【正文】 的控制方式。上述分析國(guó)內(nèi)的幾座異步發(fā)電機(jī)水電站運(yùn)行的實(shí)踐證明是正確的。對(duì)異步發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)及水輪機(jī)控制方案的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。此外，關(guān)于異步發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)中需要增加的計(jì)算項(xiàng)目及與電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)不同之處，在文獻(xiàn)[5]中有詳細(xì)的討論。 過(guò)渡過(guò)程 并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流同步發(fā)電機(jī)由于采用同步裝置，在電壓、頻率和相位與系統(tǒng)并網(wǎng)，故可以不考慮并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流。但在異步發(fā)電機(jī)的場(chǎng)合，是在轉(zhuǎn)速上升到超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，在一定滑差s內(nèi)利用速度繼電器和系統(tǒng)并網(wǎng)，由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)本身無(wú)電壓，故電機(jī)和系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)必須伴隨一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，流過(guò)5—6倍額定電流的沖擊電流。異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)沖擊電流為： （325） 式中 ——正常交流分量； ——瞬時(shí)交流分量； ——瞬時(shí)直流分量； ——時(shí)間常數(shù)，； ——定子漏抗； ——轉(zhuǎn)子漏抗 （換算值）； ——轉(zhuǎn)子電阻 （換算值）； 、——相位差； 三相短路電流異步發(fā)電機(jī)如果在運(yùn)行狀態(tài)下定子側(cè)發(fā)生三相突然短路，則流過(guò)和同步發(fā)電機(jī)同樣大小的過(guò)渡電流，過(guò)渡電流的大小基本上和并網(wǎng)時(shí)沖擊電流相等。突然短路時(shí)的電流計(jì)算式為： （326）異步發(fā)電機(jī)發(fā)生三相突然短路時(shí)，由于磁通消失，故無(wú)持續(xù)短路電流流過(guò)。 異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機(jī)一樣，異步發(fā)電機(jī)也有臥式及立式之分。在日本及歐洲，中小型臥式異步發(fā)電機(jī)應(yīng)用較廣，臥式異步發(fā)電機(jī)以形成系列。系列電機(jī)的功率范圍為5000KW以下（50HZ）或6000KW（60HZ）。 臥式異步發(fā)電機(jī)異步發(fā)電機(jī)一般轉(zhuǎn)速較高，故結(jié)構(gòu)上以臥史居多。圖311為典型的臥式異步發(fā)電機(jī)剖面圖。定子鐵芯和定子繞組的結(jié)構(gòu)與同步發(fā)電機(jī)一樣。但轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵芯為電工鋼片疊成的圓筒形結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子籠條和端環(huán)間采用高頻釬焊，能承受水輪機(jī)飛逸時(shí)機(jī)械應(yīng)力及運(yùn)行中的熱應(yīng)力。冷卻方式多為軸—徑向管道式通風(fēng)。冷風(fēng)利用轉(zhuǎn)軸兩鍛或一端安裝的風(fēng)扇，從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)，然后經(jīng)轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯中的風(fēng)溝排風(fēng)。如果僅靠發(fā)電機(jī)本身的轉(zhuǎn)子不能滿足水輪機(jī)所需要的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（GD），則一般在發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)連接部位附加飛輪。. 立式異步發(fā)電機(jī)立式異步發(fā)電機(jī)一般為懸式結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)上部裝有推力軸承和導(dǎo)軸承，下部裝有導(dǎo)軸承，也有采用下裝導(dǎo)軸承和水輪機(jī)軸承共用的結(jié)構(gòu)。圖312為日本富士公司為美國(guó)Lake Mathews電站制造的立式異步發(fā)電機(jī)（4900KW，）的剖面圖。發(fā)電機(jī)為懸式，發(fā)電機(jī)上部及水輪機(jī)部各設(shè)有一個(gè)導(dǎo)軸承。轉(zhuǎn)子為籠型繞組，轉(zhuǎn)子支臂焊在轉(zhuǎn)軸上，并兼起風(fēng)扇作用。日本、德國(guó)、法國(guó)等在許多貫流式機(jī)組中采用了異步發(fā)電機(jī)，包括燈泡式、軸伸貫流式等。圖313為明電舍公司為黑川第三電站制造的帶異步發(fā)電機(jī)的貫流式機(jī)組（2900KW，405r/min）。圖314是富士公司為日本板戶電站制造的2000KW，375r/min貫流式異步水輪發(fā)電機(jī)組。4 異步發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)的比較(1)主要優(yōu)點(diǎn) 籠型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，特別適合于高圓周速度電機(jī)。無(wú)集電環(huán)和碳刷，可靠性高，不受使用場(chǎng)所限制。由于無(wú)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)，不需要同期及電壓調(diào)節(jié)裝置， 電站設(shè)備簡(jiǎn)化。負(fù)荷控制十分簡(jiǎn)單，多數(shù)情況下不需水輪機(jī)調(diào)速器，水輪機(jī)可全速運(yùn)行或在鎖定導(dǎo)葉開(kāi)度下在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變速運(yùn)行。異步發(fā)電機(jī)盡管可能出現(xiàn)功率搖擺現(xiàn)象，但無(wú)同步發(fā)電機(jī)類(lèi)似的振蕩和失步問(wèn)題。并網(wǎng)操作簡(jiǎn)便。表41異步發(fā)電機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)序號(hào)項(xiàng)目異步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)1234567結(jié)構(gòu)尺寸及重量勵(lì)磁同步合閘穩(wěn)定性高次諧波負(fù)載能力維護(hù)檢修定子與同步發(fā)電機(jī)相同，但轉(zhuǎn)子為鼠籠型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固無(wú)勵(lì)磁裝置，尺寸較小，重量較輕由電網(wǎng)供給勵(lì)磁，不需勵(lì)磁裝置及勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置。強(qiáng)制并網(wǎng)，不需要同步合閘裝置對(duì)于負(fù)載變動(dòng)沒(méi)有非同步現(xiàn)象，運(yùn)行穩(wěn)定轉(zhuǎn)子籠條熱容量大，對(duì)高次諧波負(fù)載的耐力較強(qiáng)定子、冷卻器等的維護(hù)與同步機(jī)相同，但轉(zhuǎn)子不需要維護(hù)轉(zhuǎn)子具有阻尼繞組及勵(lì)磁繞組，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜有勵(lì)磁裝置，尺寸交大，重量交重需要?jiǎng)?lì)磁裝置及勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置需要同步合閘裝置因負(fù)載急劇變化，有可能非同步運(yùn)行無(wú)阻尼繞組時(shí)磁極表面和有阻尼繞組時(shí)阻尼繞組的熱容量限制了電機(jī)的允許功率除了與異步機(jī)相同的維護(hù)相外，勵(lì)磁繞組需要維護(hù)，有電刷時(shí)還需檢查維修電刷 (2)主要缺點(diǎn) 大容量異步發(fā)電機(jī)必須與同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行或接入電網(wǎng)運(yùn)行，由同步發(fā)電機(jī)或電網(wǎng)提供自身所需的勵(lì)磁無(wú)功，因此異步發(fā)電機(jī)是電網(wǎng)的無(wú)功負(fù)載。盡管從原理上說(shuō)異步發(fā)電機(jī)可以借助于電容器孤立運(yùn)行在自激狀態(tài)，但處于這種運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)調(diào)壓能力很弱，當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到臨界負(fù)荷，將引起電壓崩潰。異步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁一般而言可由同步發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)或靜止電容器提供。具體的勵(lì)磁提供方式由電站類(lèi)型或電網(wǎng)運(yùn)行條件決定。雖然異步發(fā)電機(jī)不能提供自身和負(fù)載所需的無(wú)功，可能是一個(gè)缺陷，但當(dāng)其使用恰當(dāng)時(shí)，可作為電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化的一種手段。并將會(huì)對(duì)電站和電網(wǎng)帶來(lái)明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。表42異步發(fā)電機(jī)主要缺點(diǎn)序號(hào)項(xiàng)目異步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)12345單獨(dú)運(yùn)行功率因數(shù)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流電壓及頻率調(diào)節(jié)沖擊電流需要電網(wǎng)供給勵(lì)磁，一般不能單獨(dú)運(yùn)行功率因數(shù)決定于發(fā)電機(jī)功率，不能調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流由系統(tǒng)供給，電流滯后，導(dǎo)致系統(tǒng)降低。另外，低速電機(jī)的勵(lì)磁電流較大電機(jī)的電壓，頻率受系統(tǒng)支配，不能調(diào)節(jié)強(qiáng)制并網(wǎng)，沖擊電流大，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降能單獨(dú)運(yùn)行能在適當(dāng)負(fù)載功率的任意功率因數(shù)下運(yùn)行用直流勵(lì)磁單獨(dú)運(yùn)行時(shí)可以任意調(diào)節(jié)電壓及頻率同步化并網(wǎng)，過(guò)度電流較小，系統(tǒng)電壓下降較小 異步發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)在電站中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性比較(1)異步發(fā)電機(jī)裝備的電站由于無(wú)需直流勵(lì)磁系統(tǒng)、同期裝置，電站投資費(fèi)用低。(2)由于無(wú)集電環(huán)、電刷、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，因此維護(hù)及運(yùn)行費(fèi)用低。(3)異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為隱極及無(wú)同步發(fā)電機(jī)類(lèi)似的轉(zhuǎn)子繞組，因此一般效率高于同容量同轉(zhuǎn)速的同步發(fā)電機(jī)。相同的水源下，采用異步發(fā)電機(jī)可多發(fā)電。(4)異步發(fā)電機(jī)的上述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)將會(huì)由于異步發(fā)電機(jī)所需勵(lì)磁(或附加同步容量或附加電容器)受到部分抵消。(5)異步發(fā)電機(jī)所需勵(lì)磁的大小與電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速成反比(即與電機(jī)的極對(duì)數(shù)成正比)，轉(zhuǎn)速越高，標(biāo)幺值勵(lì)磁越低。(6)異步發(fā)電機(jī)電站廠房面積較同步發(fā)電機(jī)電站廠房面積小。因此，經(jīng)濟(jì)性比較的一般性結(jié)論難于準(zhǔn)確得出，應(yīng)對(duì)每一個(gè)電站具體分析比較。 異步發(fā)電機(jī)水力發(fā)電應(yīng)用實(shí)例實(shí)例一 20世紀(jì)50年代， 由美國(guó)加州舊金山西屋公司與OregON State波特蘭GE公司聯(lián)合在OregON Citv Willamette瀑布的Sullivan電站裝設(shè)了12臺(tái)容量1200kW、三相、60周波、4160V、30極、立式異步發(fā)電機(jī)。該電站采取異步發(fā)電機(jī)的原因如下：(1)水源有限為了使有限的水源全部用于發(fā)電，避免驅(qū)動(dòng)直流勵(lì)磁機(jī)，而減少電站的發(fā)電量，且經(jīng)比較計(jì)算后表明異步發(fā)電機(jī)電站在任何水流下都比同步電機(jī)電站增加了有功輸出。(2)通過(guò)電站電氣設(shè)計(jì)異步發(fā)電機(jī)有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：①異步發(fā)電站的運(yùn)行、監(jiān)控技術(shù)簡(jiǎn)單，不需直流勵(lì)磁機(jī)、直流設(shè)備、電壓調(diào)節(jié)及碳刷，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化，不易過(guò)負(fù)荷，很少有超速的危險(xiǎn)性。因此，在機(jī)端無(wú)電容勵(lì)磁的條件下，不會(huì)引起過(guò)電壓和頻率的增加，無(wú)旋轉(zhuǎn)繞組與滑環(huán)，不需同期裝置。② 可實(shí)施簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程監(jiān)控，因此這種電站非常適合無(wú)人值守。③ 發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓波形非常接近正弦分布，異步發(fā)電機(jī)扮演諧波吸收器的角色。④ 不存在持續(xù)的短路電流，雖然斷路器瞬時(shí)額定值會(huì)受到影響，但降低了斷路器的遮斷容量。(3)技術(shù)缺陷：①低功率因數(shù)，電站是系統(tǒng)的無(wú)功負(fù)載。②可能需要高瞬時(shí)額值的斷路器。(4)投資比較：①異步發(fā)電機(jī)的初步投資小于同步發(fā)電機(jī)。② 異步發(fā)電機(jī)自動(dòng)化、監(jiān)控系統(tǒng)的投資明顯低于同步發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)。③異步發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率高于同步發(fā)電機(jī)。實(shí)例二 1994年由重慶大學(xué)與重慶南川市電力公司，在南川金佛山建設(shè)22000kw 同步發(fā)電機(jī)與一臺(tái)2500kW 異步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的電站。該電站電氣布置為：一臺(tái)2000kW 同步發(fā)電機(jī)與2500kW 異步發(fā)電機(jī)在6kV 母線上并聯(lián)，經(jīng)5000kVA雙圈變壓器接入35kV 母線，另一臺(tái)2000kW 同步發(fā)電機(jī)與一臺(tái)3150kVA三圈變壓器組成發(fā)變單元，高壓側(cè)接入35kV母線，10kV側(cè)供地區(qū)負(fù)荷。（1）設(shè)備投資比較見(jiàn)表43：表43 不同類(lèi)型發(fā)電機(jī)電站投資比較名稱(chēng)同步發(fā)電機(jī)方案異步發(fā)電機(jī)方案容量投資容量投資發(fā)電機(jī)2500KW2500KW變壓器6300KVA5000KVA勵(lì)磁裝置——————補(bǔ)償電容————3293KVA同期裝置——————總計(jì)——59計(jì)電容不計(jì)電容（2）運(yùn)行損耗比較最大開(kāi)機(jī)下的損耗比較見(jiàn)表44：表44 不同類(lèi)型發(fā)電機(jī)運(yùn)行損耗的比較發(fā)電機(jī) 效率（%） 損耗變壓器效率 損耗線路功率損耗差效95／同步機(jī)12533167——異步機(jī)10030114——差值2535382按年最大損耗小時(shí)數(shù)為5000h計(jì)算，每年增加電量為41萬(wàn)kWh。(3)其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益廠房基建面積減少，機(jī)組安裝、維護(hù)費(fèi)用降低，由于無(wú)直流勵(lì)磁系統(tǒng)因此故障率低。實(shí)例三 1999年建成投運(yùn)的都江堰水界牌23200kW 異步發(fā)電站。該電站為利用映秀灣水電廠尾水的引水徑流式水電站。該電站除具有實(shí)例二的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)外，還起到了抑制映秀灣電站出現(xiàn)持續(xù)工頻過(guò)電壓的作用(電站不裝設(shè)補(bǔ)償電容器)。 5 結(jié)束語(yǔ)我國(guó)是世界公認(rèn)的小水電大國(guó)，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村電氣化，解決廣大農(nóng)村用電問(wèn)題，建設(shè)小水電是一個(gè)長(zhǎng)期的任務(wù)，由于農(nóng)村技術(shù)力量薄弱、資金短缺，尋求經(jīng)濟(jì)實(shí)效的電站開(kāi)發(fā)方案有十分重要的意義。雖然在國(guó)外異步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用已是一項(xiàng)成熟技術(shù)，但在國(guó)內(nèi)由于種種原因，如認(rèn)識(shí)問(wèn)題、無(wú)電機(jī)與電站設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及設(shè)備的成套提供問(wèn)題等，阻礙了異步發(fā)電機(jī)的推廣應(yīng)用，經(jīng)我們十來(lái)年的研究與實(shí)踐認(rèn)為異步發(fā)電機(jī)的推廣應(yīng)用條件已經(jīng)成熟，應(yīng)引起有關(guān)部門(mén)的充分重視，使用異步發(fā)電機(jī)是加快實(shí)現(xiàn)農(nóng)村電氣化的有力技術(shù)措施之一。異步發(fā)電機(jī)不僅用于水力發(fā)電中，還可用于汽輪機(jī)組、柴油機(jī)組中（在日本，中小型汽輪異步發(fā)電機(jī)也已形成系列）。目前異步發(fā)電機(jī)正向提高容量、改善運(yùn)行性能方面發(fā)展。此外，由于異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，大電網(wǎng)合理使用異步發(fā)電機(jī)也是一個(gè)十分重要的問(wèn)題，對(duì)大中容量異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場(chǎng)合等問(wèn)題也是一個(gè)值得深入研究的課題。 53