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异步机发电的原理与判据的研究 摘要 传统电机理论以转差率的正负为异步机运行状态的判据，缺乏科学的证明并与实践不符。 判别异步机运行状态的参照标志是理想转速，电动状态的判据为nn0；发电状态的判据则为nn0。 异步发电机调速的目的是为了满足nn0发电判据的需要，主要适用于转速变化的风力发电等场合。 功率因数是异步发电所面临的重要问题，有效的解决方法是转子激磁补偿，为此，电机宜为绕线型，调速控制应该具有对转子无功补偿的功能。 关键词 异步发电 判据 理想转速 调速 功率因数 前言 化石能源资源日趋减少且不可再生，使得以煤、石油等为资源的火力发电面临难以持续发展的困难局面，为了满足不断增长的电能需要，风力发电已被提到重要议程，同时正在蓬勃发展。 如果仅从技术性能角度出发，交流发电当首选同步发电机，理由是同步发电机具有效率高，激磁功率小，发电不仅有功，而且兼有无功等一系列优点。但是，同步发电要求转速必须稳定，显然，这对于转速变化无常的风力发电来讲是无法实现的。 于是异步发电就应运而生，但是，异步发电原理如何科学地诠释？以及怎样克服异步发电存在的技术缺陷？对于这些重大理论和技术问题，作者研究发现，传统的电机理论不仅无法给出科学、准确的答案，而且有关结论与事实不符。 为了促进风力异步发电技术的发展，本文针对传统电机理论存在的问题，主要利用作者前曾提出的交流调速P理论（文献1），对异步机发电运行原理进行了分析和研究，并且得出新的结论。其中，新建立的异步机发电状态的判据，对异步机发电运行原理给予了全新的解读，同时，也指明了异步发电机的技术路线和发展方向，希望能够引起业界的关注和讨论。 问题的提出 异步机（感应电机）是异步电动机和异步发电机的统称，根据电机可逆原理，一台异步机既可作为电动机，亦可作为发电机，电机究竟运行在何种状态，本质的判据是能量转换方向，即，如果是电——机转换，则为电动状态；如果是机——电转换，则为发电状态。但问题是如何判断电机的能量转换方向呢？这就需要根据具体的电机原理，寻找出区分电机工作状态的标志性物理量，并通过该标志性物理量的界定，最终确定电机的工作状态，于是，这个标志性物理量及其界定便成为电机运行状态的判据。显然，作为基础理论，电机运行状态的判据必须是科学、严谨的，否则，将对异步发电技术产生误导。 对于异步机运行状态的判别，传统电机学选择转差率（定义为）为标志，并以转差率的正负作为判据，其主要观点为：“按照转差率的大小和正负，异步机可分为电动机和发电机及电磁制动三种状态。在转差率1 s 0，即0nn1的范围内，…此时电机处于电动机状态。若使转子转速高于旋转磁场速度，即nn1,此时s0，…电机就处于发电机状态（文献2）”。以上观点可归结为： 当s0或nn1时，异步机为电动状态； 当s0或nn1时，异步机为发电状态。 此即为传统电机理论的异步机运行状态判据。 然而，上述的经典理论却在异步机双馈调速的超同步状态时发生了例外。业界悉知，当双馈调速超同步运行时，转速高于同步转速，即nn1，s0,如果按照传统的判据，异步机应该运行在发电状态，但事实却是运行在电动状态。对此，传统的异步机状态判据无法给出圆满的解答。 科学的理论应该是理想、普适的，理论的科学性不允许有任何违背理论的例外发生。因此，虽然仅举出传统判据的一例失误，就足以证明传统判据的科学性值得商榷。 异步发电机的功率转换原理与判据 异步发电机的基本原理 异步机的典型特征是电磁感应，即定子和转子的电磁功率是通过旋转磁场的感应作用传输的，因此异步机有旋转的变压器之称，其物理模型如图1所示。 异步发电机虽然和异步电动机的能量转换方向相反，但定、转子的电磁感应及其电磁功率的传输原理并未改变。异步机发电运行时，首先，转子在主磁通的作用下，将机械功率PM转化为电磁功率Pem，其间须扣除转子损耗p2。与此同时，转子将电磁功率通过电磁感应传输给定子，扣除定子损耗p1后，将功率输入电网。异步发电机的转子和定子功率平衡方程可分别表为 （1） （2） 需要注意的是，和异步电动机一样，转子的电磁功率无法直接观测，而只能在定子间接地体现，并表为 （3） 这是由于转子电磁功率为机械功率所平衡之故。当电机处于发电状态时，定子的电压平衡方程为 （4） 式中的E1为定子绕组的感应电势，且E1U1，于是定子将电磁功率馈入电网，异步机实现发电运行。 另外，异步机定、转子能量交换的前提是两者的旋转磁场同步，根据电机学原理，无论异步机的转速高低