异步机发电的原理与判据.doc

异步机发电的原理与判据的研究摘要传统电机理论以转差率的正负为异步机运行状态的判据，缺乏科学的证明并与实践不符。判别异步机运行状态的参照标志是理想转速，电动状态的判据为nn0。异步发电机调速的目的是为了满足nn0发电判据的需要，主要适用于转速变化的风力发电等场合。功率因数是异步发电所面临的重要问题，有效的解决方法是转子激磁补偿，为此，电机宜为绕线型，调速控制应该具有对转子无功补偿的功能。关键词异步发电 判据 理想转速 调速 功率因数前言化石能源资源日趋减少且不可再生，使得以煤、石油等为资源的火力发电面临难以持续发展的困难局面，为了满足不断增长的电能需要，风力发电已被提到重要议程，同时正在蓬勃发展。如果仅从技术性能角度出发，交流发电当首选同步发电机，理由是同步发电机具有效率高，激磁功率小，发电不仅有功，而且兼有无功等一系列优点。但是，同步发电要求转速必须稳定，显然，这对于转速变化无常的风力发电来讲是无法实现的。于是异步发电就应运而生，但是，异步发电原理如何科学地诠释？以及怎样克服异步发电存在的技术缺陷？对于这些重大理论和技术问题，作者研究发现，传统的电机理论不仅无法给出科学、准确的答案，而且有关结论与事实不符。为了促进风力异步发电技术的发展，本文针对传统电机理论存在的问题，主要利用作者前曾提出的交流调速P理论（文献1），对异步机发电运行原理进行了分析和研究，并且得出新的结论。其中，新建立的异步机发电状态的判据，对异步机发电运行原理给予了全新的解读，同时，也指明了异步发电机的技术路线和发展方向，希望能够引起业界的关注和讨论。1. 问题的提出异步机（感应电机）是异步电动机和异步发电机的统称，根据电机可逆原理，一台异步机既可作为电动机，亦可作为发电机，电机究竟运行在何种状态，本质的判据是能量转换方向，即，如果是电机转换，则为电动状态；如果是机电转换，则为发电状态。但问题是如何判断电机的能量转换方向呢？这就需要根据具体的电机原理，寻找出区分电机工作状态的标志性物理量，并通过该标志性物理量的界定，最终确定电机的工作状态，于是，这个标志性物理量及其界定便成为电机运行状态的判据。显然，作为基础理论，电机运行状态的判据必须是科学、严谨的，否则，将对异步发电技术产生误导。对于异步机运行状态的判别，传统电机学选择转差率（定义为）为标志，并以转差率的正负作为判据，其主要观点为：“按照转差率的大小和正负，异步机可分为电动机和发电机及电磁制动三种状态。在转差率1 s 0，即0nn1,此时s0或nn1时，异步机为电动状态；l 当sn1时，异步机为发电状态。此即为传统电机理论的异步机运行状态判据。然而，上述的经典理论却在异步机双馈调速的超同步状态时发生了例外。业界悉知，当双馈调速超同步运行时，转速高于同步转速，即nn1，sU1，于是定子将电磁功率馈入电网，异步机实现发电运行。另外，异步机定、转子能量交换的前提是两者的旋转磁场同步，根据电机学原理，无论异步机的转速高低、正负，转子的旋转磁场转速恒为 （5）即转子与定子的磁场转速是恒等的，两者始终保持同步，因此，异步机的定、转子能量交换永远是畅通的，不存在转子频率变化而导致的不同步问题。2) 异步发电机的理想转速电机稳定运行时，原动机的驱动转矩TM与发电机的电磁转矩T相平衡，即 （6）结合式（1）有 (7)由于功率与转矩之比为角速度，故有 (8) (9) (10)式中的为角速度；为角速度降；则为理想角速度。异步发电机的角速度方程表为 （11）换算为转速的形式，则有 (12) (13) (14)发电机的转速方程为 (15)上式中的n0定义为发电机的理想转速（亦称理想空载转速），其物理意义为:在假定的无损耗状态下（即p2=0）,全部机械功率都转化为电磁功率时，发电机所需要提供的最低转速。由于事实上必然存在损耗，理想状态无法实现，所以原动机提供的转速必须高于理想转速，转速方程（15）对此给予了完整表达。将式（15）和异步电动机的转速表达式对比可以发现，对于电动机，理想转速是最高的极限速度（与同步转速无关），而对于发电机，理想转速则是最低的极限速度，由此可见，理想转速n0是电动机和发电机的临界点，也是区分电动状态与发电状态的唯一标志。另外，n0既可以从电动角度观察，也可以从发电角度观察，两种观察的结果是一致的。对于自然运行的异步机，可以通过式（14）的进一步推导（过程从略），证明理想转速与同步转速数值相等，即。但应注意，这种相等仅仅是数值的，且仅限于自然运行，不能掩盖两者物理意义的区别。方程（14）同时给出了改变理想转速的方法，鉴于电磁转矩是由发电负载所决定，不能人为地改变，因此调节n0只能通过控制电磁功率Pem才能实现，这一结论对于异步机调速是极为重要的。需要指出，nn0只是定性的判据，要使异步发电机稳定运行，必须使n和n0同在一条机械特性曲线上，且n位于第象限（如图3），此时，由于特性曲线较硬，两者的误差实际很小。综合上述，异步机的理想转速n0是十分重要的物理量，且与同步转速n1有本质的区别。前者是机械运动，后者则是非机械的电磁运动，影响电机转速的是运动属性相同的n0，同步转速则和转速没有本质的联系。传统的异步机理论中并没有建立n0的概念，片面强调同步转速和转差率，这是造成理论失误的根本原因。3) 异步机状态判据从本质上看，异步机发电状态的功率判据应为PM Pem，根据力学理论，机械功率表达为 （16）而电磁功率则从机械角度观察可表达为 （17）将以上两式带入功率判据PM Pem，便可得到转速判据n n0 （18） 即，发电状态的标志是电机转速n必须大于理想转速n0。这和经典理论的判据nn1显然不同。发电判据不等式（18）具有重要的工程指导意义，它表明，当异步发电机的转速变化且不恒定时（例如风力发电），应该调节理想转速n0，使之跟踪变化的转速，满足n n0判据。至于同步转速以及转差率，异步机的发电与其没有直接、必然的关系。3. 异步机发电的调速异步发电机调速的提出，主要是为了满足nn0发电判据的需要。当原动机转速变化时例如风力发电，要保证异步机运行于发电状态，必须通过平滑的调速来改变理想转速。前已叙及，理想转速是电动和发电的状态临界点，无论从哪个角度分析，其结果是一致的。由于电动机更为普及，因此对发电调速（改变理想转速）的分析以电动为出发点，于是就和异步电动机调速相统一了。关于异步机调速原理，文献2给予了新的诠释，并给出了新的公式，为方便阅读，现摘要如下：l 电动机调速源于力学原理，其实质是对机械功率PM的控制；l 异步机调速最终归结于转子的功率控制，根据，电气的调速原理分为电磁功率控制和损耗功率控制，前者是通过电磁功率控制来改变理想空载转速（而非同步转速n1），属于高效率的调速；后者是通过增大损耗功率来增大转速降，属于低效率的调速；l 对于异步机，电磁功率调速的控制对象可以选择定子或转子，两者具有基本相同的调速性能。l 改变理想转速的公式对于转子 （19） 对于定子 （20）式中的转子的合电势；转子电势系数，；主磁通量。调速变流控制装置是变速的异步机发电系统的重要组成部分，异步发电机的调速便可根据情况选择定子控制或转子控制。即有1) 定子控制的调速：即按式（20），采取变压变频（VVVF）调速，多用于鼠笼机。2) 转子控制的调速：即按式（19），采取内馈、双馈调速，只限于绕线机。其中，基于转子的内馈和双馈调速，其变流控制该具有如下功能：l 控制附加电源与转子功率交换的方向和大小，以实现理想转速的低同步和超同步无级调节；l 协调转子附加电源的频率，以使两者实现有功功率交换；l 为转子提供无功激磁功率，提高异步发电的功率因数。4. 无功补偿问题异步电机的显著特点之一是定子激磁，为此，定子须从电网中吸收一定的感性无功功率，由于定转子之间存在较大的气隙，电机的磁阻远大于变压器，因此异步电机的激磁无功较大，异步机发电运行时同样如此。理想的交流发电机不仅能够向电网提供有功电能，还应该提供容性的无功能量，为此，双馈异步发电机在实现有功发电的同时，还要设法提高异步发电机的功率因数，以减小定子的无功功率和电网的无功负担。减小定子激磁无功的合理方法是转子激磁，即通过向转子提供一定的激磁电流，使其产生助磁的激磁磁势，由于异步电机的主磁通为定值（即），故激磁磁势Fm亦为常量，即 （21）由于只分析无功激磁，故可忽略、的有功分量，磁势平衡可表为代数形式，此时的定子磁势为 （22）式中的F1m为定子激磁磁势，F2m为转子激磁磁势，两者方向相同。故转子激磁可以使定子激磁磁势和电流减小，定子的功率因数明显提高。需要指出，如果转子激磁所付出的无功和定子减小的无功相等，结果电机总的激磁功率不变，那么转子激磁就失去了意义。然而，按照电机学原理，对于一定磁势，转子激磁所需的无功功率仅为定子激磁的s（转差率）倍，正常发电运行时，s远小于1，因此转子激磁可以用较小的无功功率补偿较大的定子功率激磁，具有事倍功半的效果。显然，转子激磁只能适用于绕线型异步机，笼型异步机转子短路封闭，是无法实施转子激磁控制的。5. 结论