Асинхронный генератор Применение

Применение асинхронных генераторов (АГ) ограничивается тем, что они являются генераторами активной мощности и потребителями (извне) реактивной мощности. Следовательно, АГ способны работать лишь в системах, в которых имеются источники реактивной мощности. Таковыми могут быть либо система, в которой источником реактивной мощности является синхронная машина, выполняющая в том числе и функцию синхронного компенсатора, либо система, в которой источник реактивной мощности – батарея конденсаторов.

Асинхронные генераторы используются в качестве генераторов пиковых нагрузок на малых гидроэлектростанциях, работающих без обслуживающего персонала, так как они могут эксплуатироваться без систем регулирования частоты и напряжения. Известно также использование АГ в качестве генераторов ветроэнергетических станций.

Иногда асинхронную машину удобно использовать и в двигательном и в генераторном режимах.

В так называемых балансирных асинхронных машинах (серия АКБ) двигательный режим используется для холодной обкатки двигателей внутреннего сгорания. При горячей обкатке запускают двигатель внутреннего сгорания, асинхронная машина переходит в генераторный режим, нагружая тормозным моментом двигатель и рекуперируя энергию в сеть.

В авиации двигательный режим используется для запуска авиадвигателей, а в генераторном режиме формируется бортовая сеть трехфазного и постоянного (через выпрямитель) тока.

В системах автоматического управления, следящего электропривода, в вычислительных устройствах применяются асинхронные тахогенераторы с полым или короткозамкнутым ротором для преобразования частоты вращения вала в электрическое напряжение.

Генераторный режим асинхронной машины с фазным ротором используется в каскадных соединениях электрических машин, имеющих механическую связь и позволяющих получить от каскада специальные механические характеристики, а также в системах синхронного и синфазного поворота или вращения двух или нескольких осей, механически не связанных между собой.

Асинхронные генераторы отличаются высокой надежностью и простотой обслуживания в эксплуатации, они легко включаются на параллельную работу даже при сравнительно больших рассогласованиях угловых скоростей. Форма кривой напряжения АГ ближе к синусоидальной, чем у синхронных генераторов при работе на одну и ту же нагрузку.

Теоретические сведения

При повышении частоты вращения сверх частоты вращения холостого хода (за счет приводного двигателя) асинхронная машина переходит в генераторный режим, последовательно покрывая механические и добавочные потери холостого хода, электрические (холостого хода) и основные магнитные потери в статоре за счет механической мощности приводного двигателя. При этом ротор вращается быстрее (_р) вращающегося магнитного поля (₁), и скольжение

,

эдс и ток ротора меняют знаки. Электромагнитный момент становится тормозным. Меняет свою фазу на 180 и активный ток статора, определяемый величиной активной нагрузки генератора.

Следует отметить, что реактивная составляющая тока статора, определяемая величинами намагничивающего тока и тока, компенсирующего мощности полей рассеивания обмоток статора и ротора в генераторном режиме, как и в двигательном, будет иметь одну и ту же фазу (индуктивный характер по отношению к напряжению сети).

Диаграмма преобразования мощности асинхронного генератора приведена на рис. 5.1.

Работа асинхронной машины в генераторном режиме на сеть большой мощности (U_c = const, f₁ = const) описывается такими же уравнениями, схемой замещения и круговой диаграммой (нижняя часть окружности), как и в двигательном режиме, за исключением знака скольжения (s < 0, см. рис. 5.2 и 5.6). Напряжение и частота генератора совпадают с таковыми в сети. Полезная мощность генератора зависит только от частоты вращения ротора, устанавливающейся автоматически, соответственно, мощности привода (в зоне докритических скольжений генератора).

Рис. 5.1. Энергетическая диаграмма асинхронного генератора:

Р₁ – механическая мощность на валу; Р_мех – механические потери; Р_э2 – потери в обмотке ротора; Р_эм – электромагнитная мощность; Р_доб – добавочные потери; Р_э1 – потери в обмотке статора; Р_ст –                  потери в стали; Р₂ – полезная мощность генератора

При работе АГ на сеть соизмеримой мощности постоянство U_c и f_c обеспечивается соответствующим перевозбуждением синхронных машин, работающих на сеть и компенсирующих реактивную составляющую тока АГ и нагрузки сети.

При автономной работе АГ реактивная составляющая тока АГ и нагрузки компенсируется за счет емкостного тока в батарее конденсаторов. Схема замещения фазы АГ, формирующего автономную сеть с нагрузкой z_н, приведена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Схема замещения самовозбуждающегося АГ

Процесс самовозбуждения АГ поясняет рис. 5.3. Остаточную эдс АГ, обусловленную намагниченностью ротора Е_ос, при ее пропадании восстанавливают кратковременным включением обмотки статора на сеть. В режиме холостого хода I_c = I, и для самовозбуждения АГ до эдс Е₁₀ требуется емкость конденсатора в фазе

.

При нагрузке АГ (рост абсолютного значения s) напряжение снижается вследствие внутреннего падения напряжения и снижения эдс Е₁ в результате уменьшения частоты сети при _р = const.

,

где учтено, что s < 0.

Наиболее эффективна стабилизация напряжения дополнительными регулирующими конденсаторами (варикондами). При этом конденсаторы не только компенсируют реактивный ток АГ, но и меняют рабочую точку на магнитной характеристике генератора, компенсируя внутреннее падение напряжения.

Рис. 5.3. Процесс самовозбуждения АГ:

1 – характеристика холостого хода АГ; 2 – зависимость напряжения на конденсаторе от тока конденсатора

Стабилизация напряжения с ростом s возможна за счет увеличения _р и, следовательно, f₁. Остальные способы регулирования напряжения связаны с усложнением конструкции АГ (подмагничивание спинки статора) либо с применением стабилизаторов различных типов.