3.6 异步发电机

与永磁同步发电机一样，没有励磁绕组和励磁电源的还有异步发电机。由于异步电机与直流电机和同步电机一样，具有可逆性，它既可以当作异步电动机使用，在一定条件下也可以当作异步发电机使用，因此结构上即为笼型异步电动机，电机的设计、制造成本及可靠性优于所有类型的同步发电机。

3.6.1 异步发电机的工作原理

异步发电机是根据电磁感应原理，并借助于转子铁心的剩磁和定子绕组输出端所并联的电容器而工作的。

如图3-14所示，在三相异步电机定子绕组的输出端并联一组电容器，当转子被原动机驱动而旋转时，转子中的剩磁磁场便切割定子绕组，结果在定子绕组中产生一定的感应电动势，该电动势称为剩磁电动势。剩磁电动势经电容器产生超前于电动势一定相位角的容性电流。

容性电流在定子绕组中产生电枢反应磁通，该磁通具有助磁作用，它增强转子中原来的剩磁通，使感应电动势升高，进而引起定子绕组中的容性电流增大。如此循环，直到电机的铁心达到或接近饱和状态为止。此时，感应电动势便稳定于某一数值而不再变化。异步发电机自激建压的详细情况如下。

若三相异步发电机的各相定子绕组彼此对称，在略去定子绕组内阻r和漏抗X_漏的情况下，则电容器成为异步发电机的纯容性负载，结果各相电流I_A、I_B、I_C分别超前于对应相电动势E_A、E_B、E_C90°电角度。各相电动势和电流的矢量关系如图3-15a所示、各相电动势的波形如图3-15b所示、各相电流的波形如图3-15c所示。

在ωt₁瞬间，假设转子的剩磁磁场的方向处于图3-15d中ϕ_剩所示的位置，因为转子沿顺时针方向旋转，则A相电动势为正最大值，B相和C相电动势为负最大值，B相和C相电动势均为负值，各相电动势的方向如图3-15d中小圆圈外边的符号“×”和“•”所示，“×”表示去向，“•”表示来向。此时，A相电流为零、B相电流为正值、C相电流为负值，各相电流的方向如图3-15d中小圆圈内的符号“×”和“•”所示。由右手定则可知，定子绕组中的容性电流所形成的电枢磁通ϕ_剩的方向相同，显然ϕ_枢具有助磁作用。不言而喻，定子绕组中的容性电流（无功电流）起着激励电流的作用。只要转子的剩磁磁场足够强，只要电容器的容量选择得当，使ϕ_枢足够大，异步发电机便可自激建立电压。

图3-14 异步发电机原理图

图3-15 异步发电机的自激原理

3.6.2 异步发电机的自激建压条件

单独运行的异步发电机，自激建压的条件有3条：①转子铁心必须有足够强的剩磁磁场。②转子的转速必须足够高。③定子绕组输出端并联的电容器的容量必须足够大。对于前两个条件比较容易理解，这里不再叙述了。下面着重讨论一下电容器的容量大小对异步发电机自激建压的影响。

在略去定子绕组的内阻r和漏抗X漏的情况下，异步发电机的输出电压U的大小与电动势E的大小相等，并且电容器两端的电压就是发电机的输出电压U。

图3-16 自激建压条件

在如图3-16所示中，U为异步发电机的空载电压，I_激为通过电容器的电流，称为异步发电机的激磁电流。U=f（I_激）曲线为异步发电机的空载特性曲线，如图3-16中的曲线1所示，其形状与铁心的磁化曲线相似。U_o为剩磁电压。电容器的端电压U、容抗X_c与电流I_激三者的关系为U=KI_激X_c（系数K与电容器的连接方式有关。若电容器为三角形联结，则；若电容器联结成星形，则，如图3-16所示中的直线2所示。U=KI_激X_c直线称为异步发电机的定容直线，因为电容器的容量一定时，该直线的斜率是一定的。定容直线的斜率为

显然，只要电容器的容量选得合适，直线2与曲线1便有固定的交点，如图3-16所示中的A点所示。在这种情况，异步发电机便可以自激而建立起稳定的电压U′。

若电容器的容量选得过小，则定容直线的斜率必然变大。如图3-16所示中的直线3的斜率大于直线2的斜率，即tgα′＞tgα。此时，直线3与曲线1相切，没有固定的交点，结果异步发电机不能自激建立电压，直线3称为临界定容直线，与此直线相对应的电容器的容量，叫异步发电机的临界电容量。若电容器的容量小于临界电容量，那么定容直线的斜率将继续变大，异步发电机将不能自激建压。

那么，异步发电机的电容器容量应当如何选择呢？下面举例说明之。

三相异步发电机空载运行时，设其额定输出电压为U_H，所需要的激磁电流为I_H激。将U_H和I_H激代入式中，于是可得出异步发电机自激建压时每相所需要的电容器的容量为

因为电容器按星形联结时，而按三角形联结时。显然，在额定电压相同的情况下，前者所需的电容器的容量为后者的3倍。因此，在实际工作中，通常把电容器联结成三角形。

对于线电压为380V、转速为1500r/min的中小功率的三相异步发电机来说，若电容器按三角形联结，则空载自激建压和满载工作时，电容器的容量选取见表3-4。

表3-4 三相异步发电机所需电容器的总容量

3.6.3 异步发电机负载运行状态及应用

异步发电机负载运行时，如果不提高原动机的功率和不增加并联电容器的容量，则发电机的转速和电压都要降低。转速降低是由于电网吸收电功率所引起的，而电压降低的原因则比较多。负载电流通过定子绕组，使发电机的内阻压降和漏抗压降增大，降低发电机的端电压，从而使通过电容器的电流减小；由于负载的接入，特别是感性负载的接入，如荧光灯、变压器、电动机等的接入，都会使定子绕组中的电流（负载电流和通过起励电容器的电流的矢量和）减小。这样一来，通过定子绕组的电流的无功（容性）分量就会减小，也就是减小发电机的激磁电流。结果，必然导致发电机的端电压降低。因此，异步发电机必须随着负载的增减调节电容器的容量和电机的转速。当负载增加时，要增加电容器的容量，否则输出电压降低很多，甚至造成失压；当负载减轻时，要减小电容器的容量，否则发电机输出电压将升高，严重时甚至出现过电压，使电容器击穿。从以上分析不难看出，异步发电机的输出特性不够好，输出电压不够稳定。

通常把空载建立电压时的电容器称为主电容器，而把随负载增减而增减的电容器称为副电容器。表3-4中列出了不同功率的异步发电机在不同负载时所需要的电容器容量的参考数据。为了调节方便，可以把副电容器分成若干组（△或联结），并让它们随负载一道投入或切除，这样就可以避免因同时大量切除或增加负载而来不及切除或增加电容器所带来的问题。如图3-17所示小型异步发电机的简易线路图，其中K₁为激磁开关，K₂为总输出开关，K₃～K₈为分组开关（可根据负载电流自动投入或分闸）。

图3-17 三相异步发电机电容投入图

在应急通信电源中，常应用的为单相异步发电机。在定子绕组中，设置了独立的副绕组Hz如图3-18所示。建压及小于80%额定负载时由电容C_E励磁，当负载≥80%额定负载时，由控制单元RE9730控制继电器接通C_B，保持发电机端电压基本恒定。

图3-18 单相异步发电机电容投入图

异步发电机在应用中要特别注意保持其剩磁，防止带载停机的去磁现象发生；同时在不能自激建压或电压不符时还应检查电容器的容量。