各电容器的电压是对称的线电压，可表示为：= sin( + ) （3-ABU3mt309）= sin( - ) （3-BCmt93010）= sin( + ) （3-CAU3mt15011）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。我们知道，三相对称的绕组通人三相交流电就会产生一个旋转磁场，旋转磁场在转子导体感应产生导体回路电流，回路电流使转子产生磁场。因为电容电流的相位比其相应的端电压超前 ，所以，90转子感应电流产生的磁场与原始定子绕组产生感应电动势的磁场同向，增大了产生感应电动势的磁场，因此绕组的感应电动势得以增大，电动势增大后，使电容
48、电流随之增大，如此循环下去，最后绕组电动势达到额定值，异步发电机就发出电来。从以上分析知道，要使异步发电机产生所需要的电动势，必须有足够强度的转子磁极，而要有足够强度的转子磁极，必须有足够大的三相电容电流，要有足够大的电容电流，在一定的电压下，必须有容量足够大的电容器组。实验证明，要使发电机的空载电压达到额定值、电容电流( 励磁电流) 等于电动机的空载电流，如电容器组为三角形联接时，如图 1 所示，则所需的总电容量 C 按下式计算。C= F （3-nfUI230612）式中 I。为电动机的空载电流，一般为其额定电流的 30U。为额定电压，亦是发电机的额定电压，f 为额定频率。从图 3-1 看到，电容器承受的电压是线电压，电容器的额定耐压值应是线电压的最大值。但实验证明，如额定电压为 380V，电容器耐压值达到 400V 时，即可正常发电。如电容器的耐压值不到 400V，应
