自激运行条件及其稳定性分析

在定子直接连接电网时，感生主磁场的无功功率来自电网。但是当电机处于电气岛等孤立系统时，显然这种励磁方式不再适用。

传统自励磁手段是在定子绕组上并联一个电容器，这样当电机电路中没有任何负载时，电机就相当于一个将电流相位拖后的电感。如果电路中有容性负载，那么电路中的电流相位会超前电压相位，即

图3-11中的电压曲线与电流成非线性关系，这个非线性曲线使得电机自激运行成为可能。下面比较一下图3-11中的感应电压u_i（i_m）曲线和图3-9中的Ψ_m曲线。图3-11中的感应电压曲线u_i，08（i_m）表示的是当转子转速为额定转速的80%时，感应电压的值，曲线u_c（i_c）则是定子并联的电容端电压。从图3-11中可以看到，u_i和u_c曲线是相交的（交点坐标还被用来定义归一化坐标），这个交点意味着这是自激运行的一个稳定工况。因此，通过选择合适的电容值，可以让异步电机工作在自激模式下，即SEIG。回顾一下异步电机的自激起动过程，在开始的一瞬间，还是需要一个磁场来产生感应电场的，所以异步电机即使工作在自激模式下，其内部也是存在一个小的剩磁场的。再回到图3-11中，假如电容值保持不变，但是转速降低为额定转速的80%，那么此时u_c直线和u_i，08曲线不再相交，也就是说这时异步电机没有稳定的自激工作点；同样的，假如电机转子转速保持不变，但是电容值降低为先前的80%，那么也能见到u_c，08直线和u_i曲线不再相交，即电机也无法自激运行。综上所述，对于电机的每一个转速，都存在一个最小电容值，当与定子并联的电容值小于这个临界值时，电机无法自激运行。

图3-11 异步电机电容自激

图3-12a中，1是用来带动发电机的动力机械；2是笼型异步电机；3是电容器组；4是开关；5是可调电阻—电感载荷。图3-12b则是异步电机的一个单相等效电路，其中所画异步电机模型被称为gamma等效模型，另外定子绕组的电阻忽略不计。异步电机的磁场参数可以通过式（3-1）来计算，电压和电流应用迭代法计算。

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图3-12 被动载荷自励异步发电机

a）电路图 b）仅带电阻负载的等效电路

图3-13所示是一个7.5kW、2对磁极、额定频率为60Hz、只带电阻负载的自励异步电机的特性曲线图，可以看到如果不采取任何电压控制措施，随着负载电阻的增大，电机输出端电压下降很大，而且一旦降低到某个由电机转速和并联电容值决定的点，电机就无法再稳定运行了。这个临界稳定工作点则反映了此时电容和电机之间感应电流的差值已经达到了感应电流的临界值（见图3-11）。

图3-13 仅带电阻负载的自励异步发电机实验台负载特性

a）恒定转速，电容值为参数 b）恒定电容，转速为参数

由于励磁感应电压依赖于定子绕组并联电容的大小，为了使电机有更广泛的工作范围，引入可调电容器非常必要。由于电容器组太过简陋，它只能阶梯状调节电容值的大小，静态和动态特性全都不能满足要求，因此出现了一些常用的调节励磁电压的装置。图3-12a中出现的解决方案类似于图3-10a中的无功补偿装置，它也使用相控交流感性负载并联电容器。该装置可以在自激运行时提供较为优质的励磁电压，但是自适应逆变器调节电压能够获得更好的励磁电压品质，参见参考文献[Chat06]。