电机“双馈”调速系统

1 概述

传统的同步电动机和同步发电机转速都是恒定的，转子由直流电流励磁。改变励磁电流的大小，可改变电机的功率因数。若将常规直流励磁的交流同步电机(电动机或发电机)的转子绕组改为三相(或两相)对称绕组，并对其进行交流励磁，这样比一般同步电机多两个可调量，除通过调节励磁电流幅值大小调节电机功率因数外，还可通过调节励磁电流的频率改变电机转速。另外，通过调节励磁电流的相位改变电机的有功功率和无功功率，从而可使电机的有功、无功、转速、功率因数实现综合“最优”控制，达到电机双馈调速系统高效节能的目的。这种电机的转速可在同步转速上下调节，并可运行于机械特性的“二象限”(即“电动”和“发电”状态)，特别适用于转速调节范围有限的泵类负载，还可组成变速恒频发电系统，使水轮机或风轮机始终处于最高效率工况运行，以适应变

化的水力或风力状况，减轻振动、汽蚀损伤，延长设备使用寿命。这种交流励磁电机有人称之为“异步化同步电机”、“双馈电机”或“超同步串级调速电机”(简称超同步串调电机)。

普通的交流鼠笼型异步电机和同步电机的转子均没有交流励磁绕组。交流同步电机惯用直流励磁，只有直流励磁绕组(图1);鼠笼型异步电动机无专用励磁绕组，一般从定子侧取交流励磁电流(图2);绕线型异步电动机转子虽有三相绕组，但一直不是作交流励磁用，而是作串电阻调速或起动用(图3)，或与“整流器———(有源)逆变器”连成一体组成常规“低同步串级调速”(图4)。

本文对楚湘科技发展有限公司最近研发的智能化节能新产品———电机双馈调速系统的性能与特点以及应用效果等予以介绍，以便推进电机高效节能工作的迅速发展和广泛应用。

2 单馈电动机和双馈电动机

2.1 单馈电动机

通常，人们将电动机定子由电网馈电，定子绕组从电网吸取电磁功率(P1)，并转变为轴输出功率(PM)和转子转差功率(PS)的鼠笼式交流感应电动机、转子串电阻起动或调速的绕线式异步电动机、低同步串级调速绕线式异步电动机称为

“单馈”电机。单馈电机的转差功率(PS)有的为零(图1);有的消耗于转子绕组内部(图2);有的消耗于外接电阻(图3);有的回收电网(图4)。总之，转差功率(PS)大都“流失”了。“单馈”电机的转差功率PS、轴输出功率PM、定子侧电磁功率P1关系为

2.2 双馈电动机

当电机的定子与转子分别由外电源供电时，则被称为“双馈电机”。广义的双馈概念应由电机定子s、定子侧电能变换器C1;电机转子r、转子侧电能变换器C2;转子励磁变压器T;转子位置检测器TG 和控制器C3组成(图5)。它实质上是一台包括定、转子供电电源的普通绕线式异步电动机。

因为绕线转子异步电动机更具有一般交流电机的意义，其定、转子侧供电电源可以互换。在实际应用中，为了简化双馈电机结构，一般省去定子侧电能变换器C1，而将定子绕组直接由工频电网供电，转子绕组则由另一套转差能量(PS)“可逆”流转的独立可调交流电源C2(下称交流励磁电源)馈电(图6)。

欲使绕线式异步电动机从“单馈电机”变为“双馈电机”必须在转子侧接入交流励磁电源，引入交流附加电势，并控制励磁电流的幅值、频率和相位(即C2 应向转子提供交流励磁电流)。所以，双馈电机实质上是传统线绕异步电动机与现代电力电子技术和数控技术结合的产物。

3 电机双馈调速系统

3.1 正相序交流励磁电流

正相序交流励电流由a 寅b 寅c，如图7 所示。从鼠笼型或绕线型异步电动机运行原理可知，当定子供电电源为A寅B寅C时，其转子感应电流的相序也为a 寅b 寅c，转子旋转磁场棕2 的方向与定子旋转磁场棕1 的方向相同，转差功率PS 从

转子侧流出，电机转差功率流向与常规低同步串级调速(图4)相同。设电机定子电源频率为f1，转子电源频率为f2，欲使电机稳定运行则转速应为

3.2 反相序交流励磁电流

3.3 直流励磁

直流励磁电流频率为零，即f2=0。相当于由C2向转子绕组提供直流励磁。从式(3)或式(4)可知电机处于同步“电动”状态，即棕r =棕1 。

交直流自动励磁电源可以根据人们的需要自动控制电动机励磁电流的相序、频率、相位和幅值，在大范围内调节电机转速、功率因数和有、无功功率的大小，使其驱动的工作机械始终处于最佳状态运行，以达到提高效率、节省能源、减缓损伤、延长设备使用寿命的目的。

4 变速恒频发电系统

无论是并网运行或是单独供电的发电机组，都严格要求其电能频率在某一规定值(如50 Hz)上。为了满足此要求，通常需对原动机(如水轮机，汽轮机，风轮机等)设置复杂的调速系统，以控制原动机始终以额定转速运行，但由于水头(汽压差或风力)和负荷的变化，水轮机若仍以固定的额定转速运行，则可能发生严重的汽蚀破坏和振动，效率降低，引起巨大能量损失及设备寿命缩短。对于

任一水头和负荷的组合状态，都可以找到一个使水轮机效率高、汽蚀振动小的最优转速值。随着水头和负荷的变化其相应的最优转速值是变化的，人们期望水轮机始终处于最优转速运行。即要求发电机转子的转速棕r 可以随时发生变化，但发电机输出的电能频率f1固定不变，显然，需要在发电机转子转速棕r 和发电机定子电流频率f1 之间设置一个耦合自动调节环节。

5 双馈调速的优越性

5.1 无级调速性能的效益

本产品能使电力拖动电机在额定转速基础上实现无级升速运行，这一性能对那些高速运行的机械加工、特殊传动系统非常有利，并可使用那些由于泥沙淤渍河床抬高，使濒临瘫痪的泵站可重新复活，具有巨大的社会效益。1998年，长江特大

洪水和强降雨袭击使湖北省嘉鱼县金水流域内湖水上涨，湖北省嘉鱼县余码头泵站超扬程1.41 m。

由于泵站电机为“恒速”运行的同步电动机，水泵无法提高扬程运行，被迫停机达76 天。农田耕地及农民养殖鱼池淹没在渍水中，经济损失超过5个亿。若本项目6 kV/800 kW 产品转为此类泵站开发，则可使其实现“超同步”(20%)提速运行，解救因泵机“单速”运行带来的巨大经济损失，最终结束我国泵站一遇洪水超扬程被迫停机的现象。