感应发电机特研究设计.doc

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1、河南理工大学毕业设计（论文）说明书1 绪论1.1 引言 社会的发展总是与生产力的发展密切相关的，然而，生产力发展中一个非常重要的内容就是能源开发利用方式的进步，可以说能源开发利用方式的革新与完善是人类进步的基石。随着石油，煤，天然气等不可再生资源能源的快速消耗，加之现代化发展日益增长的能源需求，能源矛盾越来越突出，因此发掘新能源以及采用更科学的方法提高能源利用率已成为世界关注的焦点，这势必将为能源的开发利用带来新的发展甚至革命。 近年来，在现代电力系统中，同步发电机一统天下，由于开发风力、水能及沼气等可再生能源的需要，在一些草原、牧场、海岛及边远山区等大电网没有覆盖的地区建立的小型发电站中，感

2、应发电机有其独特的用途，实心转子的感应发电机具有明显的优越性。此外，在某些缺电的城镇乡村，断电后所启用的应急小型柴（汽）油发电机组中，也有不少采用感应发电机。在很多场合、很多情况下，感应发电机在许多方面优于传统的小型同步发电机。近些年来随着工农业生产以及国防事业的发展，人们对各种独立电源的需求量日益增加。在传统的发电机组中，一般采用同步发电机。然而，由于感应发电机具有结构简单、价格低廉、运行可靠、维护方便且动态性能良好等优点，越来越受到人们的重视，并已成功地应用于风力发电、小水电等系统中，随着技术的进步感应发电机还将用于大型水力发电机，应用前景看好。1.2 感应发电机研究发展现状感应发电机原理

3、于1901年由法国人M.Mauyice Loblance首次提出，然而于同步发电机相比其应用是极为有限。1917年在美国太平洋海岸于太平洋电力公司装设了一台1750kW的感应发电机；1919年又安装了一台425kW和一台1000kW的感应发电机。在美国东海岸交通局装设了五台7500kW 25周波余热透平驱动的感应发电机。到20世纪50年代前后，感应发电机在水电、热电站辅机发电、自备电站等场合都有应用，同时在欧洲也建立了一批感应发电站。美国的Soctlendl北方水电局建设了由一台感应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11kV 50周波电机303r/min时发出5

4、000kW的额定功率，当电网负荷低谷时，电机作电动机运行产生6500P(约4875kW)轴功率驱动水泵江水从低水位提升到高水位。该电站是最早的感应电机装备的抽水蓄能电站。20世纪50年代以后，随着电力系统容量的扩大，用于水电站的感应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应用。如，在新西兰已经有50%以上的水电站安装感应发电机，并认为经济上合理的容量范围是75kW6000kW；在英国，仅英格兰北部电力系统就安装了29台容量为30kW5000kW不等的感应发电机；日本从1959年开始研究感应发电机，目前已有容量范围：50Hz的500kW5000kW及60Hz的600kW6000k

5、W；此外世界上其它一些国家也对感应发电机作了大量的研究。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年代开始研究感应发电机在大电力系统中的应用问题，并认为大系统采用感应发电机后，可提高系统的稳定性、可靠性和运行的经济性。在现实生活中，变速发电是一个关键的问题，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，就要采用变速器或改变叶片浆距的方法控制原动机转速，这就增加了成本和维护难度。而感应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，易于控制等优点，可在一

6、定的变速范围内直接用于变速发电。变速发电时，由于原动机转速和功率是变化的，发电机输出功率和效率也是变化的。而普通感应电机做发电机用时，定子绕组电流增大会限制发电机功率的进一步提高。为改善感应发电机的性能，有人采用了双输出感应发电机。双输出感应发电机采用绕线式转子，转子端经整流-逆变装置与电网连接，控制逆变器晶闸管导通角，维持定子电流不变。这样额定功率来自定子，而变化功率经转子输出到电网。因此，当原动机输出功率很大时，定子绕组不会出现过热现象。感应发电机需从电网吸收无功功率，如不采取办法就会影响电网的供电效率，所以一般都要配备发出无功的设备。感应发电机单机运行时，还必须由电容来实现电机的自激，而

7、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。这些都增加了感应发电机运作复杂性和设备成本，限制了它的应用。但这些根本无法阻碍人们对感应发电机的研究和开发。目前，随着可控硅控制的静态无功伏安源的进一步发展，感应发电机的应用又开始热起来。虽然感应发电机在现实生活中应用较少，但其结构简单，坚固可靠，维护便利，并网容易，易于控制等优点，使得它在可再生能源（如：风能和水能）的开发和利用以及节电技术和节能工程等方面越来越被看好。1.3 本课题的提出及意义随着媒、石油等不可再生能源的快速消耗，相反社会的进步对能源的需求越来越多，能源的不足问题越来越突出，因此开发新能源就成为必然，然

8、而像风能、水能等能源的开发就大量的采用了感应发电机，因此研究感应发电机就有了它的现实意义。另外在农村或某些场合，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感应电动机加接适当容量的电容，改装成感应发电机，解决燃眉之急。此种感应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。本课题为“感应发电机特性研究”，将涉及单相和三相感应机的原理特性，这对感应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。1.4 本文所作的工作 本文的具体工作如下： 单相自激式感应发电机结构简单、坚固耐用、运行可靠、成本低但目前存在输出电压不稳等技术难题，因此限制了它的实际应

9、用。国外学者为解决这一问题也进行了深入的研究，但都没有取得实质性进展，因此在此就只作简单介绍，主要研究讨论三相感应发电机的原理、特性及应用等相关问题。 1.详细的分析和探讨了感应发电机的基本理论和运行特点（1）、分析感应发电机的结构和基本工作原理；（2）、介绍感应发电机的接线方式和励磁方式以及感应发电与同步发电机的比较。（3）、分析、研究感应发电机单独运行，电网并联运行，降压运行，并车运行时的特点及注意事项；（4）、分析感应发电机的运行控制及保护；（5）、分析感应发电机运行中常见故障的原因及排除方法。2分析和研究了感应发电机电容器选择和电容量计算三相感应发电机可改作自励发电机使用，其中电容器起

10、着重要的作用。自励三相感应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感应发电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。所以合理选择电容器是关键，这里就选择电容器的方法作一介绍。3介绍了两种感应发电机在现实生活中的应用感应发电机应用水电站时，在相同单机容量情况下，感应水轮发电机要比同步发电机价格便宜；同时，控制、励磁和电气设备也会减少投资。所以单机容量等于和小于同步机组，应优先选用的同步水轮发电机组。在单机容量和电压相同的情况下，感应发电机要比同步发电机价廉，发电成本低，不存在并网误操作问题，电机效率也大大提高。由于感应发电机并入电网的手续极为

11、简单容易，只要将发电机的转子带到尽可能接近同步转速，并且转子转向与定子旋转磁场转向一致，即可并入电网。而且它的结构简单，价格便宜，维护方便等优点使得它可作为风能系统中的能量转换器，其在可再生能源的开发和利用中也越来越被看好。2 感应发电机的结构及工作原理2.1 感应发电机结构及标准系列2.1.1 感应发电机结构感应发电机有卧式和立式之分。A. 卧式感应发电机感应发电机一般转速较高，故结构上以卧式居多。 图2-1 卧式感应发电机剖面图 1. 定子铁芯 2.定子线圈 3.转子铁芯 4.机座5. 底座 6. 转轴 7. 轴承座 8. 冷却风扇 9. 冷却风沟10. 进风口 11. 通风管 12. 飞

12、轮 图2-1 为典型的卧式感应发电机的剖面图。定子铁芯和定子绕组的结构与同步发电机一样。但转子为笼型结构，转子铁芯为电工钢片叠成的圆筒型结构，转子笼条和端环间采用高频钎焊，能承受水轮机飞逸式的机械应力及运行中的热应力。冷却方式多为轴径向管道式通风。冷却利用转轴两端（或一端）安装的风扇，从进风口进风，然后经转子铁芯和定子铁芯中的风沟排风。如果仅靠发电机本身的转子不能满足水轮机所要求的转动惯量（GD）则一般在发电机与水轮机连接部位附加飞轮。B. 立式感应发电机 图2-2 立式感应水轮发电机组布置图立式感应发电机一般为悬式结构。发电机上部装有推力轴承和导轴承，下不装导轴承，也有采用下导轴承和水轮机轴

13、承共用的结构。图2-2 为日本富士公司美国Lank Mathews电站制造的立式感应发电机（4900kW,327.5r/min,4.16kV) 的剖面图。发电机为悬式，发电机上部及水轮机机部各有一个导轴承。转子为笼型绕组，转子支臂焊在转轴上，建起风扇作用。2.1.2 感应发电机标准系列在日本及欧洲，中卧式感应发电机应用较广，卧式感应发电机已形成系列。系列电机的功率范围为5000kW（50Hz）以下或6000kW（60HZ）以下。2.2 感应发电机工作原理众所周知，电机的运行是可逆的，感应电机即可作电动机运行，又可作发电机运行，感应发电机和感应电动机其实就是感应电机的两种不同的运行状态，因此感应

14、发电机和感应电动机的机构基本相同。一台鼠笼型异步发电机：当定子外加电压作电动机运行时，其转速n总是小于气隙旋转的磁场转速n(即n0)，这时电机中产生的电磁转距与转向相同；当电机空载运形时，并外加一个驱动转距使转速等于同步转速（即n=n转差率s=0）时，由于旋转磁场和转子间无相对运动，电机的电磁功率为零，定子电流只为激磁电流，定子从电网吸收的功率用于克服定子铜耗和铁耗，转子上的驱动功率用于克服风耗和轴承损耗；但继续增大驱动转距，转子的转速将高于同步转速（即nn，转差率s=0），此时转子导体切割旋转磁场的方向就与nn时相反，因而转子感应电势的方向也与nn时相反。图2-3为感应发电机的运行状态。感应

15、发电机中转子电流有功分量为：I=Icos= (2-1)感应发电机中转子电流无功分量为： I=Isin= (2-2) 式中,分别为每相转子回路的感应电势，电阻和电抗。在发电状态下，转差率s0，因此有功分量I与电动状态相反，即向电网输送有功功率；而无功分量I方向不便，即在发电状态下继续吸取无功电流。当电源电压和频率不变时，磁通基本不变，因此建立磁场所需的励磁电流I,与感应电机的运行状态无关。也就是说,感应电机在发电运行时，即从电网吸取励磁电流，又向电网输送一定的有功功率，此时的感应电机就作感应发电机运行。 （2-3）式（2-3）感应发电机的基本方程组（注意：转差率s0）：由式（2-3）可得感应发电

16、机的失量图，如图2-4所示，其中为空间矢量与（）的相位差。由于转差率s0,电机的电磁功率为； （2-4）电机进入发电状态。实际上只有当这个大于电机的铁耗，定子铜耗等损耗之和时，电机才能发出电回馈电源。此时定子电压与电流的相位差满足，有功率为； （2-5）电极将输入机械能转化为电能。而此时无功率为； （2-6）电机仍然从电网吸收滞后的无功功率。2.3 感应发电机接线和励磁方式2.3.1 单相感应发电机的绕组接线单相感应发电机主，副绕组的接线方式主要有以下三种，在不同的结构方式下，其带负载的能力及固有电压调节率也是不同的。A. 接线方式I该定子绕组接线方式如图2-5（a）所示，定子绕组相数m=1,

17、无副绕组。这种情况即前面所提到的单绕组异步发电机，它由主绕组单独供电，电容器并与绕组两端，再并接负载。负载的有功功率由主绕组将通过气隙转换而来的电功率，通过电传导方式直接供给，无功则由电容器提供。此外，电容器还向绕组提供励磁无功。采用这种结构方式时，发电机端电压随负载变化较大，即发电机的固有电压调节率较大，但绕组的结构及接线较为简单。B.接线方式II接线方式II如图2-5(b)所示，定子绕组相数m=2，由主绕组带负载，副绕组并接电容器C。运行时，负载的有功由主副绕组共同提供，其来源均为转轴上吸收的机械功率转换而来，但向负载提供的方式不一样：主绕组仍是通过电传导的方式提供；而副绕组则通过气隙磁场

18、的磁耦合作用传递给主相，然后提供给负载。负载的无功和主绕组所需励磁无功均由电容器所在副绕组电路通过气隙提供。采用这种结构方式时，发电机端电压随负载变化较小，即发电机的固有调压率较小，稳压性能相对较好。但绕组的结构及接线较为复杂，材料消耗较多。C. 接线方式III接线方式III如图2-5（c）所示，电容器C与副绕组串联后于主绕组并联，共同承担负载。负载的有功率由主副绕组通过电传导方式直接提供负载的无功和主绕组所需励磁无功均由电容器所在副绕组电路提供。采用这种结构方式时，电机的材料利用率高，但发电机的固有电压调节率较大，电压稳定性较差。 图2-5 各种主副绕组接线方式2.3.2 感应发电机的励磁方

19、式发电机的励磁方式有两种，一种是他励方式，这种方式是电网供给励磁电流来建立磁场。这种方式在农村无其它电源供电的情况下，无法使用。另一种是自励方式，它是依靠本身剩磁和一组接在定子线圈上的电容器来自行励磁，此种方式在农村广泛应用。2.4 感应发电机与同步发电机的比较2.4.1 感应发电机的优缺点感应发电机于同步发电机优缺点的比较如表2-1所示。表2-1 感应发电机于同步发电机的比较（a） 优点序号项目 感应发电机 同步发电机1结 构定子于同步发电机相同，但转子为鼠笼型、结构简单、牢固转子具有阻尼绕组及励磁绕组、结构复杂2大 小尺寸较小、重量较轻尺寸较大、重量较大3励 磁无需励磁装置及励磁调节装置，

20、由电网供给励磁，需要励磁装置及励磁调节装置4同步合闸强制并网，无需同步合闸装置需要同步合闸装置5稳定性对于负载变动没有非同步现象，运行稳定因负载急剧变化，有可能非同步运行6高次谐波负载能力转子笼条热容量大，对高次谐波负载得耐力较强阻尼绕组及励磁绕组限制了电机的允许功率7维护检修定子等的维护于同步机相同，但转子不需要维护励磁绕组及电刷都需要维护表2-1 感应发电机于同步发电机的比较(续)（b） 缺点序号项目感应发电机同步发电机1单独运行需要有电网供给励磁，一般不能单独运行能单独运行2功率因数功率因数决定于发电机功率，不能调节能在适合负载功率的功率因数下运行3励磁电流励磁电流由系统供给，电流滞后，

21、导致系统cos降低；而且低速电机的励磁电流较大用直流励磁4电压及频率调节电机的电压和频率受系统支配，不能调节单独运行时可任意调节电压和频率5冲击电流强制并网，冲击电流大，导致系统电压下降同步化并网，过渡电流较小，系统电压下降较小2.4.2感应发电机与同步发电机在电站中应用的经济性比较(1) 感应发电机装备的电站由于无需直流励磁系统，电站投资费用低。(2) 感应发电机由于无集电环、电刷、转子励磁绕组，因此维护及运行费用低。(3) 感应发电机转子为隐极及无同步发电机类似的转子绕组，因此一般效率高于同容量同转速的同步发电机。相同水资源下，采用感应发电机可多发电。(4) 但是，感应发电机的上述经济优势

22、将会由于它发电时所需励磁（或附加同步容量或附加电容器）而受到部分抵消。(5) 感应发电机所需励磁的大小与电机的额定转速成反比（即与电机的极对数成正比），转速越高，标幺值励磁越低。(6) 感应发电机电站厂房面积较同步发电机电站厂房面积小。因此，经济上比较的一般性结论难于准确得出，应该对每一个电站作具体的分析。2.4.3 感应发电机的适用范围 从表2-1可以看出，感应发电机具有结构简单、牢固、体积小、重量轻、辅助设备少、运行维护方便等优点，但也有不能进行电压调节，不能调节功率因数（经常为超前运行），并网时冲击电流较大等缺点。在低速感应发电机中，还存在功率因数较小、效率较低等缺点（图2-6、图2-7

23、）； 功率/MW图2-6 感应发电机功率曲线图28025200120极12极8极16极8590cos/%6极4710在较大容量机组中，并网时冲击电流较大可能造成电网电压下降，超前功率大还可以造成系统的电压波动。功率/MW图2-7 感应发电机效率曲线 （3kV级机、100%负荷时）20195效率/%8极346极5610、12极14、16极 综上所述，感应发电机通常用于转速较高的中小容量机组中，一般适用范围为：容量在700010 000kW以下；转速在300400r/min以上。3 感应发电机特性分析3.1 感应发电机运行特性分析 感应发电机有两种运行方式：单独运行方式和与电网并联运行方式。3.1

24、.1 单独运行的三相感应发电机在单独运行方式中，感应发电机所需感性励磁电流必须从负载中获取。为此，一方面转子磁路系统必须有一定的剩磁，另一方面发电机端点一定并联一组对称的励磁用电容器。单独运行三相感应发电机必须解决励磁问题，在三项感应发电机定子端点接上适当的电容器，可以提供励磁无功功率，如图3-1所示。 与并励直流发电机一样，要想建立电压，就必须有剩磁。剩磁在定子绕组里产生的电动势在电容器负载的作用下，又在电机的定子绕组里产生了容性电流，使气隙里的磁通得到加强，从而又增大了电动势，最后由于磁路饱和的作用，使能在定子绕组建立固定大小的电压，如图3-2所示。为此，也叫自励感应发电机。与并励直流发电

25、机不同之处是这里不存在极性的问题。为了保证感应发电机能可靠地建立电压，还得让电容与空载特性曲线有明显的交点，如图3-2中的a点，这就需要有足够容量的电容才行。把与空载特性不饱和段相切的直线叫做临界电容线，它与横坐标轴的夹角为，则 (3-1)式中称为临界电容值。在空载时，要建立正常的电压。必须使 (3-2)即必须使 (3-3)即外接电容器必须大于某一定的临界电容值。从图3-2可以看出，增加电容量C，可以使角减小，端电压增高。如图3-3所示,转子转速等于额定转速,电容C为常数,带电阻性负载时为曲线1,带电感性负载时为曲线2。 图3-3 外特性曲线3.1.2 三相感应发电机电容器的选择自励三相感应发

26、电机一般接两种作用的电容器，一种称主电容器固定地接在异步电动机的定子绕组上，另一组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。主电容器为三相感应发电机工作提供空载励磁电流，而辅助电容则用于供给增加负载时所需的励磁电流，补偿负载所引起的压降，使发电机电压保持稳定，辅助电容器电容I可调节。发电机要有良好的运行特性，合理选择电容器是关键，这里就选择电容器的实用方法介绍如下。A.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如图31所示，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)的电容备可按下式计算: C=

27、 f (3-4)式中 发电机的额定线电压 V 激磁电流的无功分量，线电流 A f 频率 Hz 其中 = (3-5) cos0.20.3 (3-6)-发电机的额定电压时的空载线电流，可取电动机额定电流的30，即=0.3。 形联接空载时每相所需电容量即主电容量C=4.841.45f (3-7)形联接空载时三相所需总电容量 =4.35 f (3-8)B.负载时电容量的近似计算（1）电阻负载 发电机带电阻负载时所需容性电流为克服本身的无功分量= (3-9)式中 -额定负载电流 cos-感应电机额定功率因数带电阻负载，电容器按形联接.每相电容量为 = f (3-10)这样每相辅助电容器的电容量就可由-C

28、之值确定。三相所需总电容量 = f (3-11)（2）动力负载 带动力负载需要增加容性电流以补偿负载的无功部分，满载时所需增加的无功容量为 Q=电动机容量 k Var (3-12)式中cos-负载功率因数满载需增加的三相总电容量（即辅助电容）为= f (3-13)可作为选择辅助电容器的依据。发电机满载时的总电容量为 =+ f (3-14)(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，应不低于感应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）应注意的几个问题电容器电容量选择应

29、适当，选得太小发电机电压达不到要求值，电压调节范围较小甚至发生电压崩溃，选得太大易产生过电压，且成本高。三相感应发电机主要适用于照明负载，供给动力负载只能是少部分的，一般动力负载容量应在发电机额定容量25%以下，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。辅助电容器可由若干组小容量电容器并联组成，且应装设转换开关，以便调节容量，主电容器可以是固定式的。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.导致电压大幅下降以至崩溃，辅助电容器的电容量在此情况下应适当增加。3.1.3 与电网并联运行的三相感应发电机A. 基本方程式在前面提出的感应发电机的基本方程式（2-3），适合于

30、各种转差率s的值。我们这里研究转差率s0的情况，基本方程式现重写如下： （3-15）B. 相量图画三相感应发电机的相量图时，相量、等于转差率s无关，只是定、转子电流、与s有关。转子电流 (3-16)式中， 为转子有功电流折合值； 为转子无功电流折合值。当三相感应发电机运行在发电状态，s0，转子有功电流可写成 (3-17)可见，相量与电动势反相位。转子无功电流滞后时间电角度。根据式（3-15）和式（3-16）可画出s0时三相感应发电机的相量图，如图3-4所示。C.功率关系从图3-4可以看出，在s0运行状态下，定子电压与电流之间的夹角的变化范围为，为负值，定子功率，说明这种状态三相异步发电机向电网

31、发出有功功率，从而使发电状态。机械功率，由于s0，说明三相感应发电机由原动机吸收机械功率。原动机输入的功率为，减去机械损耗和附加损耗，即为机械功率。机械功率再减去转子铜损耗，变为电磁功率。电磁功率减去定子铜损耗和铁损耗，则为三相感应发电机定子向电网输出的电功率。即 （3-18）根据式（3-18）可以画出三相感应发电机功率流程图，如图3-5所示。图3-5 三相感应发电机功率流程图并网运行的三相感应发电机，运行中要从电网吸收较大的滞后性无功功率，这是它的很大缺点之一。D. 并网时的过渡过程a. 并网时的冲击电流同步发电机由于采用同步装置，在电压、频率和相位与系统一致时，才并网运行，故可以不考虑并网

32、时的冲击电流。但在感应发电机的场合，是在转速上升到超过同步转速，并在一定的滑差S内利用速度继电器和系统并网，由于发电机并网时本身无电压，故电机和系统并网时必须伴随一个过渡过程，流过56倍额定电流的冲击电流。感应发电机并网时的冲击电流为： (3-19)式中 -正常交流分量； -瞬时交流分量； -瞬时直流分量； -时间常数，； -定子漏抗； -转子漏抗（换算值）； -转子电阻（换算值）； 、-相位差。 b. 三相短路电流 感应发电机如果在运行状态下定子侧发生三相突然短路，则流过的过渡电流的大小基本上和并网时的冲击电流相等。突然短路时的电流计算公式为： (3-20) 感应发电机发生三相突然短路时，由

33、于磁通消失，故无持续短路电流流过。3.1.4 感应发电机降压运行及效率分析感应发电机降压运行方式不但能够提高电机运行效率和功率因数，而且可以避免发电机组电动运行，增加了发电量。它对感应发电机的应用具有重要的理论和现实意义。A. 降压运行的基本理论和实现当感应发电机轻载时输出功率较小，同时转子铜耗随之降低，但铁耗基本不变，此时电机损耗主要为铁耗。由于励磁电流未变，定子铜耗降低不多，因此电机效率和功率因数大为降低。如果轻载时适当降低电机输出电压，则电机铁耗差不多随电压平方而下降，是定子铜耗减小，从而降低了总损耗，使效率和功率因数得以提高，这就是感应发电机轻载降压运行提高效率的基本原理。用电力电子元

34、件可以容易地实现降压运行。例如；可以用双向晶闸管作为并网开关和降压元件。根据输出功率，通过控制晶闸管的触发角来实现并网、解列和降压运行。双向晶闸管具有降压作用，并且当其导通时电压近似为零；当其关断时电流为零；双向晶闸管可以用电感等效，因为像电感一样，双向晶闸管的基波电流落后基波电压，而且只有发电机电流、电压的基波分量产生力矩和功率。通过改变晶闸管的触发角，可以改变等效感抗X的关系如图3-5所示。因为转差率S是随着负荷变化的量，所以，（）角与电机转差率s有一一对应关系，据此可以得出S与X的变化关系如图3-6所示。晶闸管等效感抗与发电机阻抗串联，电网电压减去晶闸管电压降就是发电机的端电压，它与S的

35、关系也一同画在图3-6中。从该图可以看出，通过改变触发角可以控制发电机的端电压，从而改变转差率。风力发电机组从S=+0.005时开始并网，当S=-0.005时晶闸管完全导通，机端电压等于电网电压；在S=+0.005到-0.005之间，发电机处于降压运行状态。B. 运行效率分析感应发电机的输入功率减去损耗等于输出功率，降低损耗增加了有功功率输出。增加的有功功率输出可用下式计算： （3-21）式中 -发电机的空载损耗；-额定效率；-额定功率；-负载率（输出功率于额定功率之必）；-降压系数（机端电压与额定电压之比）；=0.25(4极电机)或=0.30（极数大于4的电机）。因此，感应发电机降压运行的效

36、率为： （3-22）式中 -额定电压运行、输出功率为P时的效率电压降低还减少了感应发电机的无功功率： （3-23）式中 -发电机空载无功功率 -额定功率因数 本小节提出感应发电机降压运行的方式，主要是以感应风力发电机组为例说明的。此种运行方式可以实现感应风力发电机组低输出功率时的降压运行，提高运行效率；同时可以完全按照“发电就并网，不发电则与电网解列的原则”对风力发电机组进行控制，大大改善了感应风力发电机组的运行效率，此种运行方式对感应风力发电机具有很高的理论和实用价值。3.1.5 感应发电机并车及运行注意事项A. 感应发电机并车运行条件：(1)附近有区域性电网，可将感应发电机并入电网，向系统

37、输送有功功率。这种运行方式可以简化运行，保证频率和电压稳定。感应发电机解列时，其主电容器组和副电容器组可仍和电网接通，以改善电网功率因数。(2)当附近电站有同步发电机运行时，可将感应发电机并入运行，分担同步发电机有功负荷。在感应发电机解列时，其主电容器组和副电容器组可根据同步发电机无功负荷情况，部分或全部退出运行。(3)容量较大的几台感应发电机，如原动机调速系统反应灵敏，则可并列运行。运行中，应严格监视其功率分配情况。 感应发电机并车，无需整步设备，操作简单，其并车方法及注意事项如下：(1)确定相序，其方法是将母线电源与感应发电机接通，作电动机运行，观察其旋转方向，应和用原动机拖动时转向相同。

38、如转向相反，可将感应发电机任意两根相线对调即可。(2)功率较大的感应发电机并入容量不大的电网应注意，在并入电网时，其转速应略高于同步转速，以免并车瞬间引起系统电压波动，并入系统后调整转速带有功负荷。(3)功率较小的感应发电机，在并入系统时，其转速应等于或略低于同步转速，以防止并入时就承担较大的负荷，并入电网后再调整原动机转速带有功负荷。(4)大小不同的两台感应发电机并列时，应以小的一台感应发电机作为待并机。待并机的转速接近同步转速时合上并车开关，然后再投入待并机的主电容器组和副电容器组。(5)他励感应发电机运行方式（不配置励磁电容器的感应电动机），以略高于同步转速并入电网运行，从电网吸收无功功

39、率，称作他励感应发电机，可向电网输送有功功率。但因感应发电机所需无功功率较大，对电网运行不利，一般不采用。B. 感应发电机运行注意事项：(1) 感应发电机应在空载下将电压升至额定值后再带负荷，否则电压很难建立起来。(2)带负荷顺序应该是先起动容量较大的电动机，然后起动较小容量的电动机，最后是照明或其他负荷。(3)切除负荷时应同时切除一部分电容器组，以防止过电压。(4)当转子剩磁消失时，如当地有电源，可通电将发电机作为电动机运转数分钟；如无电源，可起动前用6V蓄电池或一号电池四节串联后加在任何一相定子绕组上充电几秒钟。有时转子剩磁微弱，难以激发起电压时，也可以提高原动机转速，或投入更多的电容器，

40、促使其激励。(5)感应发电机能长时间承受较大的超速运行，因此，对电源频率要求不高的场合，可以用改变原动机转速来保持电压，或以高于同步转速运行，以减少电容器购置费用。(6)如起动单机容量超过发电机容量15%以上的感应发电机时，可在发电机侧配置一组起动电容器组，起动电动机时投入，起动后断开，可以使感应发电机顺利起动占本身容量40%的空载感应电动机。(7)为防止因原动机飞车或突然甩负荷引起过电压击穿发电机绕组绝缘，应在发电机侧安装一组击穿保险。(8)当感应发电机供电线路较长时，应在发电机出口第一基杆安装一组FS1-0.5型低压阀型避雷器，避雷器应良好接地，起接地电阻小于10。3.2 感应发电机功率因

41、数的改善和自励现象 如图3-7所示，感应发电机的视在功率，由有功功率和无功功率合成。功率因数为： (3-24)无功功率与励磁电流成正比，而励磁电流大致决定于定、转子铁心间的气隙磁势。在相同容量下，低速机的气隙长度与极距之比相对较大，使气隙磁势增大，无功功率较大，故通常低速机较小。为了提高感应发电机的功率因数，通常采用发电机并联电容器以补偿无功功率的办法。如图3-7所示，并联电容器后，发电机的无功功率由降低到为电容器的电容量），从系统看，功率因数则有增大到。改善功率因数的电容器容量由下式求得： (3-25)的单位为KW，的单位为Kvar, 通常选定在0.95左右。相应的电容器电容为： (3-26

42、)式中 -端电压， V 但是，在考虑用并联电容器提高功率因数时，应该注意防止产生自励现象。自励现象是在发电机和电容器并联且与系统断开时产生的。这时，电容器的超前电流成了发电机的励磁电流，它使磁通增加，感应电势增大至发电机饱和曲线的交点处。图3-8为额定转速（为定值）下的自励现象示意图，图中A、B、C为电容器的电压电流特性曲线，且曲线C的电容器容量大于曲线B的容量大于曲线A的容量。D为感应发电机的空载饱和曲线。图中，A与D不相交，不发生相交，不发生自励；C与D相交，可以发生自励，产生电压；B与D相切，为不发生自励的极限，曲线B的电容量（即不产生自励现象得最大电容器容量）为： (3-27)式中 -额定端电压， KV