异步笼型感应电机并网发电及应用浅析

吴　钊

(1. 上海交通大学； 2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海　200240)



异步笼型感应电机并网发电及应用浅析

吴钊1，2

(1. 上海交通大学； 2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海200240)

简要分析了异步笼型电动机并网发电的原理及转子中感应电势和电流的变化， 以此得到了电动机发电状态的等效电路和向量图， 浅析电机发电状态的特点， 介绍在能量回收方面的应用。

异步电动机；发电机；能量回收

0　引言

随着我国经济的发展，能源需求的旺盛与资源的有限之间的矛盾突出，环境污染尤其是雾霾污染日益严重。近年来，节能减排成为我国工业制造领域的一个重要指标。在石化行业和电力行业，汽轮机利用生产过程中产生的烟气或蒸汽将电动机拖动超过同步转速运行，使电动机工作在发电机状态，将机械能转化为电能回馈给电网，进行能量回收。分析异步电动机的发电机状态有利于异步电动机在能量回收方面更好的应用。

1　发电状态的基本原理[1-2]

当电机定子绕组接到三相交流电源后，三相电流通过定子绕组在电机气隙中产生一个以同步转速n1旋转的磁场。转子导条切割旋转磁场，在导条中产生感应电势和感应电流。感应电流与磁场作用产生电磁转矩。

当转子转速n

当转子转速n>n1时，磁场相对于转子的旋转方向与磁场的旋转方向相反，转子导条中的感应电势、感应电流方向均发生改变，电磁转矩的方向与转子转向相反，为制动转矩。要保持转动，就必须由原动机拖动，输入机械功率。电动机将轴上的机械能转变为电能，通过电源线向电网输送能量，电动机处于发电状态(见图2)。

图1电动状态

图2发电状态

2　并网状态下转子绕组中电势和电流

2.1转子绕组中电势和电流的变化

图3　电动状态

图4　发电状态

2.2转子绕组中电势

=-4.44sf1N2Φ1kw2=-sE2

(1)

电势为：

(2)

可知当电动机处于发电状态时，随着转速升高，|s|增大，转子绕组内的感应电势增大。

2.3转子绕组中电流

当s<0时，转子每相绕组的漏电抗为X2σs，则

X2σs=ω*L2σ=2πsf1L2σ=sX2σ

(3)

式中：L2σ为转子绕组的漏电感；X2σ=2πf1L2σ为转子静止时转子每相绕组的漏电抗。

设转子绕组每相的电阻R2，转子绕组的每相漏阻抗为：

Z2σs=R2+jsX2σ

(4)

异步电动机的转子绕组往往自成闭路，处于短路状态，其端电压U2=0。所以转子绕组的电压平衡方程式为：

(5)

转子绕组中的电流为：

(6)

(7)

式(7)中第一项是转子电流的有功分量，第二项是转子电流的无功分量[3]。当s<0时，有功分量小于零。

3　等效电路和向量图

3.1等效电路(见图5)

图5　T形等效电路

基本方程式(s<0)

(8)

(9)

(10)

(11)

3.2向量图

由式(11)可得转子绕组的每相等效漏阻抗为：

(12)

图6　发电状态向量图

图7　电动状态向量图

4　并网发电运行的特点[2]

并网发电时，受无穷大电网的强制作用，电机的电压和频率是由电网的电压和频率确定的[3]，对比同步发电机，异步电机无需电压矫正装置，且不像同步发电机需要同电压同相位的并网投入装置。

电机由电网输入的有功功率为：

P=U1I1cosφ1<0

(13)

无功功率为：

Q=U1I1sinφ1>0

(14)

由式13和式14可知电机向电网输送有功功率，却需要从电网吸收无功功率进行励磁，且励磁电流无法像同步发电机或双馈异步发电一样可调，电动机是电网的无功负荷。这样会影响电网的电压质量和增加网络功率损耗。因此需要考虑对电网进行无功补偿，实现在额定电压下的电网系统无功功率的平衡。

电机出线端短路时，电机失去励磁，短路电流将很快衰减，不会有一个持续的短路电流。但由于突然短路，电机内部磁通不会立刻改变，转子电流和定子电流将达到一个很大值，以维持磁通。

由电机的特性曲线可知[1]，电机输出有功功率随转速变化，且存在一个最大有功功率，对应转差率为sm。原动机拖动电机在0到sm之间运行时，输出功率随转速的增加而增大，电磁转矩与输入转矩平衡，电机在这一区间能够稳定运行；当电机转速超过sm对应的转速时，输出功率随转速的增大而减小，电磁转矩无法与输入转矩平衡，电机无法稳定运行，电机会达到很高的转速，且转子和定子中会出现一个很大的电流，对电机造成损伤。最大功率与额定功率的比值为电机的过载能力。

5　异步电动/发电机的应用

5.1石化行业

我公司YCH(H710-H1120)系列异步电动/发电机在石化行业中的催化裂化能量回收系统中已经有很长时间的成熟应用。在该系统中机组通常配置(见图8)为：烟气轮机+轴流风机+齿轮箱+异步电动/发电机。当烟气不足时，由电机与烟气轮机共同驱动轴流风机工作，利用一部分烟气轮机的机械能，节省一部分电能；但烟气充足时，由烟汽轮机拖动整个机组运行，并使电机转速超过电机的同步转速，以电能的方式回收多余的能量。

图8　YCH (H710-H1120)系列异步电动/发电机

5.2电力行业

近年来由于环保意识的提高和节能减排要求，电厂也开始考虑利用电动/发电机来回收多余的能量。其中一种方案为：引风机的驱动方式为汽电双驱方案。排列顺序为：引风机+异步电动/发电机+变速离合器+汽轮机。机组起动时，高压异步电动/发电机作为电动机驱动引风机。机组起动后，当蒸汽量足够驱动小汽机以高于电动机的转速运行时，高压异步电动机电动/发电机自动转入发电机运行。

5.3起动问题

不同于一般的发电机的起动，异步电动/发电机在实际应用一般是先作为电动机进行起动，拖动整个设备运行。设备正常运行后产生的烟气或蒸汽再驱动汽轮机拖动电机进入发电状态。由于整个机组除了引风机负载，还增加了汽轮机负载，折算到电机端的转动惯量和阻力会比单独引风机转动惯量大很多。完全通过电机来起动整个机组会比较困难， 对

电机的起动能力有很高要求。

除了直接起动外，有时也采取主机组和备机组两个机组运行，备机组没有汽轮机。先起动备机组，系统产生烟气后，在通过汽轮机和电机共同起动主机组，即先由汽轮机拖动机组起动到70%～80%额定转速后，再投入电动机起动。从而降低对电机起动能力的要求。

此外也可通过变频器驱动电机进行起动，根据变频起动的特性，电机起动过程中可以获得一个大的转矩，并避免起动电流过大对电网的冲击。电机起动后在脱开变频器接入电网运行。

[1]王正茂，阎治安，崔新艺，等 . 电机学[M] . 西安：西安交通大学出版社 ， 2000.

[2]史仪凯 . 异步电机发电原理及其应用[M] . 西安：西北工业大学出版社 ， 1994.

[3]胡述龙 . 抽油机工作中电动机发电运行状态分析[J] . 石油机械 ， 2003，31(9)：12-14.