雙饋發(fā)電的電機(jī)原理研究作者屈維謙（未經(jīng)作者許可，請(qǐng)勿轉(zhuǎn)載、引用）關(guān)鍵詞雙饋發(fā)電P理論轉(zhuǎn)子有源附加電源附加功率附加轉(zhuǎn)速理想轉(zhuǎn)速作用反作用摘要“異步化同步發(fā)電機(jī)”（AsynchronizedSynchronousGenerator）和傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)理論未能科學(xué)揭示雙饋發(fā)電的原理，并與事實(shí)不符，為此，本文根據(jù)能量轉(zhuǎn)換與守恒，從功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等三個(gè)角度提出雙饋發(fā)電的P理論，其核心觀點(diǎn)為：從功率角度，雙饋發(fā)電基本原理在于，或，即通過(guò)附加電源向轉(zhuǎn)子提供附加功率，以使轉(zhuǎn)子輸入的合功率大等于發(fā)電所必需的臨界電磁功率。從力學(xué)角度，異步機(jī)雙饋發(fā)電必須滿足電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反的條件，即T＜0，為此，要求轉(zhuǎn)子有功電流和轉(zhuǎn)子開路電勢(shì)反相。這為雙饋發(fā)電的電路原理提供了理論依據(jù)。從轉(zhuǎn)速角度，雙饋發(fā)電的轉(zhuǎn)速n必須高于所對(duì)應(yīng)的理想轉(zhuǎn)速n0K，即n＞n0K，并且，n0K應(yīng)隨n的變化而調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)子有源的理想轉(zhuǎn)速方程可表達(dá)為，改變附加電勢(shì)EK的大小及方向即可改變理想轉(zhuǎn)速n0K。緒言——問題的提出由于能源的緊迫，以異步電機(jī)雙饋為代表的風(fēng)力發(fā)電正在迅速發(fā)展，顯然，準(zhǔn)確把握雙饋發(fā)電的原理，對(duì)于其技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。關(guān)于雙饋發(fā)電的原理，目前較為流行的是國(guó)外提出的“異步化同步發(fā)電機(jī)”理論。該理論的核心觀點(diǎn)是將雙饋發(fā)電的原理歸結(jié)為轉(zhuǎn)子激磁，然而，電機(jī)激磁歸根結(jié)底是感性無(wú)功的問題，而發(fā)電和電動(dòng)則是有功的問題，兩者在坐標(biāo)上成正交，物理上屬性完全不同，因此，以無(wú)功激磁來(lái)詮釋雙饋發(fā)電原理，有悖于基本的能量轉(zhuǎn)換定律。另外，按照本文原理的雙饋發(fā)電實(shí)驗(yàn)表明，即使雙饋不采用轉(zhuǎn)子激磁，異步電機(jī)仍由定子激磁，雙饋依然可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電，只是功率因數(shù)較低而已?？梢?，“異步化同步發(fā)電機(jī)”理論不僅原理上有待商榷，而且與事實(shí)不符。雙饋發(fā)電原理的傳統(tǒng)詮釋為電機(jī)學(xué)的轉(zhuǎn)差率s（）理論，即當(dāng)s>0或n<n1時(shí)，異步機(jī)為電動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)s<0或n>n1時(shí)，異步機(jī)為發(fā)電狀態(tài)。然而事實(shí)上，雙饋既存在s＞0,n＜n1的亞同步發(fā)電運(yùn)行，也存在s<0，n＞n1的超同步電動(dòng)運(yùn)行，該事實(shí)與傳統(tǒng)結(jié)論完全相反，證明傳統(tǒng)電機(jī)理論并不適用于雙饋原理。深入分析表明，傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)的異步電機(jī)理論也同樣存在一些問題，其中的轉(zhuǎn)差率理論——包括上面的運(yùn)行狀態(tài)判別，以及調(diào)速表達(dá)式等，只適用于轉(zhuǎn)子無(wú)源的條件，而當(dāng)轉(zhuǎn)子有源時(shí)并不適用。雙饋發(fā)電的科學(xué)原理究竟何在？作者在《交流調(diào)速的P理論研究1》的論文基礎(chǔ)之上對(duì)此進(jìn)行了研究，從而對(duì)雙饋發(fā)電原理給出了全新的詮釋。限于篇幅，對(duì)于雙饋發(fā)電的轉(zhuǎn)子激磁以改善發(fā)電功率因數(shù)問題，以及系統(tǒng)的變流控制分析，本文未能涉及，擬另文闡述。異步發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換原理——P理論能量轉(zhuǎn)換與守恒是電機(jī)普遍遵守的基本原理，電機(jī)的所有運(yùn)行狀態(tài)（包括發(fā)電、電動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等）實(shí)質(zhì)都是能量轉(zhuǎn)換的具體表現(xiàn)，功率是能量度量的物理量，能量轉(zhuǎn)換及守恒具體表現(xiàn)為功率的轉(zhuǎn)換與守恒，文中所謂的P理論，即是以功率轉(zhuǎn)換和守恒分析電機(jī)運(yùn)行原理的簡(jiǎn)稱。異步電機(jī)的電磁功率電磁功率是電機(jī)極為重要的物理量。根據(jù)電機(jī)原理，電——機(jī)能量轉(zhuǎn)換必須在磁場(chǎng)的媒介作用下方能實(shí)現(xiàn)，所以，電機(jī)的氣隙主磁場(chǎng)如同一個(gè)圖1所示的能量耦合器，其中一端和機(jī)械系統(tǒng)相聯(lián)，另一端和電源系統(tǒng)相聯(lián)，兩端的功率通過(guò)磁場(chǎng)耦合器實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換和傳輸。注意，由于定、轉(zhuǎn)子繞組的額定電壓不同，與之相聯(lián)的電源電壓也應(yīng)該不同，為使附加電源的電壓和轉(zhuǎn)子電壓相適配，系統(tǒng)通常需要附設(shè)變壓器。另外，異步電機(jī)雙饋有電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之分，二者除了能量轉(zhuǎn)換方向相反之外，基本原理完全相同。異步電機(jī)雙饋發(fā)電的目的在于拓寬發(fā)電條件，以使其在亞同步及超同步的較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能發(fā)電運(yùn)行。為此，異步發(fā)電機(jī)須打破轉(zhuǎn)子單一輸入機(jī)械功率的限制，即P2不僅限于機(jī)械功率PM，同時(shí)還可以包含部分附加電功率PK，這樣，便可以根據(jù)PM的大小，通過(guò)變流控制來(lái)調(diào)節(jié)PK，從而使不等式4成立，電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行。其系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換和電氣原理如圖2、3所示。圖2雙饋發(fā)電系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換原理圖3雙饋發(fā)電系統(tǒng)的電氣原理亞同步發(fā)電的功率原理前已敘及，當(dāng)n＜n1時(shí)，異步發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率將小于發(fā)電所需的電磁功率，此時(shí)電機(jī)非但不能發(fā)電，相反將作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。為此，轉(zhuǎn)子除了輸入機(jī)械功率之外，還必須輸入一定的附加電功率PK（簡(jiǎn)稱附加功率），以滿足發(fā)電不等式4的要求。雙饋發(fā)電的附加功率必須由電機(jī)外部的附加電源提供，此時(shí)，轉(zhuǎn)子合功率為輸入的機(jī)、電功率之和，即（13）另外使（14）寫成功率平衡方程式則為（15）式中的p2為轉(zhuǎn)子損耗。轉(zhuǎn)子借助于附加功率實(shí)現(xiàn)了P2＞Pem，雙饋因此實(shí)現(xiàn)了亞同步發(fā)電。根據(jù)異步電機(jī)的電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子將等量的電磁功率傳輸至定子，定子扣除其損耗p1，將其余的功率饋入電網(wǎng)，其發(fā)電功率為（16）于是定子將大部電磁功率（機(jī)械功率與附加功率之和）饋入電網(wǎng)。綜上所述，雙饋亞同步發(fā)電時(shí)由于機(jī)械功率小于發(fā)電所需的臨界電磁功率，故須向轉(zhuǎn)子饋入一定的附加電功率，以滿足不等式2的要求。定子發(fā)電功率中含有附加功率，該功率以電能形式在附加電源——轉(zhuǎn)子——定子——電源間無(wú)謂地循環(huán)傳輸，所產(chǎn)生的損耗使發(fā)電機(jī)效率降低。附加功率同時(shí)增大了定子負(fù)荷和發(fā)熱，而且轉(zhuǎn)差率s愈大，問題愈加突出。超同步發(fā)電的功率原理異步電機(jī)在超同步的n＞n1狀態(tài)下，自然有＞，說(shuō)明即使沒有附加功率也可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行。但是，出于控制發(fā)電載荷和轉(zhuǎn)子激磁的需要，雙饋發(fā)電仍需要附加電源的功率控制。超同步發(fā)電時(shí)，應(yīng)按圖2或3所示，使轉(zhuǎn)子通過(guò)電傳導(dǎo)向附加電源分流（發(fā)電）一定的附加功率，此時(shí)的轉(zhuǎn)子合功率為（17）轉(zhuǎn)子發(fā)電的電磁功率則為（18）轉(zhuǎn)子通過(guò)電磁感應(yīng)將等量的電磁功率傳輸至定子，扣除定子損耗，定子發(fā)給電網(wǎng)的功率則為（19）可見雙饋超同步發(fā)電時(shí)，電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子分別向各自的電源發(fā)電，定子的發(fā)電功率為機(jī)械功率與附加功率之差，而轉(zhuǎn)子發(fā)電功率為定子功率與附加功率之和，故轉(zhuǎn)子功率大于定子功率，電機(jī)過(guò)載與否，應(yīng)以轉(zhuǎn)子負(fù)載情況為判斷依據(jù)。小結(jié)綜合上述，亞同步和超同步雙饋發(fā)電的功率轉(zhuǎn)換原理和流程分別為：亞同步發(fā)電原動(dòng)機(jī)PM（→→）—→（→）+轉(zhuǎn)子定子附加電源PK→超同步發(fā)電原動(dòng)機(jī)PM（→→）—→（→）-轉(zhuǎn)子定子附加電源PK←其電磁功率方程可綜合表達(dá)為（20）定子功率方程表達(dá)為（21）其中，PM+PK對(duì)應(yīng)于亞同步；PM-PK對(duì)應(yīng)于超同步。雙饋發(fā)電的力學(xué)原理按照力學(xué)原理，機(jī)、電能量轉(zhuǎn)換必須通過(guò)轉(zhuǎn)矩的作用和反作用才能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于電動(dòng)機(jī)，作用轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩，反作用轉(zhuǎn)矩則是機(jī)械轉(zhuǎn)矩；而對(duì)于發(fā)電機(jī)，作用轉(zhuǎn)矩為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，反作用轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩。為了便于分析，通常以轉(zhuǎn)速n的方向?yàn)閰⒖颊较颍?，?duì)于發(fā)電機(jī)，必有電磁轉(zhuǎn)矩T＜0（22）即電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反，數(shù)值為負(fù)。按照電機(jī)學(xué)，異步機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)為（23）其中，CT——轉(zhuǎn)矩系數(shù)，；——主磁通量；——轉(zhuǎn)子電流；——與轉(zhuǎn)子開路電勢(shì)相角的余弦。式（18）為電磁轉(zhuǎn)矩的標(biāo)量式，要反映T的方向，應(yīng)將理解為轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子開路電勢(shì)相角的余弦，而不宜采用的標(biāo)量表達(dá)。于是T<0的問題就歸結(jié)為與的相角大于90○，或轉(zhuǎn)子有功電流與轉(zhuǎn)子開路電勢(shì)的方向相反。由于轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子合電勢(shì)，所以，又可歸結(jié)為轉(zhuǎn)子合電勢(shì)與靜止的開路電勢(shì)的方向相反（相角大于90○）。當(dāng)s＞0（即n＜n1）時(shí)，轉(zhuǎn)差電勢(shì)與同向，因此，要使T＜0，須使轉(zhuǎn)子電流I2的方向如圖4所示，附加電勢(shì)不僅要和反向，而且幅值須大于后者。圖4亞同步發(fā)電的轉(zhuǎn)子等效電路當(dāng)s＜0（n＞n1）時(shí)，其轉(zhuǎn)子等效電路如圖5所示。此時(shí)，轉(zhuǎn)差電勢(shì)自然和方向相反，即使沒有附加電勢(shì)，轉(zhuǎn)子電流I2也與反向，于是T＜0。所以加入與方向相反的附加電勢(shì)，目的是使轉(zhuǎn)子合電勢(shì)不宜過(guò)大而導(dǎo)致過(guò)流。圖5超同步發(fā)電的轉(zhuǎn)子等效電路總結(jié)以上分析，轉(zhuǎn)子無(wú)源時(shí),轉(zhuǎn)子電流的方向取決于轉(zhuǎn)差電勢(shì)的方向（而非開路電勢(shì)方向）,而轉(zhuǎn)子有源時(shí),轉(zhuǎn)子電流的方向取決于轉(zhuǎn)子合電勢(shì)（）的方向。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流與開路電勢(shì)同向時(shí),電機(jī)為電動(dòng)態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)子電流與與開路電勢(shì)反向時(shí),電機(jī)為發(fā)電態(tài)。由此,實(shí)現(xiàn)異步機(jī)發(fā)電T<0的主要方法計(jì)有二種：對(duì)于轉(zhuǎn)子無(wú)源的情況，須使電機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，s<0。對(duì)于轉(zhuǎn)子有源情況，可在轉(zhuǎn)子回路串入附加電勢(shì)，并使轉(zhuǎn)子合電勢(shì)與開路電勢(shì)的方向相反。具體是，當(dāng)n<n1，s>0（亞同步）時(shí)，因與同相，故須使和反向，且；而當(dāng)n>n1，s<0（超同步）時(shí)，因已經(jīng)與反相，故仍可以和方向相反，但須使。雙饋發(fā)電的調(diào)速與理想轉(zhuǎn)速調(diào)速原理和雙饋電動(dòng)機(jī)一樣，雙饋發(fā)電必須具有無(wú)級(jí)調(diào)速性能，以滿足原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的發(fā)電需要。雙饋發(fā)電的調(diào)速原理實(shí)際是前述功率原理在轉(zhuǎn)速上的體現(xiàn)。根據(jù)式20，其輸入機(jī)械功率可綜合表達(dá)為（24）式中的±號(hào)中，-號(hào)對(duì)應(yīng)于亞同步；+號(hào)對(duì)應(yīng)于超同步。考慮到轉(zhuǎn)矩平衡方程式7，將上式兩邊同時(shí)除以電磁轉(zhuǎn)矩T，可得雙饋發(fā)電的轉(zhuǎn)速方程（25）式中的（26）為機(jī)械功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速；（27）為轉(zhuǎn)子無(wú)源時(shí)電磁功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速；（28）為附加功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速；(29)為損耗功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降。令（30）即轉(zhuǎn)子合功率對(duì)應(yīng)的理想轉(zhuǎn)速，其中的-號(hào)對(duì)應(yīng)于亞同步發(fā)電，而+號(hào)則對(duì)應(yīng)于超同步發(fā)電。結(jié)合式（22），顯然有（31）以及不等式（32）即雙饋發(fā)電時(shí)，其轉(zhuǎn)速必須高于所對(duì)應(yīng)的理想轉(zhuǎn)速，這是異步發(fā)電功率原理的必然結(jié)果。應(yīng)該特別注意，以上引入了傳統(tǒng)異步電機(jī)文獻(xiàn)中所沒有的理想轉(zhuǎn)速概念，即轉(zhuǎn)子無(wú)源和有源的n0及n0K。其中的“理想”，系指假定的無(wú)損耗條件，因此，異步發(fā)電機(jī)理想轉(zhuǎn)速是客觀存在的物理量，其物理意義是：在理想的無(wú)損耗條件下，發(fā)電機(jī)將機(jī)械功率全部轉(zhuǎn)換為電磁功率所應(yīng)具有的機(jī)械轉(zhuǎn)速，雙饋調(diào)速的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)附加功率來(lái)調(diào)節(jié)n0K。理想轉(zhuǎn)速的控制方法與方程另外，可以證明（見文獻(xiàn)1），在轉(zhuǎn)子無(wú)源的條件下，n0在數(shù)值上和同步轉(zhuǎn)速n1相等，即，但二者的屬性完全不同，n0是力學(xué)中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而n1則是電磁學(xué)的磁場(chǎng)變化速率，并不服從力學(xué)定律。為了便于技術(shù)實(shí)施，應(yīng)求得具體實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法，即要導(dǎo)出雙饋發(fā)電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子電勢(shì)和附加電勢(shì)的關(guān)系。根據(jù)電機(jī)學(xué)，根據(jù)式30，結(jié)合式2、23，可得異步機(jī)轉(zhuǎn)子有源的理想轉(zhuǎn)速（33）其中的Ce2為轉(zhuǎn)子電勢(shì)系數(shù)，?？梢?，通過(guò)控制附加電勢(shì)的大小及方向便可改變電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為機(jī)械特性，圖6定性示出了異步機(jī)發(fā)電運(yùn)行的調(diào)速特性曲線。由圖可見，異步機(jī)發(fā)電的特性曲線與電動(dòng)曲線依轉(zhuǎn)速縱軸而對(duì)稱，發(fā)電曲線位于第Ⅱ象限，其電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)于轉(zhuǎn)速方向?yàn)樨?fù)。圖6異步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性結(jié)論根據(jù)能量守恒所決定的P理論，雙饋發(fā)電基本原理在于，或，即通過(guò)附加電源向轉(zhuǎn)子提供附加功率，以使轉(zhuǎn)子輸入的