电机学：第五章 发电机原理

1、第五章 发电机原理,风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程，发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务，是风力发电系统的一大核心部分。 发电机及其控制系统不仅直接影响这个转换过程的性能、效率和供电质量，而且也影响到前一个转换过程的运行方式、效率和装置结构。这一章我们主要学校发电机原理,第一节 直流发电机,一、基本工作原理 1. 原动机拖动电枢，按逆时针恒定速度方向旋转， 2. 线圈ab边切割磁力线，右手定则确定感应电势方向b指向a，cd边感应电动势方向d指向c，整个线圈是d-c-b-a,3. 换向片1和电刷A处于正电位，换向片2和电刷B处于负电位。若接通外电路，电流就从电

2、刷A经负载流入电刷B，与线圈构成闭合通路,4.线圈旋转1800后，线圈内部电路反向，但由于电刷作用，电刷A的电位仍然是正的，其电刷B的电位仍然是负，对外电路负载上便得到恒定方向的电压和电流,第一节 直流发电机,一、基本工作原理,5)直流发电机中只有一个线圈时，电动势方向恒定，但数值却变化很大,其大小在零值和最大值之间脉动，当线圈旋转一周时，电动势脉动地变化两次,如何解决？ (6)一个磁极下放多个线圈,电刷A、B之间的电势始终是所有线圈的电势之和,结论：导体数目大于8时，电势脉动程度小于1，可近似认为是恒定的直流电势,二 直流发电机的分类,按励磁方式分有永磁式及电励磁式。 1. 永磁式直流发电机

3、利用永久磁铁来提供发电机所需的励磁磁通,第一节 直流发电机,图1 永磁式直流发电,2 电励磁式:借助在励磁线圈内流过的电流产生磁通来提供发电机所需的励磁磁通， 1)由于励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同，分为他励与自励 (并励、串励、复合励磁)两种型式,电励磁式直流发电机（a）他励式直流发电机（b）自励式（并励）直流发电机,二 直流发电机的分类,第一节 直流发电机,2 电励磁式,二 直流发电机的分类,第一节 直流发电机,2）自励式,串励式,复合励磁式,并励绕组产生的磁势占总励磁磁势的70以上起主要作用，而串励绕组起辅助作用,发电机励磁所消耗的功率，仅占额定容量的1-3,1.回路中各电磁物理量关系

4、 1)电枢回路： 2)励磁回路 他励发电机 并励发电机,第一节 直流发电机,三 直流发电机电磁关系,其中： 为电机的电势系数； 为电机每极下的磁通量； 为电枢绕组电阻； 为励磁绕组的外接电阻； 为绕组感应电势； 为电枢端电压； 为发电机转速； 为励磁电流,2 发电机的电磁转距 1)电磁转距对发电机的电枢旋转是制动力矩 M1为风力机的拖动转矩；M0为机械摩擦阻转矩，M为电磁转距,为发电机转轴的旋转角速率,J为风力机、发电机及传动系统的总转动惯量 2)电磁转矩的大小： 根据比奥沙瓦定律，直流发电机的电枢电流与电机的磁通作用会产生电磁力，并由此而产生电磁转矩，电磁转矩可表示为： CM为电机的转矩系数

5、；M为电磁转矩；Ia为电枢电流,第一节 直流发电机,三 直流发电机电磁关系,3)负载不变时，即电磁转距不变时，风速变化带来的现象 负载不变即M为常数时，若风速增大，发电机转速增加；反之，转速下降 ,导致电枢感应电势和端电压改变，因此需要通过调速装置进行控制,四直流风力发电系统举例 较早时期的小容量独立风力发电装置一般采用小型直流发电机，在实际应用中，直流发电机常和蓄电池组配合使用 ，向电阻性负载供电,独立运行的直流风力发电系统,L：电阻性负载(如照明灯等)，J：逆流继电器控制的动断触点。当风力减少，风力机转速降低，直流发电机电压低于蓄电池组电压时逆流继电器动作，断开动断触点J，使蓄电池不能向发

6、电机反向供电,第一节 直流发电机,上述系统合理选择蓄电池组容量的选择至关重要 ，蓄电池容量的选择与选定的风力发电机的额定数值(容量、电压等)、日负载(用电量)状况以及该风力发电机安装地区的风况(无风期持续时间)等有关 ，同时还应按10h放电率电流值(蓄电池的最佳充放电电流值)的规定来计算蓄电池组的充电及放电电流值，以保证合理的使用莆电池，延长蓄电池的使用寿命,第一节 直流发电机,四直流风力发电系统举例,五 并励直流发电机的自励 自励的条件：1）发电机有剩磁 2）励磁绕组并联极性正确，产生的磁通方向与剩磁一致（增磁），否则端电压不能建立。 结论：在满足上述条件下，为了建立电压， 1励磁回路的总电

7、阻必须小于临界电阻值 2对于某一励磁回路的电阻值，对应一个最小临界转速，发电机小于此转速不能自励，故必须使风力机调速机构确定的转速值大于发电机的最小临界转速,第一节 直流发电机,第二节 交流发电机,风力发电中所用的同步发电机绝大部分是三相同步电机，其输出连邻近三相电网或输配电线,一、同步发电机,1.基本工作原理,1）分定子和转子两部分。定子：电枢绕组，产生感应电动势和产生旋转磁场的部件。转子：可由励磁绕组调节，产生一个强磁场,2）具体：励磁绕组外接直流电源得到励磁电流，产生磁极磁场（主磁场或励磁磁场），风机拖动转子旋转时，得到一个机械旋转主磁场，该磁场对定子发生相对运动，在定子绕组中感应出对称

8、的交流电势。由于定于三相对称绕组在空间相差120度电角度，因此三相对称的电势也在时间上相差120度电角度。可表示为eOA,eOB,和eOC,2fs ,是励磁电流产生的每极磁通；K是一个与电机极对数和每相绕组匝数有关的常数,第二节 交流发电机,一 同步发电机,2.交流电势的频率,频率取决于电机的极对数P和转子转速ns，即,3.每相绕组的电势有效值,4.同步发电机的额定值,1）额定容量：是指出线端的额定视在功率，以千伏安（kVA）、兆伏安(MVA)为单位； 2）额定功率：是指发电机输出的额定有功功率，一般以干瓦（kW）或兆瓦（MW）为单位,风力驱动的同步发电机与电网并联,5 并网同步风力发电系统举

9、例,2）为保证发出的电频率恒定：1恒速恒频（通过调速机构实现） 2 变速恒频（通过变频器实现,第二节 交流发电机,一 同步发电机,1）注意并网条件,带调速系统的恒速恒频同步发电机风力发电系统,带变频器的变速恒频同步发电机风力发电系统,5 并网同步风力发电系统举例,第二节 交流发电机,一 同步发电机,1)同步发电机的主要优点是可以向电网或负载提供无功功率，它不仅可以并网运行，也可以单独运行，满足各种不同负载的需要。 2)同步发电机的缺点是它的结构以及控制系统比较复杂，成本比异步发电机高,第二节 交流发电机,一 同步发电机,6.同步发电机的优缺点,1.结构： 1)异步发电机称感应发电机，有鼠笼型和

10、绕线型两种。 2)风力发电系统中并网运行的异步电机，其定子与同步电机的定子基本相同，定子绕组为三相的，可接成三角形或星型接法；转子则有鼠笼型和绕线型两种,第二节 交流发电机,二异步发电机,2.工作原理： 1)根据异步电机理论，异步电机并网运行时由定子三相绕组电流产生的旋转磁场的同步转速决定于电网的频率及电机绕组的极对数，即： 式中：ns为同步转速； f为电网频率；p 为绕组对数,第二节 交流发电机,二异步发电机,2）当异步电机连接到频率恒定的电网时，异步电机可以有不同的运行状态； 转子转速小于异步电机的同步转速时（即nns），处于发电运行状态，此时异步电机吸收由原动机供给的机械能而向电网输出电

11、能,第二节 交流发电机,二异步发电机,2.工作原理,2）当异步电机与电网并联后作为发电机运行时，转差率S为负值。 |s|取值越大，则系统平衡阵风扰动的能力越好，一般与电网并联运行的容量较大的异步风力发电机其转速的运行范围在ns与1.05ns之间,1）异步电机的不同运行状态可用异步电机的转差率S来区别表示。异步电机的转差率定义为,第二节 交流发电机,二异步发电机,3.转差率,1）缺点：在向电网提供有功功率的同时，要从电网中吸收无功功率。 2）优点：并网要求不像同步发电机那么严格，只要转速接近同步转速时就可并网。 ？并网方式 结论 ：在与电网并联运行的定桨距风力发电系统中大多采用异步发电机 。为了

12、充分利用低风速时的风能，广泛采用双速异步发电机,第二节 交流发电机,二异步发电机,4.优缺点,双速异步发电机系指具有两种不同的同步转速(低同步转速及高同步转速)的电机低风速时小电机运行，高风速时大电机运行，一方面可以提高风力发电机组的风能利用率；另一方面，可以极大地减少机组的启/停次数,延长机组的使用寿命,第二节 交流发电机,异步发电机与同步发电机的比较,异步发电机与同步发电机的比较,单机独立运行的自励异步发电机： 1）建立电压的条件是： 发电机必须有剩磁，一般情况下，发电机都会有剩磁存在，万一失磁，可用蓄电池充磁的方法重新获得剩磁。 在异步发电机的输出端并上足够数量的电容,第二节 交流发电机

13、,三独立运行的交流风力发电机组的自励问题,1 电容自励异步发电机,自励异步风力发电机,2)建立电压时注意的问题： （1）对应着最小临界电容值 （2）对应着发电机的最小转速,第二节 交流发电机,三独立运行的交流风力发电机组的自励问题,1 电容自励异步发电机,3)单机独立运行自励异步发电机的频率,第二节 交流发电机,三独立运行的交流风力发电机组的自励问题,1 电容自励异步发电机,1)负载增加时，为了维持发电机的频率不变，必须相应地提高发电机转子的转速。因为异步发电机的滑差绝对值 增大， （2）负载增加，发电机端电压下降，导致容性励磁电流的减少，为保持端电压不变，必须增加并接电容的数值，以增大励磁流

14、,很难保证电压和频率不变。 在负载变化时，在调转速的同时，尚需根据负载的大小和性质调节电容量的数值，而这种调节除非有自动装置，否则很难以保证电压和频率不变,4)单机独立运行自励异步发电机的特点,第二节 交流发电机,三独立运行的交流风力发电机组的自励问题,1 电容自励异步发电机,2 硅整流自励交流发电机 1）结构 定子绕组为三相，Y形连接，转子励磁绕组通过滑环得到经硅整流器的直流励磁电流,第二节 交流发电机,三独立运行的交流风力发电机组的自励问题,1）风变化，发电机转速变化，发电机出口电压波动。 （2）导致励磁电流变化，励磁磁场变化，造成电压的波动，这种连锁反应使得电压的波动范围不断增加。 (3

15、) 电压波动向负载独立供电时，将造成用电设备损坏。此外独立运行的风力发电机都带有蓄电池组，电压的波动会导致蓄电池组过充电，从而降低了蓄电池组使用寿命,第二节 交流发电机,三独立运行的交流风力发电机组的自励问题,2 .硅整流自励交流发电机,2）存在问题,3)解决办法：励磁调节器 使发电机能自动调节其励磁电流(励磁磁通)的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响。 （1）结构：电压继电器、电流继电器、逆流继电器及其所控制的动断触点J1、J2和动合触点J3以及电阻R1、R2等组成。 （2）工作原理 a )当发电机转速较低，发电机端电压低于额定值时，电压继电器V不动作，其动断触

16、点J1闭合，硅整流器输出端电压直接施加在励磁绕组上，发电机属于正常励磁状况. b) 风速大，发电机转速增高，端电压高于额定值，动断触点J1断开，励磁回路中被串入了电阻R1，励磁电流及磁通随之减小，发电机输出端电压也随之下降；当电压降至额定值，触点J1闭合，发电机恢复正常励磁状况,第二节 交流发电机,三独立运行的交流风力发电机组的自励问题,2 .硅整流自励交流发电机,c) 负载过多,电流过大,会使发电机过负荷运行。当发电机输出电流高于额定值时，动断触点J2断开，电阻R1被串入励磁回路，励磁电流减小，从而降低了发电机输出端电压，并减小了负载电流。 d)为了防止无风或风速太低时，蓄电池组向发电机送电

17、，装有逆流继电器。逆电流继电器由电压线圈v、电流线圈I、动合触点J3及电阻R2组成。发电机正常工作时，使动合触点J3闭合；当风速太低，使得动合触点J3断开，从而断开了蓄电池向发电机励磁绕组送电的回路,第二节 交流发电机,三独立运行的交流风力发电机组的自励问题,2 .硅整流自励交流发电机,3)解决办法：励磁调节器,2）工作原理,1)特点：与永磁发电机比较，优点：能随风速变化自动调节发电机的输出端电压，防止产生对蓄电池过充电，延长蓄电池的使用寿命；同时还实现了对发电机的过负荷保护 (2)缺点：但励磁调节器的动断触点，由于其断开和闭合的动作较频繁，需对触头材质及断弧性能做适当的处理,三独立运行的交流

18、风力发电机组的自励问题,2 .硅整流自励交流发电机,4)优缺点,近来，随着电力电子技术和微机控制技术的发展，双馈型异步发电机(Doubly-Fed Induction Generator，简称DFIG)得到了广泛的重视。 DFIG在结构上类似绕线式异步电机，具有定、转子两套绕组。在控制中，DFIG转子一般由接到电网上的变换器进行交流励磁,第三节 双馈异步发电机,一 特点 特点：DFIG兼有异步发电机和同步发电机的特性， （1）如果从发电机转速是否与同步转速一致来定义，则DFIG应当被称为异步发电机 （2）但DFIG在性能上又不象异步发电机，相反具有很多同步发电机的特点 。 异步发电机转子无励磁

19、绕组，而DFIG与同步发电机一样，具有独立的励磁绕组;异步发电机无法改变功率因子，DFIG与同步发电机一样可调节功率因子。所以DFIG可称为交流励磁同步发电机，实际上，它是具有同步发电机特性的交流励磁异步发电机，相对于同步发电机，DFIG具有很多的优越性,第三节 双馈异步发电机,2 好处 （1）同步发电机励磁电流的可调量只有幅值，所以一般只能调节无功功率。 （2）而DFIG实行交流励磁，可调量有三个:一是励磁电流幅值;二是励磁电流频率;三是励磁电流相位。由于DFIG励磁电流的可调量比同步发电机多了两个，控制上更加灵活:改变转子励磁电流频率，DFIG可以实现变速恒频运行;改变转子励磁电流的相位，

20、使转子电流产生的转子磁场在气隙空间上有一个位移，改变了发电机电势相量与电网电压相量的相对位置，调节了发电机的功率角，所以交流励磁不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。在功率调节上DFIG较同步发电机有更多的优越性,第三节 双馈异步发电机,一 特点,3 结论： (1) DFIG实行交流励磁不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。而同步发电机直流励磁，其电流可调量只有幅值，所以一般只能调节无功功率， （2）DFIG通过改变转子励磁电流频率，转子可运行在变化的速度状态，实现变速恒频运行。同步发电机的转子必须运行在恒定转速，和风力机配合发电时，要求恒速恒频。 （3） DFIG通过转子上加交流励磁电流，可

21、进行无功调节 异步发电机必须从电网上吸收无功功率产生定子的励磁电流，所以无法进行无功调节,第三节 双馈异步发电机,一 特点,1 同步发电机在稳态运行时的频率，其输出端电压的频率与发电机的极对数及发电机转子的转速有着严格固定的关系，即 f=pn/60,故当风力机带动发电机转子作变速运行时，同步发电机不可能发出恒频电能。 2 如果转子做变速运行其速度为nm,对定子产生的旋转磁场的频率为fm,另外在加入一组交流电流在转子上，其频率为f2，产生的旋转磁场相对于转子的转速为n2=60f2/p,如果控制 nm n2=n1=同步转速，则定子发出的频率恒定。 即：f1=fm f2=fm Sf1,第三节 双馈异步发电机,二 工作原理,其中s为异步电机的转差率，s=n1-nm/n1,3 结论： 亚同步状态：当发电机的转速小于同步转速时，nm+n2=n1，滑差频率f2产生的旋转磁场与转子旋转速度相同，此时励磁变换器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网; 超同步状态：发电机的转速大于同步转速时，nmn2=n1 ，滑差频率f2产生的旋转磁场与转子旋转速度反向，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，励磁变换器的能量流向逆向; 同步状态：发电机的转速等于同步转速时，nm=n1，此时发电机作为同步电机运行，由定子发出电能给电网，励磁变换器向转子提供直流励磁,第三节 双馈异步发电机,二 工作原