感应发电机工作原理doc

  PAGE PAGE 1 风力发电机组的发电机 因感应发电机并网方法简单，并网运行稳定，调节维护方便，结构紧密相连，价格实惠公道，在风力发电机组中得到最为广泛的应用。 第一节 工作条件和对发电机的要求 由于风电场建立的环境条件，一般均为沿海地区或是内陆的沙漠地带，或是两个山峰之间的山坳口，自然环境决定了选择和设计风力发电机时必须最大限度地考虑这一些因素。在沿海地区，相对湿度较大，潮湿空气中可能还会含有盐分；在南方，夏季阳光直接照射机舱外壳，但机舱的通风条件又相对较差些，机舱内的温度会高些，可能会超过40℃；在内陆的沙漠地带或山坳口，特别是象在新疆、内蒙等我国西北和北方地区，风沙较大，空气中的固体物含量很高，冬季时特别寒冷，一般会到-20℃，甚至极端会到-40℃左右。 因为风速是不稳定的，是随时变化的，有时瞬间变化可达10m/S以上，发电机是处于负载不稳定状态，极端时发电机严重过载。尽管如此，总体而言，风力发电机大部分时间处于轻载状态，无风时（风速达不到起动风速）则处于停机状态，所以风力发电机的投、切（并网和脱网）操作比别的类型的发电机要频繁许多。 正由于风力发电条件的种种特殊性，对风力发电机也就有相应的一些特别的条件： （1）、发电机的外壳防护等级宜选用IP44或IP54，即全封闭式电机； （2）、发电机的冷却方式选用IC411，即电机外壳表面带散热筋加外风扇； （3）、发电机的绝缘等级选用Ｆ级，而且经VPI（真空压力无溶剂浸渍）处理； （4）、发电机内带空间加热器； （5）、发电机底部要有气压平衡孔，此孔又能起到排出凝露水的作用； （6）、发电机振动要小，振速不超过2.8mm/s；噪音要低，一般要求Lp≤85dB（A）大机组的Lp≤82dB（A）； （7）、对安装在北方地区的发电机轴承润滑脂选用时要考虑到冬季的低温； （8）、发电机的飞逸转速要高，一般大于1.5倍同步转速； （9）、发电机的效率要高，且转差率要大，效率曲线要平坦； （这个要求是相互矛盾的，要综合权衡后选取合适的转差率。如600KW 4P发电机的转差率为小于—1.20%） （10）、发电机的自然功率因数要尽可能高，以减少对电网无功功率的吸收或降低补偿电容器的电容量； （11）、发电机的外观尺寸要小，重量要轻，以减小机舱的体积，减轻机舱的重量； （12）、发电机端电压的波动一般为±5%，最好能考虑到±8%，甚至±10%的波动； （13）、发电机的堵转电流要小。 第二节 感应发电机 这里我们只介绍并网运行的鼠笼型感应发电机，对带电容器自励的单独运行的感应发电机不作介绍，因其使用极为有限。 感应发电机是感应电机的一种运行方式：电动机运行时，它的转速n只能低于同步转速ns，此事转差率S=（ns-n）/ns0；发电机运行时，它的转速n高于同步转速ns，此时转差率S=（nn-n）/ ns0；制动状态运行时感应电机的转子反着旋转磁场方向旋转，此时转差率S=（ns-（-n））/ns=（ns+n）/ns1。 感应发电机的矢量图 图１为感应发电机的矢量图，图２为感应电动机的矢量图。 图21-1感应发电机的矢量图 图21-2感应电动机的矢量图 分析比较图21－1和图21－2会发现，发电机状态和电动机状态的主要差异是： 发电机状态定子电流矢量Ｉ1与定子端电压矢量Ｕ1的夹角大于90 eq \o(\s\up 5(ο),\s\do 3())，COSφ小于零，说明发电机向电网发送功率；而电动机状态时定子电流矢量Ｉ1与定子端电压矢量Ｕ1的夹角小于90 eq \o(\s\up 5(ο),\s\do 3())，COSφ大于零，说明发电机向电网吸收功率。 二感应发电机的等值电路 采用等值电路分析感应发电机的性能时，对电路中的各个参数我们可采用电动机惯例，这样，发电机和电动机具有相同的等值电路和方程式，只是要把转差率S取负值： Ｚ1=R1+jX1 _ Ｚ2=R２+jX２ Ｚm=R m+JX m U１=－Ｅ1+I１Ｚ１ U２＝I２Ｒ２(１－Ｓ)／Ｓ＝Ｅ２－I２Ｚ２ (21－1) I 1＝Ｉm+I1 L＝Ｉm+（－I２） Ｅ1＝Ｅ２ -Ｅ1＝ＩmＺm _ 图21-3感应电机的T型等值电路 图21-4 感应电机的较准确Г形等值电路 感应发电机的电磁转矩 工程上为简化计算，又保证有足够 的计算精度，分析计算感应电机的性能时我们一般都会采用较准确的Г形等值电路，取修正系数б1=1+X1/Xm ，通常б1=1.05左右，电机容量越大，б1越接近于1.0。 根据图21－4所示的等值电路，可得： U1 I2 = ――———————————————————————（21－2） √［（б1R1+б eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4(１)) R2 /S） eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4())+（б1X1+б eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4(１)) X2） eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4())］ 由此我们大家可以求得电磁转矩的表达式为： m1PＵ eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4(１))R2/S Mem= ———————————————————――——— （21－3） 2πf1［（R1+б1 R2 / S） eq \o(\s\up 5(２),\s\do 4())+（X1+б1 X2 ） eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4())］ 式中：m1：定子相数 Ｐ：极对数 Ｕ1：电机端电压（相值）（伏） Ｒ2，：折算到定子侧的转子电阻（欧姆） f1：定子电网频率（赫） Ｒ1：定子绕组每相电阻值（欧姆） Ｘ1：定子漏抗（欧姆） X2，：折算到定子侧的转子漏抗（欧姆） Ｍem：电磁转矩（牛顿·米） Ｒ2 、X2折算到定子侧的折算系数为： m1 ( w1 k d p1 ) eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4()) 4m1( w1 k d p1 ) eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4()) KRX ＝—————————— ＝————————（21－4） m2 ( w2 k d p2 ) eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4()) Q2 式中： w1 k d p1：定子绕组每相有效圈匝数 k d p1 ： 定子绕组的绕组系数 w1 ： 定子绕组的每相串联圈匝数 w2 k d p2： 转子绕组每相有效圈匝数 w1 ： 转子绕组的每相串联圈匝数 k d p1 ： 转子 绕组的绕组系数 m２： 转子相数 Q2： 转子槽数 当电网电压Ｕ1和频率f1恒定时，可以认为电机的电阻和漏电抗值基本不变，电磁转矩Ｍem仅与转差率Ｓ有关，其关系曲线所示。由图可见，在电 图21-5感应电机的运作时的状态与电机转 动机状态和发电机状态运行时各有一个最 差率的关系 大电磁转矩点，我们假定电机的参数恒定， 将式（21－2）对S求导数dMew /ds，并令dMew/ds=0，从而可解出发生最大转矩时的转差率SK为： б1 R2 SK ＝±————————————————————（21—5） √［（Ｒ eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4(１))+（ X1+б1 X2） eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4())）］ 通常Ｒ1远小于X1+б1 X2，忽略Ｒ1，则： б1 R2 SK ＝±———————— （21—6） X1+б1 X2 如取б1＝１.0，则： R2 SK ≌±——————（21-7） X1+ X2 上式中取“＋”号时为电动机状态，取“－”号时为发电机状态。 把（21－5）代入（21－3）便可得到最大电磁转矩的表达式为： m1ＰＵ eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4(１)) Mmax=±—————————————————————————（21－8） ４πf1б1［±Ｒ1 +√[（Ｒ eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4(１))+ （X1+б1 X2） eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4())）]］ 或者近似地表示为： m1ＰＵ eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4(１)) Mmax=±—————————————————（21－9） ４πf1б1（±Ｒ1 +X1+б1 X2） 上式中的“±”号，均取为“＋”号时为电动机状态，均取为“－”号时为发电机状态。由此可见，感应电机在发电机状态的最大转矩比电动机状态的最大转矩略为大些。 最大转矩Mmax越大，说明电机的短时过载能力越强，因此把最大电磁转矩与额定转矩的比值称为电机的过载能力，用Km表示为： Km= Mmax／Mn （21―10） 过载能力为感应发电机的一项重要技术指标，对风力发电机，一般要求Km≥2.0，这样做才能够保证风速在一定幅值范围内瞬时突变时不致于发电机在网上飞车，与此相应的转差率SK点的转速可当作风力发电机组过速保护的极限点，转差率Ｓ在－SKS0范围内为发电机的稳定运行区，在S－SK范围内为发电机的不稳定运行区，发电机一旦进入该转速，如失速保护没有动作，则发电机发生网上飞车。 四、感应发电机的工作特性 并网型风力感应发电机的工作特性是指在标称电压，额定频率，感应发电机的转差率Ｓ，效率η，功率因数cosφ1定子电流I1和输出转矩M2与输出功率的关系曲线为典型的一组曲线， 曲线形状与电动机相应的曲线相似。 这里特别要提醒几点： （1）、由于风力发电机受风速 变化的影响，绝大部分时间发电机 处于轻载状态，为综合提高发电机 的出力，提高中低输出功率区的效 率有重要意义，因此通常希望发电 机的效率曲线平坦些。 采用感应电机的恒定参数模型， 用端电压Ｕ1，电网频率f1和转差率 S表示的轴功率P表达式为：图21－6感应发电机的工作特性 m1ＸmR2S（１－Ｓ）Ｕ eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4(１)) Ｐ＝————————————————————— (21－11 ) ［R1R2+S (Xm-X1X2)］ eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4())+[R2X1+SR1X2] eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4()) 计入发电机的电阻损耗后，感应发电机输出端的电功率能表达为： m1（XmR2S+R1R2+R1X2 S eq \o(\s\up 5(２),\s\do 3())）U1 Ｐ０＝—————————————————— (21－12) [R1R2+S (Xm eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4())-X1X2)] eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4())+[R2X1+SR1X2] eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4()) 则发电机的效率η表示成： Ｐ０XmR2S+ R1R2+R1X2S eq \o(\s\do-4(２),\s\do 4()) η＝———＝———————————— （21－13） Ｐ XmR2S（1－S） （2）、另一方面，风力机运行时因风速的大小方向是不稳定的，随时变化的，为减少发电机输出功率的波动，降低风力机受冲击的机械应力，要求发电机的转速――输出功率特性软一点，因此就要求发电机的转差率绝对值Ｓ要大。对于小容量（PN≤100KＷ）感应发电机，转差率绝对值设计到4～5%还是做得到的，高转差率引起电机转子铜（铝）耗增加，温升增大，额定点效率降低等影响在技术上还是能解决的；对于中大容量（PN≥２００KW）感应发电机，转差率绝对值设计到2～3%已是十分艰难了，甚至是不可能的。600KW感应发电机的额定转差率绝对值设计到1.25%时，对电机温升影响已是十分严重，温升要超过80K，只有采用Ｆ级绝缘才能满足规定的要求。因此在确定风力发电机的技术指标时要考虑电机的效率、转差率、输出功率的稳定性和电机的温升，不能偏面强调某一个参数的重要性而忽视对其他参数的影响，不能顾此失彼。 （3）、并网型风力感应发电机本身不发无功功率，其激磁电流要从电网获取，因此感应发电机的功率因数是一个重要的技术指标，只要技术上允许，我们应尽量提高发电机的自然功率因数值。发电机的功率因数与其磁密的高低、定转子空气隙的大小、轴的挠度、电机的振动、噪音有密切的关系，自然功率因数不可能无限止地提高，否则会引起发电机其他技术参数的恶化，严重时甚至会使发电机无法运行。600KW 4P 690V感应发电机的自然功率因数在0.90～0.92之间较为合适。 五、风力发电机的并网 并网运行的异步发电机的电压一定是电网电压，其频率也一定是电网频率，输出功率变化也不会使异步发电机产生振荡及失步，异步发电机的输出功率与转差率几乎成线），感应发电机的并网不象同步发电机那样繁杂，不需要设置同步、整步装置。但是感应发电机并网瞬间与电动机相似，存在很大的冲击电流。 并网时感应发电机的电流瞬时值可以写成： I(t)=I0sin(ωt+ψ-φ)+Ia exp (-t/Ta)Sin(ωt+ψ-φ)+Idexp (-t/Ta)Sin(ψ-φ)（21－14 ） 式中：I0为稳态交流分量的幅值。 Ia为暂态的交流分量幅值。 Id为暂态的直流分量幅值。 φ为发电机的等值阻挠角＝tan-1（ωL/R） 为发电机投入电网时的合闸相位角。 稳态交流分量I0 ，其值可按图21－3（T形等值电路）或图21－4（Г形等值电路）求取。在感应发电机接近同步转送并网时，其稳态交流分量I0接近于发电机的空载电流。 瞬态交流分量Ia与电网电压成正比，与电机瞬变电抗成反比，接图21－3，瞬变电抗Xd1可以表示为： １ Xd1＝Ｘ1＋—————————— (21—15) １／Ｘm＋１／Ｘ２ 从上式可见，增加定子电抗X1和激磁电抗Xm 能够更好的降低感应发电机并网时的冲击电流幅值。 瞬态直流分量Id，它的大小和发电机合闸瞬时空气隙磁势波形，空气隙的均匀程度等有关。 式（21－4）中的Ta为交流衰减时间常数，忽略图21－３中的激磁支路，而且在接近同步转速时，R1与R2/S相比可以略去不计，因此交流衰减时间常数Ta 可以表示为： Ｘ1＋Ｘ２ Ta＝————————（秒）（21－16） ω1Ｒ２／Ｓ 式中ω1=2πf1 从Ta 的表达式可见，滑差Ｓ愈小，冲击电流衰减愈快，亦即电网恢复愈快，发电机并网对电网冲击的影响消失得愈快，这就是为什么感应发电机通常是在接近同步转速时并网的原因。 分析式（21－14），不难发现冲击电流的大小还与并网时合闸角有关，即当Sin（-φ）=1.0时，即-φ=±π/2时合闸，冲击电流幅值达到最大值，一般最大冲击电流能够达到额定电流的10～20倍，但它们通常在2～3个周波就衰减到2～3倍额定电流，4～6个周波过渡过程基本结束，一般它们对现代电网不会有什么大的影响。 由于感应发电机并网时存在比较大的冲击电流，对于较小的电网，感应发电机并网时能采用一定的措施如采取降压法并网以降低冲击电流，对于电网容量较大的电网，则能够使用直接并网法并网。 六、鼠笼型感应发电机设计要点 目前，国内投入并网运行的风力发电机电压大多为690V和400V，相对而言，400V的发电机容量较小,一般为250KW以下的单速发电机，否则电流会很大；容量较大的发电机则采用3150V和6300V较为合适。 ――选择风力发电机时，一般不宜用同容量的电动机来替代以降低设备成本，因为电动机电压较低，如380V的电动机，把它用作发电机而并到400V的电网上时，电压增加约5%，磁路磁密增加就更多，会引起激磁电流大幅度的增加，功率因数降低；另一方面按电动机设计时，为了更好的提高电机的效率，总是最大可能地减少电机转子铜耗，电机的转差率一般比较小；然而当风力发电机运行时，考虑到提高发电机输出功率的稳定性，希望发电机有较大的转差率。 ――发电机的铁心材料应选择损耗小，导磁性能强的冷轧硅钢板，一般应用P15／50≤350 W/kg的冷轧硅钢板。 ――定子绕阻应为低谐波含量的对称均匀绕组，尽最大可能地增加每极每相槽数，对于双速发电机，既可采用双绕组双速，也能够使用单绕组双速电机。 ――要注意避开小于五阶振型二个转速范围内的共振点，要计算定子铁心的固有频率和转轴的临界转速，一般要把激振力的频率远离相应振型的铁心固有频率20%以上。 ――发电机转子能够使用铜条转子，也能够使用铸铝转子，优先推荐使用铜条转子，当采用铸铝转子时，由于实际的杂散损耗比铜条转子的杂散损耗大许多，发电机的实际效率较低，有时可低1～3%，损耗较大，温升较高，当温升裕量较小时，要格外的注意这一点，防止温升过高而烧坏电机绕组。 ――发电机定转子槽配合选择时，要避免噪音大的槽配合，也要避免选用会产生轴电流的槽配合，槽配合的选择无论对感应电动机还是对感应发电机均是十分重要的，建议选用曾经使用过且表明无不良电磁噪音、振动和轴电流的槽配合。 ――发电机轴承选择时，要考虑到电机运行发热后引起轴膨胀的影响，要允许电机轴能向非转动端膨胀。 ――发电机结构要注意能保证任何状态下内外气压平衡，必要时可在机座上钻个气压平衡孔。 ――发电机转子需经动平衡校正，一般要校到G6.3以保证发电机有较小的振动，空载运行时，发电机振速一般应不超过2.8mm/s。 ――发电机必须有安全接地螺栓，出线盒内也应有一个供电缆接地的接地螺栓。 ――发电机的磁路设计要合理，磁密不宜取得太高，定子齿部、轭部磁密一般别超过1.65T，空气隙磁密不超过0.85T，定子电密不超过5.0A/mm2。 七、国产风力发电机的典型技术指标 风力发电机的主要技术指标有发电机的效率，功率因数，额定转速，最大转矩倍数（即过载能力）和温升限值；另外，发电机的堵转电流倍数和堵转转矩倍数也是重要的技术控制参数。分析比较国内一些风电场引进机组中使用的发电机的水平，我们国内发电机的制造技术水平与之相当，差距极小，我们大家都认为风力发电机可完全实现国产化，表21－1所示的技术参数充分证明了这一点，且YFF355－6 250KW ６极400V发电机，YFF450－4/6－1 600KW/125KW 4/6极，690V F/F 温升发电机和YFF450－4/6－2 600KW/125KW 4/6极 690V F/Ｂ温升发电机均已有多台投入风电场安全可靠高效运行多年。 第三节别的类型的风力发电机介绍 到目前为止，投入商业运行最多的是感应发电机，特别是鼠笼型感应发电机，尽管其有许多独特的优点，但也有不能最大限度地利用风能的缺点，因此人们也研究出的多种其他型式的风力发电机及其系统，诸如绕线转子感应发电机、同步发电机，小容量的永磁发电机等，小容量的永磁发电机一般为几十瓦到一、二百瓦，独立运行，使用范围极有限，这里不作介绍。 绕线转子感应发电机 绕线转子感应发电机与绕线转子感应电动机结构几乎一样，转子绕组系统由三只滑环引出，具体结构这里不详细介绍，其电磁过程与鼠笼型感应发电机相同。绕线转子感应发电机与电网相接有多种方式， 如：(1)定子接电网，转子直接短路（一般不采用这样的形式，此时用鼠笼型感应电机更 经济）； 表21—1 YFF风力发电机技术数据 型 号 额定功率(千瓦) 标称电压(伏) 定子电流(安) 额定转速(转/分) 效率 (%) 功率因素(COSФ) 最大转矩 额定转矩 堵转转矩 额定转矩 堵转电流 额定电流 绝缘等级/温升等级 重量 (千克) YFF355-6 250 400 410 1016 95.0 0.88 2.3 1.5 5.2 F/B 1950 YFF355-4 350 400/690 555/322 1519 96.1 0.91 2.2 0.6 4.6 F/B 2380 YFF400-4-1 450 690 419 1519 96.2 0.90 2.5 1.2 6.5 F/B 2900 YFF400-4-2 500 690 465 1519 96.2 0.90 2.5 1.0 6.5 F/B 2900 YFF400-4-3 560 690 527 1519 96.3 0.89 2.5 1.2 6.8 F/B 3095 YFF450-4/6-1 600/125 690 546/118 1519/1010 96.39/93.5 0.92/0.89 2.1/2.6 0.4/0.8 4.1/6.5 F/F 3800 YFF450-4/6-2 600/125 690 546/118 1518/1010 96.41/93.6 0.92/0.89 2.1/2.6 0.4/0.8 4.1/6.5 F/B 4300 YFF450-4/6-3

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