三相異步電動機用作異步發電機的研究

摘 要：在小容量三相交流電網出現暫時停電時，可以用三相異步電動機做為臨時應急的三相交流發電機。該方法不改變三相異步電動機的內部結構，只須在其外部接上適當的電容即可。

關鍵詞：異步電動機 電容器 勵磁電壓 異步發電機 發電

在農村或某些場合，經常停電。在急需用電而又沒有發電機時，可以利用農村常用的三相異步電動機加接適當容量的電容，改裝成異步發電機，以滿足臨時供電的需要。此種異步發電機具有結構簡單，一機兩用，成本低，改裝、維修方便等優點，具有廣泛的實用價值。

1. 工作原理

1.1電壓的建立

異步電動機加上適量的電容器，便成為一臺異步發電機，也就是將所需要的電容器，并接在異步電動機定子出線端即可。如圖1所示。

異步發電機在原動機的驅動下，當其轉速達到額定值時，利用其剩磁建立微小的剩磁電壓。該剩磁電壓加在接于定子出線端的電容器上，產生一個容性電流，該電流便成為發電機的勵磁電流。當異步發電機有了勵磁電流時，它發出的電壓就會進一步升高，如此循環，發電機的電壓(額定值)就會逐漸建立起來。

由此不難看出，異步發電必須具備以下條件：有原動機拖動供給機械能量。電動機必須有剩磁。必須外接一定量的電容，供給電動機建立定子磁場所需的無功電流。

一般運行后的異步電機轉子上都存有剩磁，而無需考慮充磁。如因某種原因確實沒有剩磁時，也可進行充磁。

1.2發電頻率與電機轉速的關系

異步發電機之所以能產生電壓，一個很重要的原因，是由于轉子轉速略大于定子磁場的同步速，即存在轉差。發電電壓頻率與電機轉速存在如下關系：

由上式可以看出：在電機極數一定時，發電頻率f將決定于電機轉速n，轉速上升、頻率升高；轉速下降頻率降低。由于電機類負荷的設計工作頻率為50Hz，帶這類負荷的異步發電頻率盡量控制在50Hz左右，在單獨帶照明負荷時因頻率的高低不會造成多大影響，故頻率范圍可適當放寬。

1.3 異步發電機的負載特性

了解異步發電機的負載特性是很重要的，將有助于我們掌握異步發電的相關特性、特點，在實際應用過程中應對自如。

(1)負載特性曲線：

負載特性曲線是在保持異步發電機轉速和外接電容量不變的情況下，只改變負載的大小，所測出的負載電流與端電壓的對應關系曲線。特性曲線如圖2所示。

曲線①對應帶純電阻負載時的情況，曲線②對應帶感性負載時的情況。從曲線①、②均可看出，當負載電流為零時(即空載時)，輸出電壓對應100％處為最大，隨著負載電流的增加，輸出電壓下降幅度是比較大的，當負載電流超過各自對應的臨界值時，電流不僅不增加反而快速減小，此時端電壓已失去穩定并繼續降低，直至端電壓和負載電流均降至零。

比較曲線①和②不難發現，曲線②所對應的電流臨界值小于曲線①所對應的電流臨界值。這說明異步發電機帶感性負載的能力將小于電阻性負載，也就是說異步發電最適用供給照明負載，供給動力負載(一般為感性)只能是少量的，一般可控制在發電機容量的20％以下，且掌握動力負載的單機容量不宜大于發電機容量的10％。同時在運行中應注意隨負載的變化，適當增減電容的投入量，以維持端電壓不致過高或過低，還要注意不要使負載過重，以免導致電壓降至零。

1.4 短路及不對稱運行特性

當異步發電機出現三相短路時，其電流必定超過臨界值。由上面異步發電機的負載特性可知，這時將導致端電壓和電流反而會迅速下降至零，不會引起大的短路電流。這是異步發電機運行的一大優點，故可簡化或不考慮對異步發電機進行短路保護。

2.操作方法

異步發電機的開機操作如下：首先開啟原動機，待機組轉速接近額定轉速時，將主電容器投入。觀察發電機控制盤上的電壓表指示，繼續將原動機逐漸加速至發電機電壓為額定值。

在載負荷時，首先將原動機開大，并將附加電容器投入，即可合閘送電載負荷。根據發電機控制盤上電壓表及頻率表的指示，一方面調節原動機的轉速，另一方面調節附加電容器投入的組數，使發電機端電壓保持不變。

在停電關機時，必須先將原動機關閉至零，使機組停止轉動。斷開外線送電開關，再斷開主電容器及附加電容器的總開關。

3.輸出電壓與頻率

當異步發電機的轉速為異步電動機額定轉速的２倍時，其空載時的端電壓和頻率近似等于異步電動機額定電壓和頻率的２倍，（空載時外接電容容易被擊穿），但異步發電機的端電壓和頻率隨負載功率的增大而下降，要以調整負載功率的大小以保證異步發電機的電壓和頻率接近其額定值，無異于削足適履。然而要維持其電壓和頻率不變，在調節轉速的同時，要根據負載的大小和性質調節電容器的數值的大小，這很難做到，因此，異步發電機的輸出電壓和頻率以及輸出功率都不穩定。為此，異步發電機有以下缺點：有功功率不能太高，不能接過大的感性負載。

4. 常見故障及處理

按以上操作方法啟動機組后，當機組轉速達到或略高于額定轉速，發電機空載電壓不能建立。一般有三種可能，其一是剩磁不足或剩磁消失所致。可采用6—12V干電池(或其他同電壓的直流電源)，在發電機定子任一相(兩相之間也可)作約2—3min的碰觸(即所謂的充磁)，即可使發電機順利建壓。其二是勵磁電容器損壞，應對電容器進行檢測，并根據損壞情況進行更新。其三有可能是改作發電機運行的異步電動機本身發生了故障(例如籠式轉子發生斷條等)，應對電動機進行全面檢查并排除故障。

參考文獻：

［1］汪國梁主編.電機學.北京：機械工業出版社 1987.

［2］辜承林等編著. 電機學. 華中科技大學出版社 2004.

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