河南理工大学毕业设计（论文）说明书1 绪论1.1 引言 社会的发展总是与生产力的发展密切相关的，然而，生产力发展中一个非常重要的内容就是能源开发利用方式的进步，可以说能源开发利用方式的革新与完善是人类进步的基石。随着石油，煤，天然气等不可再生资源能源的快速消耗，加之现代化发展日益增长的能源需求，能源矛盾越来越突出，因此发掘新能源以及采用更科学的方法提高能源利用率已成为世界关注的焦点，这势必将为能源的开发利用带来新的发展甚至革命。 近年来，在现代电力系统中，同步发电机一统天下，由于开发风力、水能及沼气等可再生能源的需要，在一些草原、牧场、海岛及边远山区等大电网没有覆盖的地区建立的小型发电站中，感应发电机有其独特的用途，实心转子的感应发电机具有明显的优越性。此外，在某些缺电的城镇乡村，断电后所启用的应急小型柴（汽）油发电机组中，也有不少采用感应发电机。在很多场合、很多情况下，感应发电机在许多方面优于传统的小型同步发电机。近些年来随着工农业生产以及国防事业的发展，人们对各种独立电源的需求量日益增加。在传统的发电机组中，一般采用同步发电机。然而，由于感应发电机具有结构简单、价格低廉、运行可靠、维护方便且动态性能良好等优点，越来越受到人们的重视，并已成功地应用于风力发电、小水电等系统中，随着技术的进步感应发电机还将用于大型水力发电机，应用前景看好。1.2 感应发电机研究发展现状感应发电机原理于1901年由法国人M.Mauyice Loblance首次提出，然而于同步发电机相比其应用是极为有限。1917年在美国太平洋海岸于太平洋电力公司装设了一台1750kW的感应发电机；1919年又安装了一台425kW和一台1000kW的感应发电机。在美国东海岸交通局装设了五台7500kW 25周波余热透平驱动的感应发电机。到20世纪50年代前后，感应发电机在水电、热电站辅机发电、自备电站等场合都有应用，同时在欧洲也建立了一批感应发电站。美国的Soctlendl北方水电局建设了由一台感应发电机装备的水电站，当电网负荷高峰时，该电站运行于发电状态，在电压11kV 50周波电机303r/min时发出5000kW的额定功率，当电网负荷低谷时，电机作电动机运行产生6500P(约4875kW)轴功率驱动水泵江水从低水位提升到高水位。该电站是最早的感应电机装备的抽水蓄能电站。20世纪50年代以后，随着电力系统容量的扩大，用于水电站的感应发电机逐渐向大功率方向发展，几千KW的机组已经得到了广泛应用。如，在新西兰已经有50%以上的水电站安装感应发电机，并认为经济上合理的容量范围是75kW6000kW；在英国，仅英格兰北部电力系统就安装了29台容量为30kW5000kW不等的感应发电机；日本从1959年开始研究感应发电机，目前已有容量范围：50Hz的500kW5000kW及60Hz的600kW6000kW；此外世界上其它一些国家也对感应发电机作了大量的研究。随着电力系统输电电压的提高、线路的增长、当线路的传输功率低于自然功率时，线路和电站将出现持续的工频过电压。为改善系统的运行特性，不少技术先进的国家，在20世纪80年代开始研究感应发电机在大电力系统中的应用问题，并认为大系统采用感应发电机后，可提高系统的稳定性、可靠性和运行的经济性。在现实生活中，变速发电是一个关键的问题，解决好了可以大大地提高效率。同步发电机要用于变速发电，就要采用变速器或改变叶片浆距的方法控制原动机转速，这就增加了成本和维护难度。而感应发电机无需直流励磁，具有结构简单，坚固可靠，维护便利，并网容易，易于控制等优点，可在一定的变速范围内直接用于变速发电。变速发电时，由于原动机转速和功率是变化的，发电机输出功率和效率也是变化的。而普通感应电机做发电机用时，定子绕组电流增大会限制发电机功率的进一步提高。为改善感应发电机的性能，有人采用了双输出感应发电机。双输出感应发电机采用绕线式转子，转子端经整流-逆变装置与电网连接，控制逆变器晶闸管导通角，维持定子电流不变。这样额定功率来自定子，而变化功率经转子输出到电网。因此，当原动机输出功率很大时，定子绕组不会出现过热现象。感应发电机需从电网吸收无功功率，如不采取办法就会影响电网的供电效率，所以一般都要配备发出无功的设备。感应发电机单机运行时，还必须由电容来实现电机的自激，而且端电压和频率都会随着转速和负载变化，因此需要一套控制设备实现实时控制。这些都增加了感应发电机运作复杂性和设备成本，限制了它的应用。但这些根本无法阻碍人们对感应发电机的研究和开发。目前，随着可控硅控制的静态无功伏安源的进一步发展，感应发电机的应用又开始热起来。虽然感应发电机在现实生活中应用较少，但其结构简单，坚固可靠，维护便利，并网容易，易于控制等优点，使得它在可再生能源（如：风能和水能）的开发和利用以及节电技术和节能工程等方面越来越被看好。1.3 本课题的提出及意义随着媒、石油等不可再生能源的快速消耗，相反社会的进步对能源的需求越来越多，能源的不足问题越来越突出，因此开发新能源就成为必然，然而像风能、水能等能源的开发就大量的采用了感应发电机，因此研究感应发电机就有了它的现实意义。另外在农村或某些场合，经常停电。在急需用电而又没有发电机时，可以利用农村常用的鼠笼式感应电动机加接适当容量的电容，改装成感应发电机，解决燃眉之急。此种感应发电机具有结构简单、一机多用、成本低，改装、维修方便等优点，具有实用价值。本课题为“感应发电机特性研究”，将涉及单相和三相感应机的原理特性，这对感应发电机的理论的丰富及实际应用方面具有一定的现实意义。1.4 本文所作的工作 本文的具体工作如下： 单相自激式感应发电机结构简单、坚固耐用、运行可靠、成本低但目前存在输出电压不稳等技术难题，因此限制了它的实际应用。国外学者为解决这一问题也进行了深入的研究，但都没有取得实质性进展，因此在此就只作简单介绍，主要研究讨论三相感应发电机的原理、特性及应用等相关问题。 1.详细的分析和探讨了感应发电机的基本理论和运行特点（1）、分析感应发电机的结构和基本工作原理；（2）、介绍感应发电机的接线方式和励磁方式以及感应发电与同步发电机的比较。（3）、分析、研究感应发电机单独运行，电网并联运行，降压运行，并车运行时的特点及注意事项；（4）、分析感应发电机的运行控制及保护；（5）、分析感应发电机运行中常见故障的原因及排除方法。2分析和研究了感应发电机电容器选择和电容量计算三相感应发电机可改作自励发电机使用，其中电容器起着重要的作用。自励三相感应发电机一般接有两种作用的电容器，一种称主电容器固定接在感应发电机的定子绕组出线上；另一种称辅助电容器分别接在配电线路上，即在负载端接辅助电容器。所以合理选择电容器是关键，这里就选择电容器的方法作一介绍。3介绍了两种感应发电机在现实生活中的应用感应发电机应用水电站时，在相同单机容量情况下，感应水轮发电机要比同步发电机价格便宜；同时，控制、励磁和电气设备也会减少投资。所以单机容量等于和小于同步机组，应优先选用的同步水轮发电机组。在单机容量和电压相同的情况下，感应发电机要比同步发电机价廉，发电成本低，不存在并网误操作问题，电机效率也大大提高。由于感应发电机并入电网的手续极为简单容易，只要将发电机的转子带到尽可能接近同步转速，并且转子转向与定子旋转磁场转向一致，即可并入电网。而且它的结构简单，价格便宜，维护方便等优点使得它可作为风能系统中的能量转换器，其在可再生能源的开发和利用中也越来越被看好。2 感应发电机的结构及工作原理2.1 感应发电机结构及标准系列2.1.1 感应发电机结构感应发电机有卧式和立式之分。A. 卧式感应发电机感应发电机一般转速较高，故结构上以卧式居多。 图2-1 卧式感应发电机剖面图 1. 定子铁芯 2.定子线圈 3.转子铁芯 4.机座5. 底座 6. 转轴 7. 轴承座 8. 冷却风扇 9. 冷却风沟10. 进风口 11. 通风管 12. 飞轮 图2-1 为典型的卧式感应发电机的剖面图。定子铁芯和定子绕组的结构与同步发电机一样。但转子为笼型结构，转子铁芯为电工钢片叠成的圆筒型结构，转子笼条和端环间采用高频钎焊，能承受水轮机飞逸式的机械应力及运行中的热应力。冷却方式多为轴径向管道式通风。冷却利用转轴两端（或一端）安装的风扇，从进风口进风，然后经转子铁芯和定子铁芯中的风沟排风。如果仅靠发电机本身的转子不能满足水轮机所要求的转动惯量（GD）则一般在发电机与水轮机连接部位附加飞轮。B. 立式感应发电机 图2-2 立式感应水轮发电机组布置图立式感应发电机一般为悬式结构。发电机上部装有推力轴承和导轴承，下不装导轴承，也有采用下导轴承和水轮机轴承共用的结构。图2-2 为日本富士公司美国Lank Mathews电站制造的立式感应发电机（4900kW,327.5r/min,4.16kV) 的剖面图。发电机为悬式，发电机上部及水轮机机部各有一个导轴承。转子为笼型绕组，转子支臂焊在转轴上，建起风扇作用。2.1.2 感应发电机标准系列在日本及欧洲，中卧式感应发电机应用较广，卧式感应发电机已形成系列。系列电机的功率范围为5000kW（50Hz）以下或6000kW（60HZ）以下。2.2 感应发电机工作原理众所周知，电机的运行是可逆的，感应电机即可作电动机运行，又可作发电机运行，感应发电机和感应电动机其实就是感应电机的两种不同的运行状态，因此感应发电机和感应电动机的机构基本相同。一台鼠笼型异步发电机：当定子外加电压作电动机运行时，其转速n总是小于气隙旋转的磁场转速n(即n0)，这时电机中产生的电磁转距与转向相同；当电机空载运形时，并外加一个驱动转距使转速等于同步转速（即n=n转差率s=0）时，由于旋转磁场和转子间无相对运动，电机的电磁功率为零，定子电流只为激磁电流，定子从电网吸收的功率用于克服定子铜耗和铁耗，转子上的驱动功率用于克服风耗和轴承损耗；但继续增大驱动转距，转子的转速将高于同步转速（即nn，转差率s=0），此时转子导体切割旋转磁场的方向就与nn时相反，因而转子感应电势的方向也与nn时相反。图2-3为感应发电机的运行状态。感应发电机中转子电流有功分量为：I=Icos= (2-1)感应发电机中转子电流无功分量为： I=Isin= (2-2) 式中,分别为每相转子回路的感应电势，电阻和电抗。在发电状态下，转差率s0，因此有功分量I与电动状态相反，即向电网输送有功功率；而无功分量I方向不便，即在发电状态下继续吸取无功电流。当电源电压和频率不变时，磁通基本不变，因此建立磁场所需的励磁电流I,与感应电机的运行状态无关。也就是说,感应电机在发电运行时，即从电网吸取励磁电流，又向电网输送一定的有功功率，此时的感应电机就作感应发电机运行。 （2-3）式（2-3）感应发电机的基本方程组（注意：转差率s0）：由式（2-3）可得感应发电机的失量图，如图2-4所示，其中为空间矢量与（）的相位差。由于转差率s0,电机的电磁功率为；