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。[!--empirenews.page--]

我国城乡防洪排涝泵站很多，过去，我们对这一具有巨大社会效益的“提速”运行问题认识不足，采取的补救办法走了很多弯路，如为了应对突如其来的，十年一遇或百年一遇的高扬程排水的需要，片面强调“高扬程”的重要性，建站初期或后期改造普通将电机转速选得过高，而后又多次对电机进行“增容”改造，这使泵站抗遇洪涝灾害能力有所增加，但泵站由于多数时间仍运行在中、低扬程，这又导致泵站处于“大马拉小车”和“高耗低效”运行状态，白白浪费大量电能;有的地区，为了解决“排-灌”矛盾，在国家已建立农用低速灌溉泵站后，又提出另行设计再建一座专用防洪排渍、排涝泵站，浪费大量资金。

在最近几年，很多泵站采用电机“变极”提速，并对电机进行过提为“三速”或“双速”的改造，但效果不佳。因为“变极”提速为有级变速，而高压大电机定子绕组的出线有限，充其量只能有1-2 级转速，而水位及扬程的变化是一个连续量，两者变化不相适应，因此“就高就不了低，就低就不了高”的现象仍然存在。本产品立足于无级“提速”，并具有提速增容的效果，与“变极”提速相比具有很大优势，如表1 所列。

5.2 提速的“自然增容”效益

很明显无功功率Q1可作有功“增容”用。我们可将“双馈”电机这一增容特性称为“自然增容特性”，意即电机定子绕组并未作“增容”改造，但实际上通过控制器的矢量控制电机已具有“增容”特性。

通过以上的计算可知电机由250 r/min 提速到300 r/min 运行，要求增容367 kW，而双馈电机通过矢量控制具有“自然增容”392 kW的特性，即原电机可以不进行“增容”改造。

5.3 双馈“低同步”调速比常规低同步串级调速好

双馈电机转速不仅能超过同步转速，也能低于同步转速，而且低同步运行时节能效果和动态特性比常规高效“低同步串级调速”要好得多。表2 是“双馈”低同步调速技术与常规高效低同步串调技术的比较。

5.4 显著的节能效果

从实测的170 kW 双馈调速低同步运行状态参数可知具有22%以上的节电率;根据“双馈”调速工作原理，当电机带原有负载运行于“低同步”工作状态时，其节电效果体现在下列三方面：

5)低同步运行总节电为493.6+100越593.6 kW。

6)总节电率594/800越74%。

扣除电机启动能耗，AC/AC 无功损耗及涡流损耗等外，取节电率50%，按电机额定功率800 kW计算，一台电动机组可节省电力800 kW伊0.5=400 kW。取余码头泵站2003、2004 两年开机运行平均每年12 374台时统计数据，则每年平均节电

400 kW伊12 374=4 949 600 kW·h，排水电费按0.215 元/kW·h 计算，可节约电费4 949 600 kW·h伊0.215 元/ kW·h =106.4万元。

5.5 超低同步无级调速性能

在要求调速范围较宽的调速系统，采用双馈调速时可选择以电机额定转速(或同步转速)为基速实现上下调节。

我国农田水利建设的大中型双功能“排-灌”泵站，又称为排灌结合型泵站，既要求水泵能提速运行、在洪涝季节能排除渍水、渍雨;又要求在中、低扬程能降速运行实现低速节水、节电、灌溉(或排水)。由于调速范围对同步转速上下对称，变频器容量又与调速范围有关，这时双馈调速的技术优势表现在：若取15豫电机功率的变频器容量就可获得30豫的调速范围。设有一台同步转为1 500 r/min、额定功率为1 500 kW 的电机，其调速范围为1 000耀2 000 r/min，则本产品的容量仅为500 kV·A，若调速范围越窄，则产品容量越小。

5.6 同步电动机可控异步化运行

前已说及，对同步电机进行“保定子，改转子”后即可实施“双馈”调速。我国大中型排灌站电机几乎清一色都是同步电动机，也可以采用这种异步化改造方法，使单速传统的同步电动机转变为无级调速电机，但同步电动机也可采用一般的定子侧变频调速，如独立变频调速或无整流子电机调速。采用双馈调速与采用一般变频调速相比有何优势呢?表3将两种方法进行了比较。

5.7 同步发电机可控异步化运行

同理，对传统直流励磁同步发电机进行“保定子，改转子”改造以后，采用双馈调速方法也可使原同步发电机实现可控异步化运行。当作发电机运行时，进相运行可为电力系统提供无功功率的能力远远超过传统同步发电机，而在低负荷时又

可以大量吸收无功功率，为电力系统提供有力的调压手段，可大大改善电力系统的稳定性。本技术对现代电力系统向大容量、高电压及远距离输电方向发展具有重要意义。我国水力资源丰富，但河流泥沙多，水头变化大，我国相当一部分水电机组均可采用同步机异步化改造，有望大大简化发电站设备，进一步提高系统运行效率;可使像水轮机这样的原动机运行在最佳工况，使机组效率提高2%耀3%，气蚀泥沙的磨损降低，具有重大效益。

5.8 双馈调速系统的多种特色性能

1)使有功/无功独立解耦控制;

2)高功率因数运行特性(任意功率因数可调);

3)在负荷变化情况下，可灵活调节无功功率和转速;

4)使有功/无功实现数字化检测;

5)通过交流电流调节闭环使电压型AC/AC转变成电流型AC/AC;

6)能控制转子感应电势相位，获得数字投励信号。

从上可见，双馈调速是实现我国大型电机系统(电动机和发电机)节能优化改造的高性能的理想产品。