异步发电机在火力发电厂的应用探析

异步发电机在火力发电厂的应用探析

郭朔绪

杭州和利时自动化有限公司

摘要：异步发电机是一种发电机类型，主要应用在风力和水力发电站中，用在火力发电厂比较少，但近年异步发电机在小型燃煤发电厂中有所增长，目前正向提高容量、改善运行性能方面发展。本文将从异步发电机的基本原理、优缺点、在火力发电厂中的应用等方面进行探析。

关键词：异步发电机；火力发电厂；应用探析

一、异步发电机的基本原理

异步发电机是一种通过感应电流来产生电能的发电机，其基本原理是利用磁场感应原理，即当转子在定子中旋转时，由于转子和定子之间的磁通量变化，会在转子中产生感应电流，从而产生电能输出。

众所周知，电机运行是可逆的，异步电机既可作电动机运行，又可作发电机运行。一台鼠笼异步电机，当定子外加电压作电动机运行时，转速n总是低于气隙旋转磁场的转速n0，即n＜n0，这时电机中产生的电磁转矩与转向相同。若电机空载运行，并外加一个驱动转矩使转速等于同步转速（即n=n0）时，由于旋转磁场与转子间没有相对运动，电机的电磁功率为零，定子电流纯粹为激磁电流，定子从电网吸收的功率用于克服定子铜耗和铁耗，转子上的驱动功率则用于轴承损耗。若继续增大驱动转矩，转子的转速将高于同步转速（n＞n0），此时转子导体切割旋转磁场的方向就与n＜n0时相反，因而转子感应电势的方向就与n＜n0时相反，转子电流的有功分量随之反向。在电网电压不变的情况下，为了维护气隙主磁通的数值，转子电流有功量的反向。于是，电机由电动机过渡到发电机状态。

也就说，让他转子遭到外力牵引转速大于他的磁场同步速就能够实现发电功能，并且电压，频率都会自己和电网同步。用汽轮机、柴油机或风力机等原动机拖动异步电动机，使其转子转速n高于旋转磁场的同步转速n0即使转差率s<0，就变成异步发电机运行了

二、异步发电机的优缺点分析

（一）优点

与同步发电机相比，异步发电机具有结构简单、维护方便等优点，具体来讲主要表现在以下这几个方面：①异步发电机比同步发电机构造简单、价格便宜、尺寸小，重量较轻，经久耐用、维修方便。相同容量约比同步发电机便宜30%；②异步发电机对原动机的要求低,既可恒速,也可变速运行,根本没有同步要求；③异步发电机不需要同步发电机那样的复杂的励磁系统及励磁调节装置由电网供给励磁；④异步发电机在起动、运行、保护、并网等诸方面都比同步发电机简单、方便,而且便于遥控。

异步发电机可以并网运行，只要将转子拖到尽可能接近同步转速，并且转向和定子磁场旋转方向一致即可并入电网。也就是先把旋转的异步电机的定子绕组并联在电网上，然后再把转速n 调到异步机的同步转速n0以上，便可向电网输出电压、频率与电网完全一致的电力。定子绕组的电势和频率取决于电网的电压和频率，并在异步发电机接入电网时自动的建立起来。必须特别注意，由于发电机从它所联接的电网获得励磁，所以，异步发电机输向电网的电流频率和它自身的转差率无关。并联运行时带负载能力强，电压、频率稳定，因此在可以并电网的现场，应尽可能并网运行。然而,并网运行时，需从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁异步发电机并网运行的优点是接入电网时不需要整步，运行中不会发生振荡，而这些却是同步发电机经常遇到的困难。当发生短路时，除瞬时的短路电流外，不会有大的短路稳定电流，因为此时异步发电机将失去励磁。

（二）缺点

异步发电机的缺点主要包括：①需要电网供给励磁，一般不能单独运行；②功率因数决定于发电机功率，不能调节；③电机的电压，频率受系统支配，不能调节；④强制并网，冲击电流大，导致系统电压下降。

异步发电机的缺点是需要很大的励磁电流，励磁电流约为额定电流的25% ，而且励磁电流滞后于电压接近90°，使电网上同步发电机的功率因数大大降低。增加转速，就增加输出给电网的电流、功率。由于需从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场，这就恶化了电网的功率因数，使电网无功不足，影响了电压的稳定性。因此，必须给电网并联适当的电容以补偿无功。

同步发电机由于采用同步装置，在电压、频率和相位与系统并网，故可以不考虑并网时的冲击电流。但如果异步发电机采用直接并网方式，当转速上升到超过同步转速，在一定滑差s内利用速度继电器和系统并网，由于发电机并网时本身无电压，故电机和系统并网时必须伴随一个过渡过程，流过6-8倍额定电流的冲击电流，强大的机械冲击可能会损坏发电机以及叶轮等，同时对电网其他设备的稳定工作造成了损害，严重的可能导致整个电力系统瘫痪。直接并网操作方便但并网瞬间有电流冲击，严重时会影响发电机组、叶轮等设备，且发电机容量较低。如果采用降压并网方式，需增设电阻或电抗，在电路上会消耗一部分能量，经济效益较差。

三、火力发电厂中的异步发电机应用

火力发电厂是利用化石燃料（如煤、油、天然气等）燃烧产生高温高压蒸汽驱动汽轮机旋转，从而带动发电机转动产生电能的发电厂。在火力发电厂中，异步发电机作为关键设备之一，主要用于将汽轮机输出的机械能转换为电能输出。 具体来说，异步发电机在火力发电厂中的应用主要包括以下两个方面：一方面，作为发电机输出电能。在火力发电厂中，汽轮机带动发电机旋转，异步发电机通过转换机械能为电能，将电能输出到电网中。另一方面，作为发电机调速控制设备。在火力发电厂中，异步发电机还可以通过调节转子的转速，实现对发电机输出电能的调速控制，这对于保证电网的稳定运行、提高发电效率等方面都具有重要意义。下面以中化吉林长山化工有限公司为例，分析异步发电机在其生产中的应用。

中化吉林长山化工有限公司合成氨30万吨生产剩余2.5MPa废汽为汽源，带1台4MW纯凝汽轮机，汽轮机带一台额定电压为6KV，额定功率为4500KW的异步发电机，发电机组发出的电量直接并入动力锅炉配电室６KV母线，通过６KV单回路进线返回到厂用６KV配电系统。

启机冲转前异步发电机检查完毕后，断路器合闸，中压柜发出并网信号给DEH，此时表明发电机已做好发电准备，运行前，发电机出口断路器合闸，中压柜发出并网信号。汽轮机带发电机冲转，转速到达额定时且完成全部动态实验后，软并网装置发出备妥信号给DEH，此时当转速在2990到3000之间，DEH发出软并网指令反给软并网装置，再经过软并网装置确认后，给DEH发出允许并网信号，软并网装置合闸，汽轮机开大调门开始发电。该异步发电机同步转速为3000，当发电机转子转速小于同步转速时（n＜n0），异步发电机不发电，此时为电动机，刚并网时，转速小于3000不发电。为了使异步发电机能有效的发电，因此在调速系统中提高额定转速到3002，保证发电机转子转速大于同步转速（n>n0），此时异步发电机进入发电状态，来自汽轮机的机械功率扣除各种损耗，转换成电功率送给电网，将机械能转成电能。

四、结束语

总之，异步发电机在火力发电厂中的应用具有重要意义，未来发展趋势也非常广阔。我们相信，在不断创新和发展的过程中，异步发电机将会在能源领域发挥越来越重要的作用。

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作者简介：郭朔绪（1987.10--），男，汉族，吉林省磐石市人，硕士学历，杭州和利时自动化有限公司中级工程师，研究方向为汽轮机发电。