分重要的。
3.2.2异步发电机功率因数的改善和自励现象
如图3-5所示，异步发电机的视在功率Ps由有功功率Pa和无功功率
Qa合成。功率因数：
cos??Pa?PsPaP?Q2a2a （3-22）
无功功率Qa与励磁电流成正比，而励磁电流大致决定于定、转子铁芯间的气势磁势。在相同容量下，低速机的气隙长度与极距之比相对校大，使气隙磁势增大，无功功率Qa较大，故通常低速机的cos?较小。
Pa——有功功率，KW Qa——无功功率，KVar Ps——视在功率，KVA
?——功率因数角
Qc——改善功率因数用电容器容量，KVar
Ps'——改善功率因数后视功率，KVA ?——改善功率因数后功率因数角
图3-5 用电容器改善功率因数
'为了提高异步发电机的功率因数，通常采用发电机并联电容器以补偿无功功率的办法。如图3-5所示，并联电容器后，发电机的无功功率
Qa由降低到Q'（Q'=Qa-Qc，Qc为电容器的容量），从系统看，功率因数cos?则由增大到cos?'。改善功率因数的电容器容量Qc由下式求
35
的。
sin?sin?' Qc?Pa(?) （3-23）
cos?cos?' =Pa(11?1??1) 2'cos?cos? Pa单位为KW，Qc单位为KVar，cos?'通常选定在0.95左右。相应的电容器容量为： C?Qc3 F； 式中U——端电压，V； ?1022?fU但是在考虑用并联电容器提高功率因数时，应注意防止产生自励现象。自励现象是在发电机和电容器并联且与系统断开时产生的。这时，电容器的超前电流成了发电机的励磁电流，它使磁通增加，感应电势增大至发电机空载饱和曲线和电容器电压—电流特性曲线的交点处。
图3-6为额定转速（f1为定值）下的自励现象示意图，图中A、B、C为电容的电压—电流特性曲线，且曲线C的电容器容量＞曲线B的容
36
量＞曲线A的容量。D为异步发电机的空载饱和曲线。图中，A与D不相交，不发生自励；C与D相交，可发生自励，产生电压Ue；B与D相切，为不发生自励的极限，曲线B的电容量（即不发生自励现象的最大电容器容量）为：
Qc.max?3UI0/ksKVar 3-24 式中 U——额定端电压，KV
I0——异步发电机的励磁电流，A
ks——饱和系数
除了考虑额定转速下的自励现象外，还应考虑异步发电机与系统断开、转速上升时可能产生的自励现象。如图3-7所示，实线为额定转速下异步发电机的空载饱和曲线和电容器的电压—电流特性曲线，其交点处的电压Ue低于异步发电机的额定电压UN，自励电压不会给电机造成伤害。当发电机与系统断开转速升高时，频率上升，异步发电机的空载饱和曲线和电容器的电压—电流曲线如图3-7虚线所示，在交点处产生一个高于额定电压UN的自励电压Ue'，这个电压Ue'可能危及发电机和电容器的绝缘，必须予以重视。因此，一方面应从最不利（过速）的情况来选择电容器的电容，另一方面在保护线路上要采取适当措施。
37
3.2.3异步发电机电磁设计特点
异步发电机参数决定了它的运行性能。每一个运行点有固定的功率因数和效率，因此，为获得最大功率因数和最大效率，设计时选择参数是十分重要的。
（1）功率因数
为了获得最大的功率因数，设计时应该使无功电流的磁化分量Im与漏抗分量In相等。对于大于8极的电机，磁化分量Im常比漏抗分量In大，为降低磁化电流，首先在机械设计和工艺条件可能的情况下，应尽可能地采用较小的气隙尺寸；其次是磁通密度的选择，过高的磁密将使功率因数降低，过低的磁密将使材料利用不充分，其本质问题是一个涉及电机成本，无功补偿费用综合优化问题，同时也是主要尺寸比的优化问题。
（2）效率
最大效率只有在可变损耗(铜耗)与不变损耗(电压一定时的铁耗)相等时才可能得到。由于需要考虑一些其他因素，例如为了降低定子绕组温升需加长铁心长度增加散热面，这将引起铁心损耗的增加，因此要获得电机额定输出时最大效率通常是不可能。
38
（3）最大功率输出
异步发电机最大功率输出问题，类似于异步电动机最大输出转矩问题。它是发电机带负荷后的稳定运行能力问题，在低于出现最大输出功率的转速区间内，发电机都能稳定运行，最大输出功率及稳定运行的转速区间决定于电机的参数并近似随端电压的平方变化。
（4）转子转动惯量与机组特性
转子转动惯量的大小对于电机故障后是否能恢复正常运行十分重要。转动惯量越大，使电机加速所需的时间越长，因此，故障后电机加速超过稳定点之前用于清除故障的时限就越多，有利于电机故障后恢复正常稳定运行。这可用图3-8 解释。
当在给定负载条件下，发电机开始运行于图3-8的发电机功率曲线与水轮机机械特性的交点即a点，如发电机发生三相短路故障，发电机电压消失，甩负荷，此时发电机在故障清除、重合闸前将一直加速，如当发电机转速未超过C点前，重合闸成功后电压恢复，发电机带上负载，
图3-8 异步发电机组的功率曲线
由于发电机输出功率大于水轮机的输出功率，发电机向正常转速回落， 由于在低于C点转速区间发电机的输出功率一直大于水轮机的输出功率，因此当其转速降至正常转速时，功率达到平衡，经功率转速有限次数的振荡后，发电机在a点恢复正常运行。如发电机转速超过C点后重合闸成功，由于其输出功率小于水轮机的输出功率，发电机仍将加速直
39
异步发电机介绍及应用
