在农村或某些场合,经常停电。在急需用电而又没有发电机时,可以利用农村常用的鼠笼式异步电动机加接适当容量的电容,改装成异步发电机,解决燃眉之急。此种异步发电机具有结构简单、一机多用、成本低,改装、维修方便等优点,具有实用价值。下面介绍这种发电机改装的简单原理和使用方法。
一、基本原理
同步发电机发电必须具有导体、磁场、导体与磁场的相对切割运动三个条件,异步发电机同样也要具备上述条件,而鼠笼式异步电动机中不存在磁场,自然也不会有导体与磁场的相对切割运动。要产生磁场就得通过自励过程得到。
实验告诉我们,电动机转子转动时,可在每相绕组上测出微弱的电压(约几伏),实际上,这是由异步电动机的剩磁产生的剩磁电动势,我们就可以利用这一电动势作为起动电动势进行励磁。
由于电动机定子中线圈是感性的,所以在转子转动时产生的剩磁电动势落后于转子的转子剩磁通900角。当有励磁电流
,且
与
同相时可产生激励磁能通
(
与
同相),合成磁通
+
,这一合成的磁通就能产生比原来的剩磁电动势
更大的电动势
,而
又可以通过一定的方法,使它产生励磁电流
,使
不断上升从而达到一稳定值
要将剩磁电动势
和电动势
产生出超出它们900的励磁电流
和
’,则只要通过一只电容器来实现,电容量C适当时可使E达到一个理想的稳定值。
二、电容容量计算
这里我们分析如图一,将电容接成三角形时的电容求法,Ue=Ixa·
,因I0=
Ixa,
=1/(2
f
),代入上式得
=I0/(2
fUe)(法拉),空载总电容量C0=3
=
(法拉),Ue为异步电动机额定电压,f为额定频率。额定电压为380伏,则电容耐压应大于380
伏。电容为星形接法时,可以证明总电容量为三角形接法时的三倍,但耐压要求大于200
伏即可。
异步发电机的额定频率在发电机工作过程中,由于接入负载等原因会有变化,旋转磁场转速n1和频率f的关系式为n1=60f/p,转子转速n和转差率s的关系为s=,所以转子转速n=
(1-s),对于发电机来说s为负,
因此n=
(1+
)。由实验得到的异步发电机的外特性曲线(如图二)知,随着负载的增大,Il不断增大,发电机端电压逐渐下降,当负载大到一定程度时(I=Ilj),电压U会突然失去稳定,以至很快下降为零。为了防止出现这种情况,就要增加电容量C1,在负载为电阻性且满载时,可按下式计算补偿电容量C1
0.25C0,当负载为电感性负载时,还须增加电容C2,以补偿励磁电流Ils,C2如下计算:C2=
=
=
。因此,带负载时所需总电容量(三角形法接电容)为C=C0+C1+C2。
三、改装及调试
有了以上的基本原理,我们就可以进行异步发电机的改装调试,这里我们选取主要参数如下的三相异步电动机作为实验机。
主要参数如下:
额定功率:0.8kW 额定频率:50Hz 额定电压:380V
额定电流2.06A 转速:1380转/分 接法:Y
一般I0取额定电流值In的20~40%,这里取I0=40%In可求出C0=12,C1=3
。功率因素为0.8时C2=11
。这样就可以如图三连接电路,实验中并联接入12
电容时,可得空载电压为230伏,转速1640转/分,频率50Hz,接入电阻性负载后,输出电压降低,频率降低,转速减小。此时增加补偿电容C1后,频率、输出电压上升,转速略有变化。但是补偿电容过大,则导致频率反而下降的现象。
在实验过程中,由于接入过大的负载(过载)或接感性负载时,会出现电压下降至一定值时完全消失的现象,此时即使将全部负载都撤去,也不能建立电动势。此时,只能将原电机停机,在发电机的任一相绕组上用干电池接通一下,这样就能重新建立起空载电动势。这是因为负载中的无功分量所产生的中枢反应起纵轴去磁反应,将自励所必需的起动电动势消去了。在接负载前,必须将空载电动势建立好,否则将不能建立电动势。停机时也要特别注意剩磁,停机前应在减低转速的同时撤去负载和电容器。
自励式异步发电机虽有功率不能太大,不能接过大的感性负载等缺点,但它有许多优点:它结构简单,可一机多用,运行可靠,维修简单,不怕短路,不怕不对称负载等。根据实际情况,恰当地选择发电机是用自励式异步发电机的原则。
附录:
1、380伏,750~1500转/分异步发电机所需三相总电容列表如下:
| 发电机容量 (千伏安) | 空载电容量 (μF) | 满载电容量(μF) | |
| cosψ=1 | cosψ=0.8 | ||
| 1 | 16 | 20.5 | 32 |
| 2 | 28 | 36 | 60 |
| 3 | 40 | 48 | 87 |
| 4 | 54 | 70 | 124 |
| 5 | 60 | 75 | 138 |
| 7 | 74 | 98 | 182 |
| 10 | 92 | 130 | 245 |
| 12 | 102 | 144 | 283 |
| 15 | 120 | 172 | 342 |
2、参考书目
(1)《电工学》(下册) 华南师范学院物理系 廖玄九等编 人教社79年版
(2)《电工学基本教程》 湖南大学,武汉水利电力学院编 高教社83年版
(3)《电工学》 浙江大学 电机工程系电工学教研室编 人教社60年版
(4)《电工学》(上册) 哈工大电工学教研室 水利电力出版社 75年版
3、指导:钱忆平(常熟高等专科学校物理教师)
协同实验:朱冬生、钱斌、黄亮、陆国华(常熟高等专科学校物理系九五届毕业生)
