感應發電機

感應發電機原理於1901年由法國人M.MauyiceLoblance首次提出，然而於同步發電機相比其應用是極為有限 ^[2]  。1917年在美國太平洋海岸於太平洋電力公司裝設了一台1750kW的感應發電機；1919年又安裝了一台425kW和一台1000kW的感應發電機。在美國東海岸交通局裝設了五台7500kW25周波餘熱透平驅動的感應發電機。到20世紀50年代前後，感應發電機在水電、熱電站輔機發電、自備電站等場合都有應用，同時在歐洲也建立了一批感應發電站。美國的Soctlendl北方水電局建設了由一台感應發電機裝備的水電站，當電網負荷高峯時，該電站運行於發電狀態，在電壓11kV50周波電機303r/min時發出5000kW的額定功率，當電網負荷低谷時，電機作電動機運行產生6500P(約4875kW)軸功率驅動水泵江水從低水位提升到高水位。該電站是最早的感應電機裝備的抽水蓄能電站。

20世紀50年代以後，隨着電力系統容量的擴大，用於水電站的感應發電機逐漸向大功率方向發展，幾千KW的機組已經得到了廣泛應用。如，在新西蘭已經有50%以上的水電站安裝感應發電機，並認為經濟上合理的容量範圍是75kW—6000kW；在英國，僅英格蘭北部電力系統就安裝了29台容量為30kW—5000kW不等的感應發電機；日本從1959年開始研究感應發電機，已有容量範圍：50Hz的500kW—5000kW及60Hz的600kW— 6000kW；此外世界上其它一些國家也對感應發電機作了大量的研究。

隨着電力系統輸電電壓的提高、線路的增長、當線路的傳輸功率低於自然功率時，線路和電站將出現持續的工頻過電壓。為改善系統的運行特性，不少技術先進的國家，在20世紀80年代開始研究感應發電機在大電力系統中的應用問題，並認為大系統採用感應發電機後，可提高系統的穩定性、可靠性和運行的經濟性。

在現實生活中，變速發電是一個關鍵的問題，解決好了可以大大地提高效率。同步發電機要用於變速發電，就要採用變速器或改變葉片漿距的方法控制原動機轉速，這就增加了成本和維護難度。而感應發電機無需直流勵磁，具有結構簡單，堅固可靠，維護便利，併網容易，易於控制等優點，可在一定的變速範圍內直接用於變速發電。變速發電時，由於原動機轉速和功率是變化的，發電機輸出功率和效率也是變化的。而普通感應電機做發電機用時，定子繞組電流增大會限制發電機功率的進一步提高。為改善感應發電機的性能，有人採用了雙輸出感應發電機。雙輸出感應發電機採用繞線式轉子，轉子端經整流---逆變裝置與電網連接，控制逆變器晶閘管導通角，維持定子電流不變。這樣額定功率來自定子，而變化功率經轉子輸出到電網。因此，當原動機輸出功率很大時，定子繞組不會出現過熱現象。

感應發電機需從電網吸收無功功率，如不採取辦法就會影響電網的供電效率，所以一般都要配備發出無功的設備。感應發電機單機運行時，還必須由電容來實現電機的自激，而且端電壓和頻率都會隨着轉速和負載變化，因此需要一套控制設備實現實時控制。這些都增加了感應發電機運作複雜性和設備成本，限制了它的應用。但這些根本無法阻礙人們對感應發電機的研究和開發。隨着可控硅控制的靜態無功伏安源的進一步發展，感應發電機的應用又開始熱起來。

雖然感應發電機在現實生活中應用較少，但其結構簡單，堅固可靠，維護便利，併網容易，易於控制等優點，使得它在可再生能源（如：風能和水能）的開發和利用以及節電技術和節能工程等方面越來越被看好。

感應發電機有卧式和立式之分 ^[2]  。

卧式感應發電機感應發電機一般轉速較高，故結構上以卧式居多。

1.定子鐵芯2.定子線圈3.轉子鐵芯4.機座5.底座6.轉軸7.軸承座8.冷卻風扇9.冷卻風溝10.進風口11.通風管12.飛輪

圖2-1為典型的卧式感應發電機的剖面圖。定子鐵芯和定子繞組的結構與同步發電機一樣。但轉子為籠型結構，轉子鐵芯為電工鋼片疊成的圓筒型結構，轉子籠條和端環間採用高頻釺焊，能承受水輪機飛逸式的機械應力及運行中的熱應力。

冷卻方式多為軸—徑向管道式通風。冷卻利用轉軸兩端（或一端）安裝的風扇，從進風口進風，然後經轉子鐵芯和定子鐵芯中的風溝排風。

如果僅靠發電機本身的轉子不能滿足水輪機所要求的轉動慣量（GD2）

則一般在發電機與水輪機連接部位附加飛輪。

立式感應發電機一般為懸式結構。發電機上部裝有推力軸承和導軸承，下不裝導軸承，也有采用下導軸承和水輪機軸承共用的結構。

發電機為懸式，發電機上部及水輪機機部各有一個導軸承。轉子為籠型繞組，轉子支臂焊在轉軸上，建起風扇作用

又稱“異步發電機”。利用定子與轉子間氣隙旋轉磁場與轉子繞組中感應電流相互作用的一種交流發電機。其轉子的轉向和旋轉磁場的轉向相同，但轉速略高於旋轉磁場的同步轉速。常用作小功率水輪發電機 ^[3]  。

眾所周知，電機的運行是可逆的，感應電機即可作電動機運行，又可作發電機運行，感應發電機和感應電動機其實就是感應電機的兩種不同的運行狀態，因此感應發電機和感應電動機的機構基本相同。一台鼠籠型異步發電機：當定子外加電壓作電動機運行時，其轉速n總是小於氣隙旋轉的磁場轉速n₀這時電機中產生的電磁轉距與轉向相同；當電機空載運形時，並外加一個驅動轉距使轉速等於同步轉速時，由於旋轉磁場和轉子間無相對運動，電機的電磁功率為零，定子電流只為激磁電流，定子從電網吸收的功率用於克服定子銅耗和鐵耗，轉子上的驅動功率用於克服風耗和軸承損耗；但繼續增大驅動轉距，轉子的轉速將高於同步轉速，此時轉子導體切割旋轉磁場的方向就與n<n₀時相反，因而轉子感應電勢的方向也與n<n₀時相反。

異步發電機由於維護方便，穩定性好，常用作併網運行的小功率水輪發電機。當用原動機將異步電機的轉子順着磁場旋轉方向拖動，並使其轉速超過同步轉速時，電機就進入發電機運行，並把原動機輸入的機械能轉變成電能送至電網。這時電機的勵磁電流取自電網。

異步發電機也可以並聯電容，靠本身剩磁自行勵磁，獨立發電（見圖），這時發電機的電壓與頻率由電容值、原動機轉速和負載大小等因素決定。當負載改變，一般要相應地調節並聯的電容值，以維持電壓穩定。由於異步電機並聯電容時，不需外加勵磁電源就可獨立發電，故在負荷比較穩定的場合，有可取之處。例如可用作農村簡易電站的照明電源或作為備用電源等。

隨着電力系統輸電電壓的提高,線路的增長, 當線路的傳輸功率低於自然功率時,線路和電站將 出現持續的工頻過電壓.為改善系統的運行特性, 不少技術先進的國家,在6"世紀A"年代初開始研究異步發電機在大電力系統中的應用問題,並認為 大系統採用異步發電機後,可提高系統的穩定性, 可靠性和運行的經濟性. 本文在前期研究的基礎上,通過應用實例,進 一步深入地研究了異步發電機電磁設計及電站並接 電容量的確定,為推廣應用異步發電機提供了技術 保障。

籠型轉子異步發電機結構簡 單,牢固,特別適合於高圓周速度電機.無集電環 和碳刷,可靠性高,不受使用場所限制 ^[4]  .由於無轉 子勵磁磁場,不需要同期及電壓調節裝置,電站設 備簡化.負荷控制十分簡單,多數情況下不需水輪機調速器,水輪機可全速運行或在鎖定導葉開度下 在一定轉速範圍內變速運行.異步發電機儘管可能出現功率搖擺現象,但無同步發電機類似的振盪和 失步問題.併網操作簡便.

大容量異步發電機必須與同步發電機並列運行或接入電網運行,由同步發電機或電網提供自身所需的勵磁無功,因此異步發電機是電網的無功負載.儘管從原理上説異步發電機可以藉助於電容器孤立運行在自激狀態,但處於這種運行狀態時,發電機調壓能力很弱,當發電機達到臨界負荷,將引起電壓崩潰 ^[3]  .

異步發電機的勵磁一般而言可由同步發電機,電網或靜止電容器提供.具體的勵磁提供方式由電站類型或電網運行條件決定.雖然異步發電機不能提供自身和負載所需的無功,可能是一個缺陷,但當其使用恰當時,可作為電網無功優化的一種手段.並將會對電站和電網帶來明顯的技術經濟效益.

異步發電機在電站中應用的經濟性 ^[5]  ：

(1)異步發電機裝備的電站由於無需直流勵磁系統,同期裝置,電站投資費用低.

(2)由於無集電環,電刷,轉子勵磁繞組,因 此維護及運行費用低.

(3)異步發電機轉子為隱極及無同步發電機類似的轉子繞組,因此一般效率高於同容量同轉速的同步發電機.相同的水源下,採用異步發電機可多發電.

(4)異步發電機的上述經濟性優勢將會由於異步發電機所需勵磁(或附加同步容量或附加電容器)受到部分抵消.

(5)異步發電機所需勵磁的大小與電機的額定轉速成反比(即與電機的極對數成正比),轉速越高,標幺值勵磁越低.

(6)異步發電機電站廠房面積較同步發電機電站廠房面積小。

近年來，在現代電力系統中，同步發電機一統天下，由於開發風力、水能及沼氣等可再生能源的需要，在一些草原、牧場、海島及邊遠山區等大電網沒有覆蓋的地區建立的小型發電站中，感應發電機有其獨特的用途，實心轉子的感應發電機具有明顯的優越性 ^[5]  。此外，在某些缺電的城鎮鄉村，斷電後所啓用的應急小型柴（汽）油發電機組中，也有不少採用感應發電機。在很多場合、很多情況下，感應發電機在許多方面優於傳統的小型同步發電機。近些年來隨着工農業生產以及國防事業的發展，人們對各種獨立電源的需求量日益增加。在傳統的發電機組中，一般採用同步發電機。然而，由於感應發電機具有結構簡單、價格低廉、運行可靠、維護方便且動態性能良好等優點，越來越受到人們的重視，並已成功地應用於風力發電、小水電等系統中，隨着技術的進步感應發電機還將用於大型水力發電機，應用前景看好。