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

吳　釗

(1. 上海交通大學(xué)； 2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上?！?00240)

?

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

吳釗1，2

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

簡要分析了異步籠型電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)的等效電路和向量圖， 淺析電機(jī)發(fā)電狀態(tài)的特點(diǎn)， 介紹在能量回收方面的應(yīng)用。

異步電動(dòng)機(jī)；發(fā)電機(jī)；能量回收

0　引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)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(yán)重。近年來，節(jié)能減排成為我國工業(yè)制造領(lǐng)域的一個(gè)重要指標(biāo)。在石化行業(yè)和電力行業(yè)，汽輪機(jī)利用生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣或蒸汽將電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)超過同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，使電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電網(wǎng)，進(jìn)行能量回收。分析異步電動(dòng)機(jī)的發(fā)電機(jī)狀態(tài)有利于異步電動(dòng)機(jī)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(dāng)電機(jī)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(jī)氣隙中產(chǎn)生一個(gè)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(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n>n1時(shí)，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(dòng)轉(zhuǎn)矩。要保持轉(zhuǎn)動(dòng)，就必須由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，輸入機(jī)械功率。電動(dòng)機(jī)將軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄟ^電源線向電網(wǎng)輸送能量，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)(見圖2)。

圖1電動(dòng)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(dòng)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(dāng)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，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(dāng)s<0時(shí)，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(shí)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(dòng)機(jī)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(xiàng)是轉(zhuǎn)子電流的有功分量，第二項(xiàng)是轉(zhuǎn)子電流的無功分量[3]。當(dāng)s<0時(shí)，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(dòng)狀態(tài)向量圖

4　并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行的特點(diǎn)[2]

并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，受無窮大電網(wǎng)的強(qiáng)制作用，電機(jī)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(jī)，異步電機(jī)無需電壓矯正裝置，且不像同步發(fā)電機(jī)需要同電壓同相位的并網(wǎng)投入裝置。

電機(jī)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(jī)向電網(wǎng)輸送有功功率，卻需要從電網(wǎng)吸收無功功率進(jìn)行勵(lì)磁，且勵(lì)磁電流無法像同步發(fā)電機(jī)或雙饋異步發(fā)電一樣可調(diào)，電動(dòng)機(jī)是電網(wǎng)的無功負(fù)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(jìn)行無功補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)在額定電壓下的電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率的平衡。

電機(jī)出線端短路時(shí)，電機(jī)失去勵(lì)磁，短路電流將很快衰減，不會有一個(gè)持續(xù)的短路電流。但由于突然短路，電機(jī)內(nèi)部磁通不會立刻改變，轉(zhuǎn)子電流和定子電流將達(dá)到一個(gè)很大值，以維持磁通。

由電機(jī)的特性曲線可知[1]，電機(jī)輸出有功功率隨轉(zhuǎn)速變化，且存在一個(gè)最大有功功率，對應(yīng)轉(zhuǎn)差率為sm。原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)在0到sm之間運(yùn)行時(shí)，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(jī)在這一區(qū)間能夠穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過sm對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出功率隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法與輸入轉(zhuǎn)矩平衡，電機(jī)無法穩(wěn)定運(yùn)行，電機(jī)會達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)子和定子中會出現(xiàn)一個(gè)很大的電流，對電機(jī)造成損傷。最大功率與額定功率的比值為電機(jī)的過載能力。

5　異步電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

5.1石化行業(yè)

我公司YCH(H710-H1120)系列異步電動(dòng)/發(fā)電機(jī)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(shí)間的成熟應(yīng)用。在該系統(tǒng)中機(jī)組通常配置(見圖8)為：煙氣輪機(jī)+軸流風(fēng)機(jī)+齒輪箱+異步電動(dòng)/發(fā)電機(jī)。當(dāng)煙氣不足時(shí)，由電機(jī)與煙氣輪機(jī)共同驅(qū)動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)工作，利用一部分煙氣輪機(jī)的機(jī)械能，節(jié)省一部分電能；但煙氣充足時(shí)，由煙汽輪機(jī)拖動(dòng)整個(gè)機(jī)組運(yùn)行，并使電機(jī)轉(zhuǎn)速超過電機(jī)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(dòng)/發(fā)電機(jī)

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(dòng)/發(fā)電機(jī)來回收多余的能量。其中一種方案為：引風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式為汽電雙驅(qū)方案。排列順序?yàn)椋阂L(fēng)機(jī)+異步電動(dòng)/發(fā)電機(jī)+變速離合器+汽輪機(jī)。機(jī)組起動(dòng)時(shí)，高壓異步電動(dòng)/發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)。機(jī)組起動(dòng)后，當(dāng)蒸汽量足夠驅(qū)動(dòng)小汽機(jī)以高于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，高壓異步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)入發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

5.3起動(dòng)問題

不同于一般的發(fā)電機(jī)的起動(dòng)，異步電動(dòng)/發(fā)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用一般是先作為電動(dòng)機(jī)進(jìn)行起動(dòng)，拖動(dòng)整個(gè)設(shè)備運(yùn)行。設(shè)備正常運(yùn)行后產(chǎn)生的煙氣或蒸汽再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)拖動(dòng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。由于整個(gè)機(jī)組除了引風(fēng)機(jī)負(fù)載，還增加了汽輪機(jī)負(fù)載，折算到電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻力會比單獨(dú)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大很多。完全通過電機(jī)來起動(dòng)整個(gè)機(jī)組會比較困難， 對

電機(jī)的起動(dòng)能力有很高要求。

除了直接起動(dòng)外，有時(shí)也采取主機(jī)組和備機(jī)組兩個(gè)機(jī)組運(yùn)行，備機(jī)組沒有汽輪機(jī)。先起動(dòng)備機(jī)組，系統(tǒng)產(chǎn)生煙氣后，在通過汽輪機(jī)和電機(jī)共同起動(dòng)主機(jī)組，即先由汽輪機(jī)拖動(dòng)機(jī)組起動(dòng)到70%～80%額定轉(zhuǎn)速后，再投入電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。從而降低對電機(jī)起動(dòng)能力的要求。

此外也可通過變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行起動(dòng)，根據(jù)變頻起動(dòng)的特性，電機(jī)起動(dòng)過程中可以獲得一個(gè)大的轉(zhuǎn)矩，并避免起動(dòng)電流過大對電網(wǎng)的沖擊。電機(jī)起動(dòng)后在脫開變頻器接入電網(wǎng)運(yùn)行。

[1]王正茂，閻治安，崔新藝，等 . 電機(jī)學(xué)[M] . 西安：西安交通大學(xué)出版社 ， 2000.

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

[3]胡述龍 . 抽油機(jī)工作中電動(dòng)機(jī)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)分析[J] . 石油機(jī)械 ， 2003，31(9)：12-14.