1/9雙饋電機(jī)交流勵(lì)磁電源的種類與應(yīng)用摘要本文討論了“雙饋”與“單饋”電機(jī)的區(qū)別，按電力電子學(xué)中電能轉(zhuǎn)換器的種類介紹了轉(zhuǎn)子附加電源的選擇原則，并對各類勵(lì)磁電源的性能及優(yōu)缺點(diǎn)作了比較。關(guān)鍵詞單饋電機(jī)雙饋電機(jī)超同步雙向變頻電源1單饋電機(jī)與雙饋電機(jī)眾所周知，一般線繞型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或按可控硅低同步串級(jí)調(diào)速其轉(zhuǎn)子調(diào)速均低于定子同步轉(zhuǎn)速N1,轉(zhuǎn)差功率都是從轉(zhuǎn)子繞組輸出，前者消耗在外接電阻上，后者回輸?shù)诫娋W(wǎng)上。通常，人們將這種定子由固定電源供電，轉(zhuǎn)子消耗或回收轉(zhuǎn)差功率的交流異步電動(dòng)機(jī)稱為“單饋”電機(jī)。忽略電機(jī)損耗，設(shè)電機(jī)定子電磁功率為P1，電源相序?yàn)锳BC；電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組同步轉(zhuǎn)速為N2,轉(zhuǎn)子三相電流相序?yàn)锳BC；轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械功為PM,則單饋電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速關(guān)2/9系為P1PMPSNN1N2欲使電機(jī)轉(zhuǎn)速超越同步轉(zhuǎn)速，根據(jù)電磁感應(yīng)關(guān)系和電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件可知，電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組應(yīng)由另一套輸出電壓為EF的獨(dú)立附加電源SF供電，并向轉(zhuǎn)子繞組輸入轉(zhuǎn)差功率PS，且勵(lì)磁相序應(yīng)改為ABC。這種定、轉(zhuǎn)子繞組分別由各自交流電源供電的交流電機(jī)稱為“雙饋”電機(jī)。工作于超同步電動(dòng)狀態(tài)的“雙饋”電機(jī)其功率及轉(zhuǎn)速關(guān)系為P1PSPMNN1N2“雙饋”與“單饋”電機(jī)本質(zhì)區(qū)別是“單饋”電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組三相電流是感生的，輸出轉(zhuǎn)差功率PS，三相電流相序不能改變，只能實(shí)現(xiàn)低同步以下調(diào)速；“雙饋”電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組三相電流由轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢E2與EF共同產(chǎn)生，SF電源可強(qiáng)制性向電機(jī)輸入PS，且三相電流的相序可加以控制。在調(diào)速傳動(dòng)中，線饒型電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用并不少見，但作“雙饋”應(yīng)用并不多，這是因采用“雙饋”雖可獲得比“單饋”更好的調(diào)速性能和技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，但需要增加一套獨(dú)立的雙向變頻電源SF，且控制系統(tǒng)復(fù)雜。隨著電力3/9電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的滲透，雙饋調(diào)速也日益成熟，并得到推廣應(yīng)用?！半p饋”電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)設(shè)“雙饋”電機(jī)定子回路供電電壓為U1，電流為I1；轉(zhuǎn)子回路電流為I2,勵(lì)磁電源SF的輸出電壓為EF；氣隙磁通為M，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢為E2，忽略電機(jī)各部分損耗，則定子側(cè)電磁功率P13U1I1COS11為I1與U1相位差，即電機(jī)定子側(cè)功率因數(shù)轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)差功率PS3E2I2COS2勵(lì)磁電源容量PFPS3EFI2COS為I2與EF相位差，即勵(lì)磁電源SF的功率因數(shù)轉(zhuǎn)矩MKMI2MSIN當(dāng)控制1，2相位角時(shí)，可以控制功率P1與PS的流轉(zhuǎn)；當(dāng)改變角時(shí)，可改變M的正負(fù)；當(dāng)調(diào)節(jié)時(shí)，可調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的有功分量與無功分量，從而調(diào)節(jié)COS1。圖2示出了“雙饋”電機(jī)調(diào)節(jié)有功功率時(shí)四種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)各量近似的相位關(guān)系。從圖2可知，雙饋電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的改變既有標(biāo)量控制，又有矢量控制，當(dāng)需要調(diào)節(jié)COS1時(shí)，01804/9多級(jí)組合型勵(lì)磁電源為使電機(jī)獲得由低同步超同步的無級(jí)調(diào)速性能和有功與無功獨(dú)立調(diào)節(jié)的運(yùn)行特性，從上所述可知，作為“雙饋”調(diào)速轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源的基本條件是功率可逆流轉(zhuǎn)，且輸出電壓及其電流的幅值、頻率、相位、相序均可調(diào)節(jié)。從理論上講，勵(lì)磁電源可分為二相，三相或多相，下面以選擇三相為例加以說明1晶閘管相控整流與有源逆變器組合電源相控變流電源它由兩組完全相同的全控橋式整流電路組成，具有中間帶大電感濾波直流環(huán)節(jié)。電機(jī)側(cè)變流器和電源側(cè)變流器在傳遞轉(zhuǎn)差功率PS時(shí)既可工作于“整流”狀態(tài)，又可工作于“逆變”狀態(tài)。變壓器T是考慮在一定調(diào)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓與電網(wǎng)相互匹配而設(shè)置的。優(yōu)點(diǎn)采用電網(wǎng)換流，主控電路簡單，PS雙向控制易5/9實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)勵(lì)磁電流為方波，存在較大諧波轉(zhuǎn)矩；在NN1時(shí)電機(jī)側(cè)變流器無換流電壓，電機(jī)無法跨越同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，需另采取特殊換流措施。2可控整流器與電壓型SPWM逆變器組合電源ACDCACSPWM變頻電源圖4電源側(cè)變流器是三相全控ACDC相控整流器，電機(jī)側(cè)變流器是三相電壓型SPWM逆變器，具有電容濾波中間直流環(huán)節(jié)。前者為電網(wǎng)換流，后者為自換流逆變器,采用SPWM調(diào)制控制。優(yōu)點(diǎn)該組合電源能為轉(zhuǎn)子提供正弦電壓或電流，可消除低次諧波轉(zhuǎn)矩，可在同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)平滑過渡。缺點(diǎn)低頻區(qū)輸出波形較差，動(dòng)態(tài)性能較差，大容量裝置成本高。雙高頻PWM整流器組合電源ACDCAC雙向高功率因素高頻整流電源圖5在電源側(cè)與電機(jī)側(cè)各接一套三相高頻PWM整流電路，通過中間電容濾波直流環(huán)節(jié)連接起來。當(dāng)PS輸出轉(zhuǎn)子，電6/9源側(cè)變流器用作高頻PWM整流ACDC，電機(jī)側(cè)整流器將高頻PWM整流器轉(zhuǎn)化為”逆相”運(yùn)行DCAC，反之，亦然。優(yōu)點(diǎn)能向電機(jī)轉(zhuǎn)子提供三相正弦波勵(lì)磁電壓和電流，能使電源側(cè)電壓和電流為正弦波，且功率因素為1。缺點(diǎn)可關(guān)斷器件讀，低頻特性差，成本高，控制較復(fù)雜。單級(jí)勵(lì)磁電源該類電源僅有一級(jí)電能轉(zhuǎn)換器組成。1晶閘管相控型交交直接變頻器ACDC直接變頻電源圖6圖6是三相零式AC/AC變頻電路,它是三相交交變頻器最簡單的一種，由六組三相半波可控整流電路組成。主電路要用18個(gè)元件。在大容量系統(tǒng)中，要采用六組三相全控橋式整流電路，要用36個(gè)元件。在采用”余弦交迭法”對控制角進(jìn)行”調(diào)制”控制時(shí)，可為轉(zhuǎn)子提供正弦勵(lì)磁電壓或電流。優(yōu)點(diǎn)電源無中間直流環(huán)節(jié)，變換效率高，勵(lì)磁電壓7/9或電流接近正弦波，可減少低次諧波轉(zhuǎn)矩，控流無”死區(qū)”存在，低頻特性好。，缺點(diǎn)主電路元件多，控制復(fù)雜，輸出F0僅為1/21/3電源頻率。2矩陣式AC/AC變頻電源圖7采用9個(gè)二端雙向全控逆導(dǎo)開關(guān),圖7B,按33矩陣排列,可組成三相三相矩陣式變換器。這是一種”廣義電能轉(zhuǎn)換器”，采用高頻SPWM控制技術(shù)，通過不同控制算法可以變更矩陣結(jié)構(gòu)形式,組成直直斬波DCDC用于雙饋電機(jī)”起動(dòng)”組成直交逆變用于雙饋電機(jī)“投勵(lì)”或低同步運(yùn)行，組成交直整流用于雙饋電機(jī)同步運(yùn)行或超同步運(yùn)行。采用矩陣式變換器可使雙饋電機(jī)多變量的協(xié)調(diào)控制和多運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)化大大簡化。優(yōu)點(diǎn)可使電機(jī)側(cè)電壓及電流為正弦波，電源側(cè)電流與電源電壓同相且為正弦波，調(diào)頻范圍不受限制，可直接通過升頻控制使電機(jī)反轉(zhuǎn)，靈活的電路結(jié)構(gòu)變化，使變換器具有多種功能。缺點(diǎn)可關(guān)斷器件多，需按嚴(yán)格邏輯程序進(jìn)行控制，技術(shù)不成熟，成本高。8/95多功能勵(lì)磁電源從可知，雙饋電機(jī)為適應(yīng)多變量解耦控制和多運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換，其勵(lì)磁電源要具有斬波、整流、逆變、變頻等多種功能，為簡化電源結(jié)構(gòu)，減少開關(guān)元件，可選擇12個(gè)最基本、最重要的變換器為基礎(chǔ)，通過增減N個(gè)單向?qū)щ娫蜋C(jī)械開關(guān)的換接以構(gòu)成多功能變流器。例如可以選擇三相不可控整流橋和一套高頻PWM整流器作基礎(chǔ)，通過D1，D2和K1K4轉(zhuǎn)換，可獲得相控高頻PWM整流、斬波及逆變器四種功能，上述四功能變換器分別可適應(yīng)雙饋調(diào)速“起動(dòng)”、“低同步”、“同步”、“超同步”的需要。參考文獻(xiàn)1泵站電機(jī)雙饋調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)廖冬初劉群張杰等2大中型電排站“提