异步发电机 于平义 仵均科

异步发电机于平义1，仵均科2（1.西安理工大学，陕西西安710048；2.西安微电机研究所，陕西西安710077）摘要：本文论述了异步发电机的分类、结构和工作原理、主要技术指标、设计要点以及典型应用，并给出了异步发电机配套用电力电容器技术数据。

关键词：异步发电机；原理；设计；应用；电力电容器中图分类号：文献标识码：文章编号：Ansynchronous GeneratorY u Pingyi1，Wu Junke2(1. Xi'an Univercity of Technology , Shanxi Xi'an710048,China;2.Xi'an Micro-motor Research Institute, Shanxi Xi'an 710077,China)Abstract: This paper discusses the type, construction and principle, main specification, design outline and representative application of ansynchronous generator, and lists the specification of electric power capacitor for ansynchronous generator.Key words: ansynchronous generator, principles, design, application, electric power capacitor1、分类众所周知，在现代电力系统中，同步发电机一统天下。

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中，在风力发电站中，异步发电机也得到了普遍应用。

特别是在独立移动电站中，异步发电机，尤其是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，它就可以作为发电机运行了，其运行方式有并网运行和电机运行两种。

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。

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30%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Wanlass电机的设计思想，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，它的功率因数很高，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，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来对发电机进行控制。

按转子结构和励磁方式的不同，可以有以下两种分类方式，如图1所示。

鼠笼转子异步发电机电容自励异步发电机按转子结构分按励磁方式分实心转子异步发电机并网运行异步发电机（a）(b)图1 异步发电机的分类2、结构和工作原理2.1异步发电机的结构三相异步发电机的基本结构与三相异步电动机相同，鼠笼转子三相异步发电机的结构与鼠笼转子三相异步电动机完全相同，可参考图22-2。

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n 高于旋转磁场的同步转速n 1，即使转差率s ＜0，异步电动机就变成异步发电机运行了。

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所示。

图2 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sφ∙就会切割定子绕组，并在定子绕组中感应出剩磁电势s E ∙，如图3(b)所示。

s E ∙的相位落后于sφ∙90°。

电势s E ∙加在电容器上，使定子绕组中流过超前s E ∙90°的电容电流0c I ∙,0c I ∙通过定子绕组产生的磁势和剩磁磁通sφ∙方向相同，使电机中的磁通增大，由图3（a ）可见，这时定子磁势增大到E 1,，电势E 1又使电容电流增加到I c 1, I c 1再使定子电势增大到E 2，如此这般反复励磁，直到发电机的端电压上升到空载稳定值U 0，这时电容电流也增加到稳定值I 0，即发电机的工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。

如果电容器的电容增大，也就是容抗X c =1／（2πf C ）减小，则电容线的斜率就变小，如图3(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3(a)中曲线1就会上移，也会使稳态电压值升高，同时，发电机的输出电压频率将随之增大。

（a ） 自励建压过程 (b) 相量图曲线1—异步发电机的空载特性曲线。

曲线2—电容为C 1时的端电压与电容电流的关系曲线，也称为电容线。

曲线3—电容为C 2且C 2 ＞C 1时的端电压与电容电流的关系曲线。

图3 自励异步发电机的建压过程如果电容量低于一定值，则电容线将不能与磁化曲线相交，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。

2.3并网异步发电机的工作原理异步发电机也可以并网运行，接入电网的手续极为简单，只要将转子拖动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。

定子绕组的电势和频率取决于电网的电压和频率，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。

异步发电机并网运行的优点是接入电网时无须整步，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。

3、主要技术指标① 额定电压额定电压是指异步发电机在额定频率、额定电压及额定容量（功率）下正常稳态运行时输出的端电压，对三相异步发电机指线电压，对单相异步发电机指相电压。

在三相四线制低压供电系统中，额定线电压为400V ，额定相电压为230V 。

发电机的空载电压整定范围为95%～105%额定电压。

②额定频率额定频率是指异步发电机在额定频率、额定电压及额定容量（功率）下正常稳态运行时输出的频率，一般允许误差±2％。

我国电网的额定频率为50Hz 。

③ 额定容量（功率）额定容量（功率）是指异步发电机在额定频率、额定电压及额定功率因数下正常稳态运行时所输出的视在功率（有功功率）。

④ 额定电流额定电流是指异步发电机在额定频率、额定电压及额定容量（功率）下正常稳态运行时输出的电流。

对三相异步发电机指线电流，对单相异步发电机指相电流。

⑤ 额定转速额定转速是指异步发电机在额定频率、额定电压及额定容量（功率）下正常稳态运行时转子的转速。

⑥ 功率因数在额定频率、额定电压及额定容量（功率）下正常稳态运行时，异步发电机输出的有功功率与视在功率的比值。

发电机的额定功率因数为0.8(滞后)。

⑦ 稳态电压调整率异步发电机在规定的输入转速范围内的任一转速下，当电压和频率整定值不变时，在规定的功率因数下，异步发电机在空载到满载之间的任一负载下，稳态电压调整率δu 为稳定电压与额定电压之差对额定电压的百分比，其计算公式为：%1000⨯-=N Nu U U U δ （1）式中：U N ──异步发电机的额定电压，单位V ；U 0──从空载到额定负载的稳定电压，取负载变化时各电压的最大值（或最小值）， 单 位V 。

异步发电机的稳态电压调整率应不超过±4%。

⑧ 电压波形正弦性畸变率异步发电机在额定转速、额定电压下空载运行，测出电压基波U 1和各次谐波U 2、U 3、U 4、……U n ，则电压波形正弦性畸变率可按（2）式计算。

%10012242322⨯⋯⋯+++=U U U U U K nu （2）同步发电机的电压波形正弦性畸变率，容量在300kVA 以上者不超过5%，容量在300kVA 以下者不超过10%，而异步发电机的电压波形正弦性畸变率均小于同步发电机的电压波形正弦性畸变率。

⑨效率异步发电机在额定电压、额定频率及额定功率因数下正常稳态运行时额定功率与输入发电机的机械功率的比值，一般用百分数表示。

⑩绝缘等级在一定的绝缘结构下异步发电机绕组所允许的最高工作温度即为该发电机的绝缘等级。

异步发电机的常用绝缘等级为E 级、B 级、F 级，相应的绕组允许最高工作温度分别为120℃、130℃及155℃。

4、设计要点4.1专门设计异步发电机从原理上来说，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，但异步发电机也有其自身的特点。

作为异步电动机运行时，电源电压U 1比定子绕组感应电势E 1大得多，而作为异步发电机运行时，U 1和 E 1两者相近；另外，发电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2／3，而缩小副绕组相带到1／3，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。