双馈异步发电原理的P理论研究.doc

双馈异步发电原理的研究绪言——问题的提出双馈异步发电是目前风力发电的主导，深刻揭示双馈以及异步电机的发电原理，对于其技术进步和发展具有重要的意义异步机发电的理论重要根据老式电机学的转差率说，即l 当s>0或nn1时，异步电机为发电状态然而，该结论与双馈电动和发电的实际并不完全相符，例如，双馈调速就有s<0，的超同步电动运营，也有s＞0,n＜n1的亚同步发电运营问题究竟何在？一方面应当精确理解异步电机的转差率s在电机学中，转差率定义为其中的n1-n实际是转子和旋转磁场的相对运动速度，也是转子旋转时切割磁力线的速度；而分母n1可以理解为n1-0，即n=0转子静止，于是n1-0表达转子静止时的切割磁力线的速度由此可见，s所反映的是电机旋转与电机静止时的切割磁力线速度比，鉴于电磁感应的参数都和切割磁力线速度密切有关，因此转差率可以反映的是异步机的电磁感应状况显然，如果异步机转子只有电磁感应的作用，而没有外部附加电势的参与，转差率即可全面反映电机运营状态，老式的结论是对的的但是，当转子有外部附加电势的参与和作用时，异步机的运营状态就不能完全取决于电磁感应，而是两者的综合伙用，于是，转差率便不能全面反映电机的运营状态，因此不能转差率来判断异步机的运营。

那么异步机的发电原理究竟何在？本文将结合伙者的《发电机的普适原理》论文加以分析，从而得出有关的结论，但愿有助于双馈等风力发电技术的发展1. 异步发电机的功率转换与附加功率作为发电机的一种，异步发电机必然遵守普遍的能量转换和转矩平衡原理,其中，能量转换原理体现为 （1） （2）式中，——发电机的轴机械功率； ——电磁功率； ——发电机的输入损耗功率转矩平衡原理重要是机械转矩的作用与电磁转矩的反作用，如以转速方向为参照正方向，则电磁转矩为负，即且电机稳定运营时，机械转矩与电磁转矩平衡，有 （3）异步发电机的功率转换原理可普遍地体现为图1，其转子为绕线型，笼型转子封闭短路，可以视为是绕线转子的特例1) 电磁功率异步机的电磁功率是耦合磁场的媒介功率，从电的角度观测，转子的电磁功率体现为 （4）其中，——转子开路静止的感应电势，简称开路电势；——转子相数； ——转子电流； ——转子功率因数。

而从机械角度观测，按照电机学，其电磁功率体现为 （5）即电磁转矩与同步角转速的乘积需要指出，式（5）只有在转子无源（没有附加电源）的条件下方才成立，而在转子有源状况下则不成立，有关论述见后异步发电机稳定运营时，其输入机械功率为 （5）为电机的角转速，如果在亚同步时，＜，将有＜，异步机非但不能发电，反而处在电动状态此外，如果在超同步时，＞，＞，虽然电机可以发电运营，但如果过不小于，也将过不小于，这将导致发电机严重过载如何解决以上的问题？措施是借助附加电势2) 附加功率一方面阐明，异步发电机的功率条件应广义地体现为转子电功率不小于电磁功率，即＞之中既涉及机械功率所转化的电功率，也可以有附加电源互换的的电功率，这样，异步机发电的工作范畴便可得到扩展鉴于亚同步时＞，为了使转子电功率不小于电磁功率，转子除了有机械功率输入之外，还从附加电源输入的电功率，此时，转子的合功率P2体现为 （7）转子扣除的总损耗，将其他的大部分功率转化为电磁功率，转子的电磁功率为 （8）这样，尽管，但转子的合功率却满足 （9）异步机便可在亚同步时发电运营。

如果在n＞n1的超同步状态下，将有＞，既使转子没有附加电势也能发电运营但是为理解决过载问题，此时应使转子向附加电源馈出一定的电功率PK，分析表白，如果机械原动机具有较软的机械特性，这样同步可以减少原动机的转速和功率，于是避免了超同步也许产生的过载采用馈出PK的转子合功率为 （10）转子的电磁功率则为 （11）综合式（8）（11），采用附加电势控制的异步发电机，转子的功率方程可体现为 （12）其中：+表达转子从附加电源吸取的电功率，相应于亚同步发电；-表达转子向附加电源供出的电功率，相应于超同步发电附加电势控制的异步机发电功率条件为 （13）从而不必单纯的，异步机便可实现亚同步和超同步的发电运营上述具有附加电源的异步发电机，转子既有和定子电磁感应的发电，又有和附加电源电传导的功率互换，故称为异步机双馈发电，或简称双馈发电对于笼型异步电机，由于转子自身短路而封闭，故，式（11）、（12）可体现为 （14）及 （15） 可见，式（14）（15）是式（11）（12）的特例，笼型异步机只有机械功率不小于电磁功率时方能发电运营，这规定n＞n1，s＜0，只有超同步时方可实现。

此外，由于转子只有通过定子的电磁感应发电，故可称为异步机单馈发电3) 定子的发电功率转子将其电磁功率等量地传播给定子（注意，转子——定子的电磁功率传播不存在损耗问题，功率损耗已经在转子和定子侧计及），如果忽视定子的激磁损耗，定子侧的电磁功率体现为 （16）其中，——电源相数； ——定子感应相电势； ——定子电流； ——与相角的余弦定子将大部电磁功率输送至电网，其发电功率为 (17) 其中为定子侧的损耗，为转子侧的损耗，为定、转子的总损耗2. 异步发电机的电磁转矩按照电机学，异步电机的电磁转矩体现为 （18）其中，CT——转矩系数，； ——主磁通量； ——转子电流； ——与相角的余弦式（18）为电磁转矩的标量式，其要反映T的方向，应将理解为转子电流与转子开路电势相角的余弦，而不适宜采用的标量体现，于是，T<0的问题就归结为与的相角不小于90○，或转子有功电流与转子开路电势的方向相反。

从电路角度观测，转子电流产生于转子合电势，故在转子无源（无附加电势）的条件下，转子电流方向恒与转差电势方向一致，并体现为 （19）式中，s——转差率，； r2——转子绕组的相电阻； x2——转子开路（静止）的漏抗可见，要使转子电流和开路电势反向，唯一的措施是使s<0，即n>n1，电机转速超过同步转速显然，笼型异步电机的转子短路而封闭，无法加入附加电势，因此，只有在超同步条件下才干实既有源（并网）发电，而亚同步时只能作无源发电，应用领域受到限制有鉴于此，异步发电广泛采用绕线转子型的电机，目的是采用附加电势控制，使异步电机在任意转速下都能实既有源的并网发电在转子有源条件下，转子电流体现为 （20）式中为外附的附加电势，此时，转子电流取决于转子合电势,而不是单纯的转差电势，如果的方向与转子开路电势的方向相反，转子电流便和开路电势反向，于是电磁转矩T<0，异步电机作发电运营总结以上分析，转子无源时,转子电流的方向取决于转差电势方向（而非开路电势方向）,而转子有源时, ,转子电流的方向取决于转子合电势方向。

当转子电流与开路电势同向时,电机为电动态；当转子电流与与开路电势反向时,电机为发电态由此,实现异步电机发电T<0的重要措施计有二种：l 对于转子无源的状况，须使电机转速高于同步转速，s<0l 对于转子有源状况，可在转子回路串入附加电势，并使合电势与开路电势的方向相反具体是，当n0（亚同步）时，因与同相，故须使和反向，且；而当n>n1，s<0（超同步）时，因已经与反相，故仍可以和方向相反，但须使图（）（）分别示出了有关的等效电路3. 异步电机的抱负转速根据文献1的分析结论，电机发电的和T<0条件最后归结为n＞n0的转速条件，其中的n0为电机的抱负转速但是，老式电机学并没有建立异步电机抱负转速的概念，异步电机与否存在抱负转速？其物理意义何在？这是一方面要回答的问题根据力学原理，但凡旋转电机，转速均为机械功率与机械转矩之比，由于电机稳定运营时，机械转矩和电磁转矩数值相等，即，故异步电机的转速同为 （21）其中，机械功率根据式（15）体现为， （22）因此异步发电机的转速可表为 （23）假定，则有 （24）其中，n0即为异步发电机的抱负转速，其物理意义是：在抱负的无损耗条件下，机械功率所有转换为电磁功率，发电机所具有的转速。

可见，异步电机和其他电机同样具有抱负转速鉴于损耗必然存在，故产生转速降 （25）异步发电机的转速方程亦为 （26）应当特别注意，n0和同步转速属性完全不同，前者属于电磁运动；后者属于机械运动，两者并无直接联系将式（4）和式（18）代入式（），异步机普遍的抱负转速体现为 （27）其中的Ce2为转子电势系数，当转子无源时，，抱负转速表为 （28）如果不考虑（主磁通为常量）的恒转矩条件，可得阐明在转子无源的条件下，异步机的抱负转速和同步转速数值相等由此可见，按照力学原理，电机学的式（5）应当写成 （29）只有在时，方可以此体现4. 转差功率与效率根据图（5）的转子电路，当与同轴时，其电压平衡方程式表为 （30）如果忽视损耗压降，有 （31）故有功率平衡式 （32）阐明无论附加功率PK方向如何，其数值都和转差功率（近似）相等。

回忆式（22），对于附加电势控制的异步发电机，定子发电功率中除了机械功率之外，还具有附加电源的控制功率问题在于状态，显然，发电机的目的是将机械能转换为电能，而是源于附加电源的电功率，因此，由附加电源——转子——定子——电网是无谓的功率循环传播，此时，，定子的发电功率中除了机械功率之外，还具有无谓的电转差功率，这将增大定子的功率负荷和损耗，使发电效率减少，特别是在转差率s较大时，问题更为突出的无谓功率循环传播发生在n0的亚同步发电状况下，此时，为使T＜0，需要附加电势和转差电势反向。