電機“雙饋”調速系統

1 概述

傳統的同步電動(dòng)機和同步發(fā)電機轉速都是恒定的，轉子由直流電流勵磁。改變勵磁電流的大小，可改變電機的功率因數。若將常規直流勵磁的交流同步電機(電動(dòng)機或發(fā)電機)的轉子繞組改為三相(或兩相)對稱(chēng)繞組，并對其進(jìn)行交流勵磁，這樣比一般同步電機多兩個(gè)可調量，除通過(guò)調節勵磁電流幅值大小調節電機功率因數外，還可通過(guò)調節勵磁電流的頻率改變電機轉速。另外，通過(guò)調節勵磁電流的相位改變電機的有功功率和無(wú)功功率，從而可使電機的有功、無(wú)功、轉速、功率因數實(shí)現綜合“最優(yōu)”控制，達到電機雙饋調速系統高效節能的目的。這種電機的轉速可在同步轉速上下調節，并可運行于機械特性的“二象限”(即“電動(dòng)”和“發(fā)電”狀態(tài))，特別適用于轉速調節范圍有限的泵類(lèi)負載，還可組成變速恒頻發(fā)電系統，使水輪機或風(fēng)輪機始終處于最高效率工況運行，以適應變

化的水力或風(fēng)力狀況，減輕振動(dòng)、汽蝕損傷，延長(cháng)設備使用壽命。這種交流勵磁電機有人稱(chēng)之為“異步化同步電機”、“雙饋電機”或“超同步串級調速電機”(簡(jiǎn)稱(chēng)超同步串調電機)。

普通的交流鼠籠型異步電機和同步電機的轉子均沒(méi)有交流勵磁繞組。交流同步電機慣用直流勵磁，只有直流勵磁繞組(圖1);鼠籠型異步電動(dòng)機無(wú)專(zhuān)用勵磁繞組，一般從定子側取交流勵磁電流(圖2);繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機轉子雖有三相繞組，但一直不是作交流勵磁用，而是作串電阻調速或起動(dòng)用(圖3)，或與“整流器———(有源)逆變器”連成一體組成常規“低同步串級調速”(圖4)。

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

2 單饋電動(dòng)機和雙饋電動(dòng)機

2.1 單饋電動(dòng)機

通常，人們將電動(dòng)機定子由電網(wǎng)饋電，定子繞組從電網(wǎng)吸取電磁功率(P1)，并轉變?yōu)檩S輸出功率(PM)和轉子轉差功率(PS)的鼠籠式交流感應電動(dòng)機、轉子串電阻起動(dòng)或調速的繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機、低同步串級調速繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機稱(chēng)為

“單饋”電機。單饋電機的轉差功率(PS)有的為零(圖1);有的消耗于轉子繞組內部(圖2);有的消耗于外接電阻(圖3);有的回收電網(wǎng)(圖4)?？傊?，轉差功率(PS)大都“流失”了。“單饋”電機的轉差功率PS、軸輸出功率PM、定子側電磁功率P1關(guān)系為

2.2 雙饋電動(dòng)機

當電機的定子與轉子分別由外電源供電時(shí)，則被稱(chēng)為“雙饋電機”。廣義的雙饋概念應由電機定子s、定子側電能變換器C1;電機轉子r、轉子側電能變換器C2;轉子勵磁變壓器T;轉子位置檢測器TG 和控制器C3組成(圖5)。它實(shí)質(zhì)上是一臺包括定、轉子供電電源的普通繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機。

因為繞線(xiàn)轉子異步電動(dòng)機更具有一般交流電機的意義，其定、轉子側供電電源可以互換。在實(shí)際應用中，為了簡(jiǎn)化雙饋電機結構，一般省去定子側電能變換器C1，而將定子繞組直接由工頻電網(wǎng)供電，轉子繞組則由另一套轉差能量(PS)“可逆”流轉的獨立可調交流電源C2(下稱(chēng)交流勵磁電源)饋電(圖6)。

欲使繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機從“單饋電機”變?yōu)?ldquo;雙饋電機”必須在轉子側接入交流勵磁電源，引入交流附加電勢，并控制勵磁電流的幅值、頻率和相位(即C2 應向轉子提供交流勵磁電流)。所以，雙饋電機實(shí)質(zhì)上是傳統線(xiàn)繞異步電動(dòng)機與現代電力電子技術(shù)和數控技術(shù)結合的產(chǎn)物。

3 電機雙饋調速系統

3.1 正相序交流勵磁電流

正相序交流勵電流由a 寅b 寅c，如圖7 所示。從鼠籠型或繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機運行原理可知，當定子供電電源為A寅B寅C時(shí)，其轉子感應電流的相序也為a 寅b 寅c，轉子旋轉磁場(chǎng)棕2 的方向與定子旋轉磁場(chǎng)棕1 的方向相同，轉差功率PS 從

轉子側流出，電機轉差功率流向與常規低同步串級調速(圖4)相同。設電機定子電源頻率為f1，轉子電源頻率為f2，欲使電機穩定運行則轉速應為

3.2 反相序交流勵磁電流

3.3 直流勵磁

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

交直流自動(dòng)勵磁電源可以根據人們的需要自動(dòng)控制電動(dòng)機勵磁電流的相序、頻率、相位和幅值，在大范圍內調節電機轉速、功率因數和有、無(wú)功功率的大小，使其驅動(dòng)的工作機械始終處于最佳狀態(tài)運行，以達到提高效率、節省能源、減緩損傷、延長(cháng)設備使用壽命的目的。

4 變速恒頻發(fā)電系統

無(wú)論是并網(wǎng)運行或是單獨供電的發(fā)電機組，都嚴格要求其電能頻率在某一規定值(如50 Hz)上。為了滿(mǎn)足此要求，通常需對原動(dòng)機(如水輪機，汽輪機，風(fēng)輪機等)設置復雜的調速系統，以控制原動(dòng)機始終以額定轉速運行，但由于水頭(汽壓差或風(fēng)力)和負荷的變化，水輪機若仍以固定的額定轉速運行，則可能發(fā)生嚴重的汽蝕破壞和振動(dòng)，效率降低，引起巨大能量損失及設備壽命縮短。對于

任一水頭和負荷的組合狀態(tài)，都可以找到一個(gè)使水輪機效率高、汽蝕振動(dòng)小的最優(yōu)轉速值。隨著(zhù)水頭和負荷的變化其相應的最優(yōu)轉速值是變化的，人們期望水輪機始終處于最優(yōu)轉速運行。即要求發(fā)電機轉子的轉速棕r 可以隨時(shí)發(fā)生變化，但發(fā)電機輸出的電能頻率f1固定不變，顯然，需要在發(fā)電機轉子轉速棕r 和發(fā)電機定子電流頻率f1 之間設置一個(gè)耦合自動(dòng)調節環(huán)節。

5 雙饋調速的優(yōu)越性

5.1 無(wú)級調速性能的效益

本產(chǎn)品能使電力拖動(dòng)電機在額定轉速基礎上實(shí)現無(wú)級升速運行，這一性能對那些高速運行的機械加工、特殊傳動(dòng)系統非常有利，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活，具有巨大的社會(huì )效益。1998年，長(cháng)江特大

洪水和強降雨襲擊使湖北省嘉魚(yú)縣金水流域內湖水上漲，湖北省嘉魚(yú)縣余碼頭泵站超揚程1.41 m。

由于泵站電機為“恒速”運行的同步電動(dòng)機，水泵無(wú)法提高揚程運行，被迫停機達76 天。農田耕地及農民養殖魚(yú)池淹沒(méi)在漬水中，經(jīng)濟損失超過(guò)5個(gè)億。若本項目6 kV/800 kW 產(chǎn)品轉為此類(lèi)泵站開(kāi)發(fā)，則可使其實(shí)現“超同步”(20%)提速運行，解救因泵機“單速”運行帶來(lái)的巨大經(jīng)濟損失，最終結束我國泵站一遇洪水超揚程被迫停機的現象。