電機(jī)“雙饋”調(diào)速系統(tǒng)

1 概述

傳統(tǒng)的同步電動(dòng)機(jī)和同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速都是恒定的，轉(zhuǎn)子由直流電流勵(lì)磁。改變勵(lì)磁電流的大小，可改變電機(jī)的功率因數(shù)。若將常規(guī)直流勵(lì)磁的交流同步電機(jī)(電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī))的轉(zhuǎn)子繞組改為三相(或兩相)對(duì)稱繞組，并對(duì)其進(jìn)行交流勵(lì)磁，這樣比一般同步電機(jī)多兩個(gè)可調(diào)量，除通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流幅值大小調(diào)節(jié)電機(jī)功率因數(shù)外，還可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。另外，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的相位改變電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率，從而可使電機(jī)的有功、無(wú)功、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)實(shí)現(xiàn)綜合“最優(yōu)”控制，達(dá)到電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)高效節(jié)能的目的。這種電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在同步轉(zhuǎn)速上下調(diào)節(jié)，并可運(yùn)行于機(jī)械特性的“二象限”(即“電動(dòng)”和“發(fā)電”狀態(tài))，特別適用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍有限的泵類負(fù)載，還可組成變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，使水輪機(jī)或風(fēng)輪機(jī)始終處于最高效率工況運(yùn)行，以適應(yīng)變

化的水力或風(fēng)力狀況，減輕振動(dòng)、汽蝕損傷，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。這種交流勵(lì)磁電機(jī)有人稱之為“異步化同步電機(jī)”、“雙饋電機(jī)”或“超同步串級(jí)調(diào)速電機(jī)”(簡(jiǎn)稱超同步串調(diào)電機(jī))。

普通的交流鼠籠型異步電機(jī)和同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子均沒有交流勵(lì)磁繞組。交流同步電機(jī)慣用直流勵(lì)磁，只有直流勵(lì)磁繞組(圖1);鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)無(wú)專用勵(lì)磁繞組，一般從定子側(cè)取交流勵(lì)磁電流(圖2);繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子雖有三相繞組，但一直不是作交流勵(lì)磁用，而是作串電阻調(diào)速或起動(dòng)用(圖3)，或與“整流器———(有源)逆變器”連成一體組成常規(guī)“低同步串級(jí)調(diào)速”(圖4)。

本文對(duì)楚湘科技發(fā)展有限公司最近研發(fā)的智能化節(jié)能新產(chǎn)品———電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)的性能與特點(diǎn)以及應(yīng)用效果等予以介紹，以便推進(jìn)電機(jī)高效節(jié)能工作的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

2 單饋電動(dòng)機(jī)和雙饋電動(dòng)機(jī)

2.1 單饋電動(dòng)機(jī)

通常，人們將電動(dòng)機(jī)定子由電網(wǎng)饋電，定子繞組從電網(wǎng)吸取電磁功率(P1)，并轉(zhuǎn)變?yōu)檩S輸出功率(PM)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率(PS)的鼠籠式交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)或調(diào)速的繞線式異步電動(dòng)機(jī)、低同步串級(jí)調(diào)速繞線式異步電動(dòng)機(jī)稱為

“單饋”電機(jī)。單饋電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率(PS)有的為零(圖1);有的消耗于轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部(圖2);有的消耗于外接電阻(圖3);有的回收電網(wǎng)(圖4)。總之，轉(zhuǎn)差功率(PS)大都“流失”了。“單饋”電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率PS、軸輸出功率PM、定子側(cè)電磁功率P1關(guān)系為

2.2 雙饋電動(dòng)機(jī)

當(dāng)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子分別由外電源供電時(shí)，則被稱為“雙饋電機(jī)”。廣義的雙饋概念應(yīng)由電機(jī)定子s、定子側(cè)電能變換器C1;電機(jī)轉(zhuǎn)子r、轉(zhuǎn)子側(cè)電能變換器C2;轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變壓器T;轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器TG 和控制器C3組成(圖5)。它實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)包括定、轉(zhuǎn)子供電電源的普通繞線式異步電動(dòng)機(jī)。

因?yàn)槔@線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)更具有一般交流電機(jī)的意義，其定、轉(zhuǎn)子側(cè)供電電源可以互換。在實(shí)際應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)化雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)，一般省去定子側(cè)電能變換器C1，而將定子繞組直接由工頻電網(wǎng)供電，轉(zhuǎn)子繞組則由另一套轉(zhuǎn)差能量(PS)“可逆”流轉(zhuǎn)的獨(dú)立可調(diào)交流電源C2(下稱交流勵(lì)磁電源)饋電(圖6)。

欲使繞線式異步電動(dòng)機(jī)從“單饋電機(jī)”變?yōu)?ldquo;雙饋電機(jī)”必須在轉(zhuǎn)子側(cè)接入交流勵(lì)磁電源，引入交流附加電勢(shì)，并控制勵(lì)磁電流的幅值、頻率和相位(即C2 應(yīng)向轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁電流)。所以，雙饋電機(jī)實(shí)質(zhì)上是傳統(tǒng)線繞異步電動(dòng)機(jī)與現(xiàn)代電力電子技術(shù)和數(shù)控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。

3 電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)

3.1 正相序交流勵(lì)磁電流

正相序交流勵(lì)電流由a 寅b 寅c，如圖7 所示。從鼠籠型或繞線型異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理可知，當(dāng)定子供電電源為A寅B寅C時(shí)，其轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流的相序也為a 寅b 寅c，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)棕2 的方向與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)棕1 的方向相同，轉(zhuǎn)差功率PS 從

轉(zhuǎn)子側(cè)流出，電機(jī)轉(zhuǎn)差功率流向與常規(guī)低同步串級(jí)調(diào)速(圖4)相同。設(shè)電機(jī)定子電源頻率為f1，轉(zhuǎn)子電源頻率為f2，欲使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行則轉(zhuǎn)速應(yīng)為

3.2 反相序交流勵(lì)磁電流

3.3 直流勵(lì)磁

直流勵(lì)磁電流頻率為零，即f2=0。相當(dāng)于由C2向轉(zhuǎn)子繞組提供直流勵(lì)磁。從式(3)或式(4)可知電機(jī)處于同步“電動(dòng)”狀態(tài)，即棕r =棕1 。

交直流自動(dòng)勵(lì)磁電源可以根據(jù)人們的需要自動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流的相序、頻率、相位和幅值，在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)和有、無(wú)功功率的大小，使其驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)械始終處于最佳狀態(tài)運(yùn)行，以達(dá)到提高效率、節(jié)省能源、減緩損傷、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的目的。

4 變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

無(wú)論是并網(wǎng)運(yùn)行或是單獨(dú)供電的發(fā)電機(jī)組，都嚴(yán)格要求其電能頻率在某一規(guī)定值(如50 Hz)上。為了滿足此要求，通常需對(duì)原動(dòng)機(jī)(如水輪機(jī)，汽輪機(jī)，風(fēng)輪機(jī)等)設(shè)置復(fù)雜的調(diào)速系統(tǒng)，以控制原動(dòng)機(jī)始終以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，但由于水頭(汽壓差或風(fēng)力)和負(fù)荷的變化，水輪機(jī)若仍以固定的額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，則可能發(fā)生嚴(yán)重的汽蝕破壞和振動(dòng)，效率降低，引起巨大能量損失及設(shè)備壽命縮短。對(duì)于

任一水頭和負(fù)荷的組合狀態(tài)，都可以找到一個(gè)使水輪機(jī)效率高、汽蝕振動(dòng)小的最優(yōu)轉(zhuǎn)速值。隨著水頭和負(fù)荷的變化其相應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速值是變化的，人們期望水輪機(jī)始終處于最優(yōu)轉(zhuǎn)速運(yùn)行。即要求發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速棕r 可以隨時(shí)發(fā)生變化，但發(fā)電機(jī)輸出的電能頻率f1固定不變，顯然，需要在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速棕r 和發(fā)電機(jī)定子電流頻率f1 之間設(shè)置一個(gè)耦合自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。

5 雙饋調(diào)速的優(yōu)越性

5.1 無(wú)級(jí)調(diào)速性能的效益

本產(chǎn)品能使電力拖動(dòng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)升速運(yùn)行，這一性能對(duì)那些高速運(yùn)行的機(jī)械加工、特殊傳動(dòng)系統(tǒng)非常有利，并可使用那些由于泥沙淤漬河床抬高，使瀕臨癱瘓的泵站可重新復(fù)活，具有巨大的社會(huì)效益。1998年，長(zhǎng)江特大

洪水和強(qiáng)降雨襲擊使湖北省嘉魚縣金水流域內(nèi)湖水上漲，湖北省嘉魚縣余碼頭泵站超揚(yáng)程1.41 m。

由于泵站電機(jī)為“恒速”運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，水泵無(wú)法提高揚(yáng)程運(yùn)行，被迫停機(jī)達(dá)76 天。農(nóng)田耕地及農(nóng)民養(yǎng)殖魚池淹沒在漬水中，經(jīng)濟(jì)損失超過5個(gè)億。若本項(xiàng)目6 kV/800 kW 產(chǎn)品轉(zhuǎn)為此類泵站開發(fā)，則可使其實(shí)現(xiàn)“超同步”(20%)提速運(yùn)行，解救因泵機(jī)“單速”運(yùn)行帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)損失，最終結(jié)束我國(guó)泵站一遇洪水超揚(yáng)程被迫停機(jī)的現(xiàn)象。