異步機(jī)發(fā)電的原理與判據(jù)

1、異步機(jī)發(fā)電的原理與判據(jù)的研究摘要 傳統(tǒng)電機(jī)理論以轉(zhuǎn)差率的正負(fù)為異步機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的判據(jù)，缺乏科學(xué)的證明并 與實(shí)踐不符。判別異步機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的參照標(biāo)志是理想轉(zhuǎn)速，電動狀態(tài)的判據(jù)為n<n。；發(fā)電狀態(tài)的判據(jù)那么為 n>n0。異步發(fā)電機(jī)調(diào)速的目的是為了滿足 n>no發(fā)電判據(jù)的需要，主要適用于轉(zhuǎn)速變 化的風(fēng)力發(fā)電等場合。功率因數(shù)是異步發(fā)電所面臨的重要問題，有效的解決方法是轉(zhuǎn)子激磁補(bǔ)償， 為此，電機(jī)宜為繞線型，調(diào)速控制應(yīng)該具有對轉(zhuǎn)子無功補(bǔ)償?shù)墓δ堋ｊP(guān)鍵詞異步發(fā)電 判據(jù) 理想轉(zhuǎn)速 調(diào)速 功率因數(shù)、尸 、-前言化石能源資源日趨減少且不可再生，使得以煤、石油等為資源的火力發(fā)電面 臨難以持續(xù)開展的困難

2、局面， 為了滿足不斷增長的電能需要， 風(fēng)力發(fā)電已被提到 重要議程，同時正在蓬勃開展。如果僅從技術(shù)性能角度出發(fā)，交流發(fā)電當(dāng)首選同步發(fā)電機(jī)，理由是同步發(fā)電 機(jī)具有效率高， 激磁功率小， 發(fā)電不僅有功， 而且兼有無功等一系列優(yōu)點(diǎn)。 但是， 同步發(fā)電要求轉(zhuǎn)速必須穩(wěn)定， 顯然，這對于轉(zhuǎn)速變化無常的風(fēng)力發(fā)電來講是無法 實(shí)現(xiàn)的。于是異步發(fā)電就應(yīng)運(yùn)而生，但是，異步發(fā)電原理如何科學(xué)地詮釋？以及怎樣 克服異步發(fā)電存在的技術(shù)缺陷？對于這些重大理論和技術(shù)問題，作者研究發(fā)現(xiàn)， 傳統(tǒng)的電機(jī)理論不僅無法給出科學(xué)、準(zhǔn)確的答案，而且有關(guān)結(jié)論與事實(shí)不符。為了促進(jìn)風(fēng)力異步發(fā)電技術(shù)的開展，本文針對傳統(tǒng)電機(jī)理論存在的問題，主 要利用作

3、者前曾提出的交流調(diào)速 P 理論文獻(xiàn) 1，對異步機(jī)發(fā)電運(yùn)行原理進(jìn)行 了分析和研究，并且得出新的結(jié)論。其中，新建立的異步機(jī)發(fā)電狀態(tài)的判據(jù)，對 異步機(jī)發(fā)電運(yùn)行原理給予了全新的解讀， 同時，也指明了異步發(fā)電機(jī)的技術(shù)路線和開展方向，希望能夠引起業(yè)界的關(guān)注和討論1. 問題的提出異步機(jī)感應(yīng)電機(jī)是異步電動機(jī)和異步發(fā)電機(jī)的統(tǒng)稱， 根據(jù)電機(jī)可逆原理， 一臺異步機(jī)既可作為電動機(jī)，亦可作為發(fā)電機(jī)，電機(jī)究竟運(yùn)行在何種狀態(tài)，本質(zhì) 的判據(jù)是能量轉(zhuǎn)換方向，即，如果是電一一機(jī)轉(zhuǎn)換，那么為電動狀態(tài)；如果是機(jī)一 電轉(zhuǎn)換，那么為發(fā)電狀態(tài)。但問題是如何判斷電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換方向呢？這就需要 根據(jù)具體的電機(jī)原理，尋找出區(qū)分電機(jī)工作狀態(tài)的標(biāo)志

4、性物理量， 并通過該標(biāo)志 性物理量的界定，最終確定電機(jī)的工作狀態(tài)，于是，這個標(biāo)志性物理量及其界定 便成為電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的判據(jù)。顯然，作為根底理論，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的判據(jù)必須是 科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，否那么，將對異步發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生誤導(dǎo)。對于異步機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的判別，傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)選擇轉(zhuǎn)差率定義為s 比丨為ni標(biāo)志，并以轉(zhuǎn)差率的正負(fù)作為判據(jù)，其主要觀點(diǎn)為：“按照轉(zhuǎn)差率的大小和正負(fù)， 異步機(jī)可分為電動機(jī)和發(fā)電機(jī)及電磁制動三種狀態(tài)。在轉(zhuǎn)差率1> s >0，即Ovnvn的范圍內(nèi)，此時電機(jī)處于電動機(jī)狀態(tài)。假設(shè)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場速度， 即n>ni,此時s<0,電機(jī)就處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)文獻(xiàn) 2。以上觀點(diǎn)可歸結(jié)

5、為：當(dāng)s>0或n<ni時，異步機(jī)為電動狀態(tài)；當(dāng)s<0或n>ni時，異步機(jī)為發(fā)電狀態(tài)。此即為傳統(tǒng)電機(jī)理論的異步機(jī)運(yùn)行狀態(tài)判據(jù)。然而，上述的經(jīng)典理論卻在異步機(jī)雙饋調(diào)速的超同步狀態(tài)時發(fā)生了例外。業(yè) 界悉知，當(dāng)雙饋調(diào)速超同步運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，即n>ni，s<0,如果按照傳統(tǒng)的判據(jù)，異步機(jī)應(yīng)該運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，但事實(shí)卻是運(yùn)行在電動狀態(tài)。對此， 傳統(tǒng)的異步機(jī)狀態(tài)判據(jù)無法給出圓滿的解答。科學(xué)的理論應(yīng)該是理想、普適的，理論的科學(xué)性不允許有任何違背理論的例 外發(fā)生。因此，雖然僅舉出傳統(tǒng)判據(jù)的一例失誤，就足以證明傳統(tǒng)判據(jù)的科學(xué)性 值得商榷。2. 異步發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換原理與

6、判據(jù)I異步發(fā)電機(jī)的根本原理異步機(jī)的典型特征是電磁感應(yīng)，即定子和轉(zhuǎn)子的電磁功率是通過旋轉(zhuǎn)磁場的感應(yīng)作用傳輸?shù)?，因此異步機(jī)有旋轉(zhuǎn)的變壓器之稱，其物理模型如圖1所示。異步發(fā)電機(jī)雖然和異步電動機(jī)的能量轉(zhuǎn)換方向相反，但定、轉(zhuǎn)子的電磁感應(yīng)及其電磁功率的傳輸原理并未改變。 異步機(jī)發(fā)電運(yùn)行時，首先，轉(zhuǎn)子在主磁通的 作用下，將機(jī)械功率PM轉(zhuǎn)化為電磁功率Pem，其間須扣除轉(zhuǎn)子損耗P2。與此同 時，轉(zhuǎn)子將電磁功率通過電磁感應(yīng)傳輸給定子，扣除定子損耗 P1后，將功率輸 入電網(wǎng)。異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子功率平衡方程可分別表為Pem PM p2 1Pl Rm Pl 2需要注意的是，和異步電動機(jī)一樣，轉(zhuǎn)子的電磁功率無法直接觀

7、測，而只能在定 子間接地表達(dá)，并表為Pem m E1I1 COS 1 3這是由于轉(zhuǎn)子電磁功率為機(jī)械功率所平衡之故。當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，定子的電壓平衡方程為? ? ?E1 -U1 1. jxj 4式中的E1為定子繞組的感應(yīng)電勢，且 E1>U1，于是定子將電磁功率饋入電網(wǎng)， 異步機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行。另外，異步機(jī)定、轉(zhuǎn)子能量交換的前提是兩者的旋轉(zhuǎn)磁場同步，根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，無論異步機(jī)的轉(zhuǎn)速上下、正負(fù)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速恒為n n2 m 5即轉(zhuǎn)子與定子的磁場轉(zhuǎn)速是恒等的，兩者始終保持同步，因此，異步機(jī)的定、轉(zhuǎn) 子能量交換永遠(yuǎn)是暢通的，不存在轉(zhuǎn)子頻率變化而導(dǎo)致的不同步問題。2異步發(fā)電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速電機(jī)穩(wěn)

8、定運(yùn)行時，原動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 Tm與發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T相平衡，即Tm T 6結(jié)合式1有PMp2t t t由于功率與轉(zhuǎn)矩之比為角速度，故有PemT(8)PM(9)(10)式中的 為角速度；為角速度降；0那么為理想角速度。異步發(fā)電機(jī)的角速度方程表為011換算為轉(zhuǎn)速的形式，那么有60pmn-(12)112 T60 p2 n2 T(13)-60 Pem n°2 T(14)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為n n0n(15)上式中的no定義為發(fā)電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速亦稱理想空載轉(zhuǎn)速，其物理意義為：在假定的無損耗狀態(tài)下即 P2=0，全部機(jī)械功率都轉(zhuǎn)化為電磁功率時，發(fā)電機(jī) 所需要提供的最低轉(zhuǎn)速。由于事實(shí)上必然存在損耗，理想

9、狀態(tài)無法實(shí)現(xiàn)，所以 原動機(jī)提供的轉(zhuǎn)速必須高于理想轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速方程15對此給予了完整表達(dá)。將式15和異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式n no n比照可以發(fā)現(xiàn)，對于電動 機(jī)，理想轉(zhuǎn)速是最高的極限速度與同步轉(zhuǎn)速無關(guān)，而對于發(fā)電機(jī)，理想轉(zhuǎn)速 那么是最低的極限速度，由此可見， 理想轉(zhuǎn)速no是電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的臨界點(diǎn)，也 是區(qū)分電動狀態(tài)與發(fā)電狀態(tài)的唯一標(biāo)志。另外， no既可以從電動角度觀察，也 可以從發(fā)電角度觀察，兩種觀察的結(jié)果是一致的。對于自然運(yùn)行的異步機(jī)，可以通過式14的進(jìn)一步推導(dǎo)過程從略，證明 理想轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速數(shù)值相等，即n0 n1。但應(yīng)注意，這種相等僅僅是數(shù)值的， 且僅限于自然運(yùn)行，不能掩蓋兩者物理意義的區(qū)別

10、。方程14同時給出了改變理想轉(zhuǎn)速的方法，鑒于電磁轉(zhuǎn)矩是由發(fā)電負(fù)載所 決定，不能人為地改變，因此調(diào)節(jié)no只能通過控制電磁功率Pem才能實(shí)現(xiàn)，這一 結(jié)論對于異步機(jī)調(diào)速是極為重要的。需要指出，n>no只是定性的判據(jù)，要使異步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，必須使n和no同在一條機(jī)械特性曲線上，且 n位于第U象限如圖3，此時，由于特性曲線 較硬，兩者的誤差實(shí)際很小。綜合上述，異步機(jī)的理想轉(zhuǎn)速no是十分重要的物理量，且與同步轉(zhuǎn)速ni有本 質(zhì)的區(qū)別。前者是機(jī)械運(yùn)動，后者那么是非機(jī)械的電磁運(yùn)動，影響電機(jī)轉(zhuǎn)速的是運(yùn) 動屬性相同的no,同步轉(zhuǎn)速那么和轉(zhuǎn)速沒有本質(zhì)的聯(lián)系。 傳統(tǒng)的異步機(jī)理論中并沒 有建立no的概念，片面強(qiáng)調(diào)

11、同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率，這是造成理論失誤的根本原因。3異步機(jī)狀態(tài)判據(jù)從本質(zhì)上看，異步機(jī)發(fā)電狀態(tài)的功率判據(jù)應(yīng)為 PM > Pem,根據(jù)力學(xué)理論，機(jī) 械功率表達(dá)為2Pm TTn 166o而電磁功率那么從機(jī)械角度觀察可表達(dá)為2Pem T oTn° 176o將以上兩式帶入功率判據(jù)Pm > Pem，便可得到轉(zhuǎn)速判據(jù)n > no 18即，發(fā)電狀態(tài)的標(biāo)志是電機(jī)轉(zhuǎn)速 n必須大于理想轉(zhuǎn)速no。這和經(jīng)典理論的判據(jù) n>n1顯然不同。發(fā)電判據(jù)不等式18具有重要的工程指導(dǎo)意義，它說明，當(dāng)異步發(fā)電機(jī)的 轉(zhuǎn)速變化且不恒定時例如風(fēng)力發(fā)電，應(yīng)該調(diào)節(jié)理想轉(zhuǎn)速no,使之跟蹤變化的 轉(zhuǎn)速，滿足n >

12、; no判據(jù)。至于同步轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)差率，異步機(jī)的發(fā)電與其沒有直 接、必然的關(guān)系。3. 異步機(jī)發(fā)電的調(diào)速異步發(fā)電機(jī)調(diào)速的提出，主要是為了滿足 n>no發(fā)電判據(jù)的需要。當(dāng)原動機(jī)轉(zhuǎn) 速變化時一一例如風(fēng)力發(fā)電，要保證異步機(jī)運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)，必須通過平滑的調(diào) 速來改變理想轉(zhuǎn)速。前已敘及，理想轉(zhuǎn)速是電動和發(fā)電的狀態(tài)臨界點(diǎn)，無論從哪個角度分析，其 結(jié)果是一致的。由于電動機(jī)更為普及，因此對發(fā)電調(diào)速改變理想轉(zhuǎn)速的分析 以電動為出發(fā)點(diǎn)，于是就和異步電動機(jī)調(diào)速相統(tǒng)一了。關(guān)于異步機(jī)調(diào)速原理，文獻(xiàn)2給予了新的詮釋，并給出了新的公式，為方便 閱讀，現(xiàn)摘要如下：電動機(jī)調(diào)速源于力學(xué)原理，其實(shí)質(zhì)是對機(jī)械功率 Pm的控制；異步

13、機(jī)調(diào)速最終歸結(jié)于轉(zhuǎn)子的功率控制， 根據(jù)Pm P P2，電氣的調(diào)速原理分為電磁功率Pem控制和損耗功率P2控制，前者是通過電磁功率 控制來改變理想空載轉(zhuǎn)速no而非同步轉(zhuǎn)速ni，屬于高效率的調(diào)速;后者是通過增大損耗功率來增大轉(zhuǎn)速降 n,屬于低效率的調(diào)速;對于異步機(jī)，電磁功率調(diào)速的控制對象可以選擇定子或轉(zhuǎn)子， 兩者具有根本相同的調(diào)速性能。改變理想轉(zhuǎn)速的公式對于轉(zhuǎn)子i920E2n0 Ce2 m對于定子EiUin° c c ei mei m式中的E2 轉(zhuǎn)子的合電勢；Ce2 轉(zhuǎn)子電勢系數(shù),Ce2、2 N2kr2p主磁通量調(diào)速變流控制裝置是變速的異步機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的重要組成局部，異步發(fā)電機(jī)的調(diào)速便可根

14、據(jù)情況選擇定子控制或轉(zhuǎn)子控制。即有1) 定子控制的調(diào)速：即按式 20，采取變壓變頻 VVVF 調(diào)速，多用于 鼠籠機(jī)。2) 轉(zhuǎn)子控制的調(diào)速：即按式 19，采取內(nèi)饋、雙饋調(diào)速，只限于繞線機(jī)。 其中，基于轉(zhuǎn)子的內(nèi)饋和雙饋調(diào)速，其變流控制該具有如下功能： 控制附加電源與轉(zhuǎn)子功率交換的方向和大小， 以實(shí)現(xiàn)理想轉(zhuǎn)速的低同 步和超同步無級調(diào)節(jié)； 協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)子附加電源的頻率，以使兩者實(shí)現(xiàn)有功功率交換； 為轉(zhuǎn)子提供無功激磁功率，提高異步發(fā)電的功率因數(shù)。4. 無功補(bǔ)償問題 異步電機(jī)的顯著特點(diǎn)之一是定子激磁，為此，定子須從電網(wǎng)中吸收一定的感 性無功功率， 由于定轉(zhuǎn)子之間存在較大的氣隙， 電機(jī)的磁阻遠(yuǎn)大于變壓器， 因此

15、異步電機(jī)的激磁無功較大，異步機(jī)發(fā)電運(yùn)行時同樣如此。理想的交流發(fā)電機(jī)不僅能夠向電網(wǎng)提供有功電能，還應(yīng)該提供容性的無功能 量，為此，雙饋異步發(fā)電機(jī)在實(shí)現(xiàn)有功發(fā)電的同時， 還要設(shè)法提高異步發(fā)電機(jī)的 功率因數(shù)，以減小定子的無功功率和電網(wǎng)的無功負(fù)擔(dān)。減小定子激磁無功的合理方法是轉(zhuǎn)子激磁，即通過向轉(zhuǎn)子提供一定的激磁電 流，使其產(chǎn)生助磁的激磁磁勢，由于異步電機(jī)的主磁通為定值即 m C ，故 激磁磁勢 Fm 亦為常量，即? ? ?F m F 1 F 2 C 21?由于只分析無功激磁，故可忽略 F1、F2 的有功分量，磁勢平衡可表為代數(shù)形式， 此時的定子磁勢為F 1m F m F 2m 22式中的 F1m 為定子激磁磁勢， F2m 為轉(zhuǎn)子激磁磁勢，兩者方向相同。故轉(zhuǎn)子激磁 可以使定子激磁磁勢和電流減小，定子的功率因數(shù)明顯提高。需要指出，如果轉(zhuǎn)子激磁所付出的無功和定子減小的無功相等，結(jié)果電機(jī)總 的激磁功率不變，那么轉(zhuǎn)子激磁就失去了意義。然而，按照電機(jī)學(xué)原理，對于一 定磁勢，轉(zhuǎn)子激磁所需的無功功率僅為定子激磁的 s轉(zhuǎn)差率倍，正常發(fā)電運(yùn) 行時，s遠(yuǎn)小于1因此轉(zhuǎn)子激磁可以用較小的無功功率補(bǔ)償較大的定子功率激 磁，具有事倍功半的效果。顯然，轉(zhuǎn)子激磁只能適用于繞線型異步機(jī)，