吳　釗

(1. 上海交通大學； 2. 上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海　200240)

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異步籠型感應(yīng)電機并網(wǎng)發(fā)電及應(yīng)用淺析

吳釗1，2

(1. 上海交通大學； 2. 上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海200240)

簡要分析了異步籠型電動機并網(wǎng)發(fā)電的原理及轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電勢和電流的變化， 以此得到了電動機發(fā)電狀態(tài)的等效電路和向量圖， 淺析電機發(fā)電狀態(tài)的特點， 介紹在能量回收方面的應(yīng)用。

異步電動機；發(fā)電機；能量回收

0　引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，能源需求的旺盛與資源的有限之間的矛盾突出，環(huán)境污染尤其是霧霾污染日益嚴重。近年來，節(jié)能減排成為我國工業(yè)制造領(lǐng)域的一個重要指標。在石化行業(yè)和電力行業(yè)，汽輪機利用生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣或蒸汽將電動機拖動超過同步轉(zhuǎn)速運行，使電動機工作在發(fā)電機狀態(tài)，將機械能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電網(wǎng)，進行能量回收。分析異步電動機的發(fā)電機狀態(tài)有利于異步電動機在能量回收方面更好的應(yīng)用。

1　發(fā)電狀態(tài)的基本原理[1-2]

當電機定子繞組接到三相交流電源后，三相電流通過定子繞組在電機氣隙中產(chǎn)生一個以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的磁場。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條切割旋轉(zhuǎn)磁場，在導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電勢和感應(yīng)電流。感應(yīng)電流與磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n>n1時，磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與磁場的旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的感應(yīng)電勢、感應(yīng)電流方向均發(fā)生改變，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，為制動轉(zhuǎn)矩。要保持轉(zhuǎn)動，就必須由原動機拖動，輸入機械功率。電動機將軸上的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過電源線向電網(wǎng)輸送能量，電動機處于發(fā)電狀態(tài)(見圖2)。

圖1電動狀態(tài)

圖2發(fā)電狀態(tài)

2　并網(wǎng)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子繞組中電勢和電流

2.1轉(zhuǎn)子繞組中電勢和電流的變化

圖3　電動狀態(tài)

圖4　發(fā)電狀態(tài)

2.2轉(zhuǎn)子繞組中電勢

=-4.44sf1N2Φ1kw2=-sE2

(1)

電勢為：

(2)

可知當電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，隨著轉(zhuǎn)速升高，|s|增大，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的感應(yīng)電勢增大。

2.3轉(zhuǎn)子繞組中電流

當s<0時，轉(zhuǎn)子每相繞組的漏電抗為X2σs，則

X2σs=ω*L2σ=2πsf1L2σ=sX2σ

(3)

式中：L2σ為轉(zhuǎn)子繞組的漏電感；X2σ=2πf1L2σ為轉(zhuǎn)子靜止時轉(zhuǎn)子每相繞組的漏電抗。

設(shè)轉(zhuǎn)子繞組每相的電阻R2，轉(zhuǎn)子繞組的每相漏阻抗為：

Z2σs=R2+jsX2σ

(4)

異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組往往自成閉路，處于短路狀態(tài)，其端電壓U2=0。所以轉(zhuǎn)子繞組的電壓平衡方程式為：

(5)

轉(zhuǎn)子繞組中的電流為：

(6)

(7)

式(7)中第一項是轉(zhuǎn)子電流的有功分量，第二項是轉(zhuǎn)子電流的無功分量[3]。當s<0時，有功分量小于零。

3　等效電路和向量圖

3.1等效電路(見圖5)

圖5　T形等效電路

基本方程式(s<0)

(8)

(9)

(10)

(11)

3.2向量圖

由式(11)可得轉(zhuǎn)子繞組的每相等效漏阻抗為：

(12)

圖6　發(fā)電狀態(tài)向量圖

圖7　電動狀態(tài)向量圖

4　并網(wǎng)發(fā)電運行的特點[2]

并網(wǎng)發(fā)電時，受無窮大電網(wǎng)的強制作用，電機的電壓和頻率是由電網(wǎng)的電壓和頻率確定的[3]，對比同步發(fā)電機，異步電機無需電壓矯正裝置，且不像同步發(fā)電機需要同電壓同相位的并網(wǎng)投入裝置。

電機由電網(wǎng)輸入的有功功率為：

P=U1I1cosφ1<0

(13)

無功功率為：

Q=U1I1sinφ1>0

(14)

由式13和式14可知電機向電網(wǎng)輸送有功功率，卻需要從電網(wǎng)吸收無功功率進行勵磁，且勵磁電流無法像同步發(fā)電機或雙饋異步發(fā)電一樣可調(diào)，電動機是電網(wǎng)的無功負荷。這樣會影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和增加網(wǎng)絡(luò)功率損耗。因此需要考慮對電網(wǎng)進行無功補償，實現(xiàn)在額定電壓下的電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率的平衡。

電機出線端短路時，電機失去勵磁，短路電流將很快衰減，不會有一個持續(xù)的短路電流。但由于突然短路，電機內(nèi)部磁通不會立刻改變，轉(zhuǎn)子電流和定子電流將達到一個很大值，以維持磁通。

由電機的特性曲線可知[1]，電機輸出有功功率隨轉(zhuǎn)速變化，且存在一個最大有功功率，對應(yīng)轉(zhuǎn)差率為sm。原動機拖動電機在0到sm之間運行時，輸出功率隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，電磁轉(zhuǎn)矩與輸入轉(zhuǎn)矩平衡，電機在這一區(qū)間能夠穩(wěn)定運行；當電機轉(zhuǎn)速超過sm對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時，輸出功率隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，電磁轉(zhuǎn)矩無法與輸入轉(zhuǎn)矩平衡，電機無法穩(wěn)定運行，電機會達到很高的轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)子和定子中會出現(xiàn)一個很大的電流，對電機造成損傷。最大功率與額定功率的比值為電機的過載能力。

5　異步電動/發(fā)電機的應(yīng)用

5.1石化行業(yè)

我公司YCH(H710-H1120)系列異步電動/發(fā)電機在石化行業(yè)中的催化裂化能量回收系統(tǒng)中已經(jīng)有很長時間的成熟應(yīng)用。在該系統(tǒng)中機組通常配置(見圖8)為：煙氣輪機+軸流風機+齒輪箱+異步電動/發(fā)電機。當煙氣不足時，由電機與煙氣輪機共同驅(qū)動軸流風機工作，利用一部分煙氣輪機的機械能，節(jié)省一部分電能；但煙氣充足時，由煙汽輪機拖動整個機組運行，并使電機轉(zhuǎn)速超過電機的同步轉(zhuǎn)速，以電能的方式回收多余的能量。

圖8　YCH (H710-H1120)系列異步電動/發(fā)電機

5.2電力行業(yè)

近年來由于環(huán)保意識的提高和節(jié)能減排要求，電廠也開始考慮利用電動/發(fā)電機來回收多余的能量。其中一種方案為：引風機的驅(qū)動方式為汽電雙驅(qū)方案。排列順序為：引風機+異步電動/發(fā)電機+變速離合器+汽輪機。機組起動時，高壓異步電動/發(fā)電機作為電動機驅(qū)動引風機。機組起動后，當蒸汽量足夠驅(qū)動小汽機以高于電動機的轉(zhuǎn)速運行時，高壓異步電動機電動/發(fā)電機自動轉(zhuǎn)入發(fā)電機運行。

5.3起動問題

不同于一般的發(fā)電機的起動，異步電動/發(fā)電機在實際應(yīng)用一般是先作為電動機進行起動，拖動整個設(shè)備運行。設(shè)備正常運行后產(chǎn)生的煙氣或蒸汽再驅(qū)動汽輪機拖動電機進入發(fā)電狀態(tài)。由于整個機組除了引風機負載，還增加了汽輪機負載，折算到電機端的轉(zhuǎn)動慣量和阻力會比單獨引風機轉(zhuǎn)動慣量大很多。完全通過電機來起動整個機組會比較困難， 對

電機的起動能力有很高要求。

除了直接起動外，有時也采取主機組和備機組兩個機組運行，備機組沒有汽輪機。先起動備機組，系統(tǒng)產(chǎn)生煙氣后，在通過汽輪機和電機共同起動主機組，即先由汽輪機拖動機組起動到70%～80%額定轉(zhuǎn)速后，再投入電動機起動。從而降低對電機起動能力的要求。

此外也可通過變頻器驅(qū)動電機進行起動，根據(jù)變頻起動的特性，電機起動過程中可以獲得一個大的轉(zhuǎn)矩，并避免起動電流過大對電網(wǎng)的沖擊。電機起動后在脫開變頻器接入電網(wǎng)運行。

[1]王正茂，閻治安，崔新藝，等 . 電機學[M] . 西安：西安交通大學出版社 ， 2000.

[2]史儀凱 . 異步電機發(fā)電原理及其應(yīng)用[M] . 西安：西北工業(yè)大學出版社 ， 1994.

[3]胡述龍 . 抽油機工作中電動機發(fā)電運行狀態(tài)分析[J] . 石油機械 ， 2003，31(9)：12-14.