双馈电机交流励磁电源的应用与种类

本文讨论了“双馈”与“单馈”电机的区别，按电力电子学中电能转换器的种类介绍了转子附加电源（交流励磁电源）的选择原则，并对各类励磁电源的性能及优缺点作了比较。

    关键词：单馈电机 双馈电机 超同步 双向变频电源

1 单馈电机与双馈电机
    众所周知，一般线绕型异步电动机转子串电阻调速（图1a）或按可控硅低同步串级调速（图1b）其转子调速（n）均低于定子同步转速(n1),转差功率（PS）都是从转子绕组输出，前者消耗在外接电阻上，后者回输到电网上。

   通常，人们将这种定子由固定电源（一般为工频电网电源）供电，转子消耗或回收转差功率的交流异步电动机称为“单馈”电机。忽略电机损耗，设电机定子电磁功率为P1，电源相序为A-B-C ； 电机转子绕组同步转速为n2,(转子三相电流相序为a-b-c)；转子输出机械功为PM,则单馈电机的功率与转速关系为：
    P1=PM+PS ………………………………………①
    n=n1-n2 ………………………………………②
    欲使电机转速超越同步转速，根据电磁感应关系和电机稳定运行条件可知，电机转子绕组应由另一套输出电压为Ef的独立附加电源Sf（又称交流励磁电源）供电，并向转子绕组输入转差功率PS，且励磁相序应改为a-b-c（图1c）。这种定、转子绕组分别由各自交流电源供电的交流电机称为“双馈”电机。工作于超同步电动状态的“双馈”电机其功率及转速关系为：
    P1+PS=PM ………………………………………③
    n=n1+n2 ………………………………………④
    “双馈”与“单馈”电机本质区别是：“单馈”电机转子绕组三相电流是感生的，输出转差功率PS（相当于“发电”），三相电流相序不能改变，只能实现低同步以下（n    在调速传动中，线饶型电动机的应用并不少见，但作“双馈”应用并不多，这是因采用“双馈”虽可获得比“单馈”更好的调速性能和技术、经济指标，但需要增加一套独立的双向变频电源Sf，且控制系统复杂。随着电力电子技术的发展，数控技术和微机控制技术的渗透，双馈调速也日益成熟，并得到推广应用。
    2 “双馈”电机的运转状态
    设“双馈”电机定子回路供电电压为U1，电流为I1；转子回路电流为I2,励磁电源Sf的输出电压为Ef；气隙磁通为Φm ，转子感应电势为E2 ，忽略电机各部分损耗，则：
    定子侧电磁功率：P1=3U1I1cosφ 1 …………⑤ (φ1为I1与U1相位差，即电机定子侧功率因数) 
    转子侧转差功率：PS=3E2I2 cosφ2 …………⑥（φ2 为I2与E2 相位差，即转子侧功率因数）
    励磁电源容量：Pf≈PS=3EfI2 cosδ…………⑦ (δ为I2 与Ef 相位差，即励磁电源Sf 的功率因数) 
    转矩： M=KMI2Φm sinθ…………⑧（KM —转矩比例系数，θ—I2 与Φm 相位差）
    当控制φ1 ，φ2 相位角时，可以控制功率P1 与PS 的流转；当改变θ角时，可改变M的正负；当调节δ时，可调节励磁电流的有功分量与无功分量，从而调节cosφ 1 。图2示出了“双馈”电机调节有功功率时（δ=0和180°时的）四种运转状态各量近似的相位关系。
    从图2可知，双馈电机运转状态的改变既有标量控制，又有矢量控制，当需要调节cosφ 1 时，δ=0～180°
    3 多级组合型励磁电源
    为使电机获得由低同步～超同步的无级调速性能和有功与无功独立调节的运行特性，从上所述可知，作为“双馈”调速转子励磁电源的基本条件是：功率可逆流转，且输出电压及其电流的幅值、频率、相位、相序均可调节。从理论上讲，励磁电源可分为二相，三相或多相，下面以选择三相为例加以说明：
    3.1 晶闸管相控整流与有源逆变器组合电源（AC-DC-AC）：相控变流电源 （图3）
    它由两组完全相同的全控桥式整流威廉希尔官方网站 组成，具有中间带大电感滤波直流环节。电机侧变流器Ⅰ和电源侧变流器Ⅱ在传递转差功率PS 时既可工作于“整流” 状态（AC-DC），又可工作于（有源）“逆变”状态（DC-AC）。变压器T是考虑在一定调速范围内转子感应电压与电网相互匹配而设置的。

   优点 采用电网换流，主控威廉希尔官方网站 简单，PS双向控制易实现。
    缺点 励磁电流为方波，存在较大谐波转矩；在n→n1时电机侧变流器Ⅰ无换流电压，电机无法跨越同步转速点，系统运行不稳定，需另采取特殊换流措施。. 
    3.2 可控整流器与电压型SPWM逆变器组合电源(AC-DC-AC)：SPWM变频电源(图4)
    电源侧变流器Ⅰ是三相全控AC↔DC相控整流器，电机侧变流器Ⅱ是三相电压型SPWM逆变器，具有电容滤波中间直流环节。前者为电网换流，后者为自换流逆变器,采用SPWM调制控制。
    优点 该组合电源能为转子提供正弦电压或电流，可消除低次谐波转矩，可在同步转速点平滑过渡。 
    缺点 低频区输出波形较差，动态性能较差，大容量装置成本高。

   3.3 双高频PWM整流器组合电源(AC-DC-AC)：:双向高功率因素高频整流电源(图5)
    在电源侧与电机侧各接一套三相高频PWM整流威廉希尔官方网站 ，通过中间电容滤波直流环节连接起来。当PS 输出转子，电源侧变流器Ⅱ用作高频PWM整流(AC-DC)，电机侧整流器Ⅰ将高频PWM整流器转化为”逆相”运行(DC-AC)，反之，亦然。

   优点 能向电机转子提供三相正弦波励磁电压和电流，能使电源侧电压和电流为正弦波，且功率因素为1。
    缺点 可关断器件读，低频特性差，成本高，控制较复杂。
    4 单级励磁电源
    该类电源仅有一级电能转换器组成。
    4.1 晶闸管相控型交~交直接变频器(AC-DC)：直接变频电源(图6).
    图6是三相零式AC/AC变频威廉希尔官方网站 ,它是三相交~交变频器最简单的一种，由六组三相半波可控整流威廉希尔官方网站 组成。主威廉希尔官方网站 要用18个元件。在大容量系统中，要采用六组三相全控桥式整流威廉希尔官方网站 ，要用36个元件。在采用”余弦交迭法”对控制角(α) 进行”调制”控制时，可为转子提供正弦励磁电压或电流。
    优点 电源无中间直流环节，变换效率高，励磁电压或电流接近正弦波，可减少低次谐波转矩，控流无”死区”存在，低频特性好。，
    缺点 主威廉希尔官方网站 元件多，控制复杂，输出f0仅为(1/2- 1/3)电源频率。
    4.2 矩阵式AC/AC变频电源(图7)
    采用9个二端双向全控逆导开关,(图7b),按3×3矩阵排列,可组成三相→三相矩阵式变换器。这是一种”广义电能转换器”，采用高频SPWM控制技术，通过不同控制算法可以变更矩阵结构形式,组成直-直斩波(DC-DC) ……用于双馈电机”起动”; 组成直-交逆变（DC-AC）……用于双馈电机“投励”或低同步运行，组成交
    -直整流（AC-DC）……用于双馈电机同步运行或超同步运行。采用矩阵式变换器可使双馈电机多变量的协调控制和多运转状态的相互转化大大简化。
    优点 可使电机侧电压及电流为正弦波，电源侧电流与电源电压同相且为正弦波，调频范围不受限制，可直接通过升频控制使电机反转，灵活的威廉希尔官方网站 结构变化，使变换器具有多种功能。
    缺点 可关断器件多（18个），需按严格逻辑程序进行控制，技术不成熟，成本高。

   5 多功能励磁电源（图8）
    从4.2可知，双馈电机为适应多变量解耦控制和多运转状态相互转换，其励磁电源要具有斩波、整流、逆变、变频等多种功能，为简化电源结构，减少开关元件，可选择1~2个最基本、最重要的变换器为基础，通过增减n个单向导电元件（二极管）和机械开关的换接以构成多功能变流器。例如可以选择三相不可控整流桥和一套高频PWM整流器作基础，通过D1，D2和K1~K4转换（见图8），可获得相控高频PWM整流、斩波及逆变器四种功能，上述四功能变换器分别可适应双馈调速“起动”、“低同步”、“同步”、“超同步”的需要。
    
    参考文献：
    [1] 《泵站电机双馈调速控制系统设计》 湖北工学院学报 2000.9 廖冬初 刘群 张杰等
    [2]《大中型电排站“提速增容”方案选择》 电气传动自动化增刊 2001.8 刘群 张杰 廖冬初
    [3]《基于8XC196MC单片机的双馈电机斩波与双馈调速技术研究》 电机与控制学报，2002.6
    林成武 朱建光 王凤翔
    [4]《电流型逆变器用于双馈调速的实验研究》　通信电源技术２００２.　 刘文军 刘群 戴碧君
    [５]《超同步串级调速系统》　 电气传动自动控制　 同济大学　 袁国华 陈德俭 赵锦标 孙泽昌　
    上钢一厂 朱世照