1 非同步發電機作為頻率變換裝置
非同步自勵調頻發電機含一個定子繞組和兩個轉子繞組.分析時可視之為由兩個單獨的發電機組成:三相非同步勵磁機和三相非同步發電機.前者含定子繞組Ws1,勵磁電容Cf,轉子繞組Wr1,極對為P1;後者含定子繞組Ws2,轉子繞組Wr2,極對為P2(如圖1所示).
兩個轉子繞組軸線垂直無磁的鉸鏈,故無互感.經推導有的如下關係.
由此可見,輸出電壓的頻率勵磁回路和發電機極對相互關係、轉差率和勵磁回路的輸出頻率相互關係.而後者在很大程度上依賴於電容值,故調節電容可調f1.
實驗驗證:二台型號為YR系列(IP44)的非同步電動機,極對分別為P1=2和P2=4,調節電容變動範圍為(0.15～1.50)μF.當由高值向低值調節電容.可用轉差率數位測試儀[3]測得轉差S在0.8～0.2範圍內,並可測得f3和f1對應分別在(2～15)Hz以及(15～125)Hz範圍內變化.
可見,磁場和轉子的旋轉速度對輸出頻率大小的影響最為基本,改變磁場和轉子轉速可以從基本值降低或升高頻率;由頻率運算式可以看出,應使p2>p1.因為在這種條件下,勵磁回路可在升頻以後提高電壓和大大降低必須的勵磁電容值.這樣,非同步自勵調頻發電機不僅可以平穩地調節負荷系統電壓的頻率,還可以在不改變轉子旋向的條件下改變相序.
2 非同步發電機作為強力電源
非同步發電機的缺點之一是陡降的外特性,正是這一特點使它在拖動系統中得到好的應用.電氣接線如圖2所示.
其中AG為非同步發電機,DM為直流電動機;DG為與之同軸的直流發電機,供DM的勵磁繞組Wf的勵磁;ML為軸上的機械負載;RD為整流裝置,Rmf為DM的勵磁調節裝置.正是這一接線裝置保證了電樞電流的穩定性.對旋轉頻率、時間和功率的控制靠Rmf調節DM的勵磁實現.
眾所周知,整流裝置,特別是可控整流裝置以及變頻裝置,使發電機電壓和電樞電流包含大量高次諧波.若由一台同步發電機通過整流裝置RD對DM供電,則高次諧波使發電機損耗大大增加,同時相應加大發熱、振動和雜訊,在這種情況下,一般同步發電機只好降低容量使用.與標準正弦供電情況相比,容量利用率僅為50%～75%,而如圖中採用非同步發電機,由於它並聯有勵磁電容Cf,對整流負載而言相當於人口處加入一個濾波器,大大削弱了湧入發電機的諧波分量.特別是串有補償電容Cc以後,其作用效果更顯著,非同步發電機效率最高可達90%～95%.
實驗驗證:AG為Y2系列非同步機,功率SN1=10kW,勵磁電容每相Cf=0.4μF,補償電容每相Cc=0.115μF;直流發電機DG和直流電動機DM均取額定功率為10kW的.用電機測功機(或機械測功機)可測得軸上輸出轉矩約為19.2Nm,轉速1216r/min,折合軸端機械功率輸出為9.43kW.此例中,DG效率達84%,對AG而言,測出其輸出電壓、電流分別為220V和41A,則效率η=220×41/10000≈90%.
3 非同步發電機的並聯運行
同步發電機並聯運行是不穩定的;需要昂貴的同步裝置;且由於交換的有功功率振盪振幅很大,效率很低.而同樣功率的非同步發電機並聯運行穩定得多.由於非同步發電機的定子旋轉磁場和轉子間彈性的電磁聯繫,在非同步發電機沒有電壓的大脈動,也沒有過渡過程.
實驗表明:功率相當的非同步發電機並聯運行,如在負載時功率均不超過其額定值,則這一並聯運行是穩定的:不滿足並聯運行條件,卻不引起電磁轉矩的波動.當非同步發電機與同步發電機並聯運行時,前者的轉子沒有固定的磁的軸線,與後者的轉子相對空間位置不固定,故可以以各種頻率旋轉.
非同步機投入並聯運行的條件優於同步機,過渡過程時間是一個與機組軸上旋轉物質品質有關的量,構造使非同步機組的過渡過程時間比同步機組的少得多;非同步機產生的轉矩較小,振盪幅度小,衰減快,過程優於同步機.非同步機並聯時,阻力矩適度,故非同步機並聯運行時平衡電流不大.
圖3中的波形表明兩台型號同為YPTQ的非同步發電機同步運行時負載電流和發電機電壓變化的過程,注意剛投入時,二者相位差高達100°.若與同步機系統比較,顯然對非同步機並聯運行條件限制要少得多.同步機並聯運行的條件要求高,若存在較大相位差,不平衡電流可達額定值的(20～30)倍.
由於在非同步機組中,無須勵磁,故無載時不平衡電流幾為0,從而避免了過電流.還要指出的是,功率不大的非同步機並聯運行比同步機並聯運行更簡單可靠.
4 總結
在自備的餘熱發電站、風力電站、以及某些小型水電站中,非同步發電機獲得普遍應用.除此以外,非同步發電機這幾種特殊的用途.上述幾種非同步發電機的特殊應用方式,無一不是非同步電機基本原理運用的延伸,儘管不是普遍的方式,在特定的條件下,這些用途能發揮特殊作用.認真、深入地研究它們,具有重要的實際意義和價值.
由於在非同步機組中,無須勵磁,故無載時不平衡電流幾為0,從而避免了過電流.還要指出的是,功率不大的非同步機並聯運行比同步機並聯運行更簡單可靠.
4 總結
在自備的餘熱發電站、風力電站、以及某些小型水電站中,非同步發電機獲得普遍應用.除此以外,非同步發電機這幾種特殊的用途.上述幾種非同步發電機的特殊應用方式,無一不是非同步電機基本原理運用的延伸,儘管不是普遍的方式,在特定的條件下,這些用途能發揮特殊作用.認真、深入地研究它們,具有重要的實際意義和價值.