双馈电机调速

1、双馈电机调速科学技术的迅猛发展，人类社会已进入到一个飞速发展的时期，能源、材料、 信息的发展在其中起到了举足轻重的作用。纵观人类历史文明的每次进步与更迭都 与能源与材料的开发应用密切相关。中国是世界最大的发展中国家，同时也是世界第 二大能源消费国，正确认识中国能源消费状况与能源消费结构，实现能源、经济和社 会之间的协调发展，是中国所面临和必须解决的重要课题。上世纪70年代，石油危机 给工业国家的经济带来了沉重的打击，这大大促进了全球范圉内对可再生能源的开 发及节能技术的研究。尤其是近年来，随着石油价格的节节攀升，世界上许多国家一 方面把可再生能源作为常规矿物能源的一种补充、替代能源，将可再生能

2、源作为其 能源发展战略的重要组成部分，列一方面积极开发和推广低功耗、高效率的节能技 术。作为世界上第二大能源消费国，我国一直把节能减排当成一个重要的战略来选 择，并在十一五规划中提出了具体的H标和要求。电能是能量的一种形式。与其它 形式的能源相比，电能具有明显的优越性，它适于大量生产、集中管理、远距离传 输和自动控制。故电能在工农业及人类生活中获得广泛的应用。作为与电能生产、 输送和应用有关的能量转换装置一一电机，在电力工业、工矿企业、农业、交通运 输业、国防.科学文化及日常生活等方面都是十分重要的设备。忖前，风机、水泵 等机械设备的耗电量儿占整个工业耗电量的一半，众所周知，采用变频调速技术后

3、, 风机和泵类负载可节约大量电能，平均30%左右。因此开发高效率的交流调速系统， 经济地利用好这一部分电能，对应对当前能源紧张和实践国家节能要求都有着很好 的现实意义。交流调速系统的应用与成熟是与电力电子技术，微电子技术以及控制技术的发 展密切相关的。20世纪上半页，鉴于直流拖动系统优越的调速性能，高性能可调速 拖动都釆用直流电动机，而当时约占电力拖动容量80%以上的不变速拖动都釆用交流 电动机，这种分工在一定的时间内已成为一种公认的格局。那时，交流调速系统的 多种方案虽然已经问世，并已获得应用，但其性能却始终不能与直流调速系统相匹 敌。但直流调系统也并不是那样的完美，直流电机山于具有电刷和换

4、向器等机械结 构，存在着固有的一换向这一理论和技术上的实际困难，限制了其应用范围，特别 是在大功率和高电压条件下的应用；另外，直流电机维护困难，易产生火花也使得 提高电机转速和极限容量受到了限制。20世纪6070年代，随着电力电子技术的发 展，使得釆用电力电子变换器的交流调速系统得以实现，特别是大规模集成电路和 计算机控制的出现，高性能交流调速系统应运而生，交直流拖动按调速性能分工的 格局终于被打破了。交流电动机较之直流电动机结构简单、成本低廉、工作可靠、 维护方便、惯量小、效率高的优势得到了充分的发挥，其在国民工业生产和生活的 各个方面得到了广泛的应用。随着交流电动机的广泛应用，以电力电子器

5、件、微电 子器件技术和控制技术等为基础的变频调速技术，有了突破性的进展，生产出满足 变频调速要求的变频器，从此标志着交流调速进入了一个崭新的时代。在变频器出 现后的近三十年里，其被广泛的应用在纺织、冶金、印刷、化工、工矿、石油、医 药、造纸卷烟等行业，从匸业环境，到家居电器到处都能看到它的身影。以应用广 泛的交-直-交变频器为例，未来变频技术的发展主要有以下儿个趋势：1、开关损耗降低：低压小容量变频器普遍采用的功率开/关器件是功率 MOSFET、IGBT （绝缘栅双极型晶体管）和IPM （智能功率模块）。中压大容量变频器 釆用的功率开关器件有：GTO （门极可关断晶闸管）、IGCT （集成门极

6、换流晶闸管）、 SGCT （对称门极换流晶闸管）、IEGT （注入增强栅晶体管）和高压IGBTo由于新型 开关元件的应用，使开关频率不断提高，开关损耗进一步降低。2、变频器的主电路：H前，变频器主电路结构为：变频器的网侧变流器对于低 一完整版学习资料分享一一压、小容量的常采用6脉冲变流器；对中压、大容量的常釆用多重化12脉冲以上的 变流器；负载侧变流器对低压、小容量的常釆用两电平的桥式逆变器；对中压、大 容量的采用多电平逆变器。值得注意的是：对于四象限运行的传动系统，为实现变 频器的再生能量向电网回馈而节约电能的I的，变频器同时也应满足能量的可逆流 动。双PWM控制变频器，其可实现功率的双向流

7、动，通过适当的控制策略可使输入 电流接近正弦波，并使系统的功率因数接近于1,从而减少系统对电网的公害。3、脉宽调制变压变频器的控制方法：脉宽调制变压变频器的控制方法可以釆用 正弦波脉宽调制（SPWM）控制、消除指定次数谐波的PWM控制、电流跟踪控制、电 压空间矢量控制（磁链跟踪控制）。4、交流电动机变频调速控制方法：交流电动机变频调速控制方法的进展主要体 现在：山标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展；开发无速度传感 器的矢量控制和直接转矩控制系统等方面。5、微处理器的发展使数字控制成为现代控制器的发展方向：运动控制系统是快 速系统，特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速

8、实时处理大量信 息。为了达到控制器的要求，国外各大公司纷纷推出DSP单片电机控制器，其以DSP（数字信号处理器）为内核，同时将电机控制所需的外围功能电路集成在一起。DSP 单片电机控制器，其具有价格低、体积小、结构紧凑、使用便捷、可靠性高等特点, 其运算能力较之普通单片机增强1013倍，从而为确保系统有更优越的控制性能提 供了前提。数字控制使控制系统硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活 性，可实现复杂控制规律，使现代控制理论在运动控制系统中的应用成为现实；另 外，数字控制易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断和监视，使系统智 能化。双馈电机的发展交流电机根据其工作特性可以分为两类

9、：同步电机和异步电机。同步电机的 特点是其转速与电压频率保持严格的同步关系，这一特性使其应用广泛，但是其 存在着起动困难和重载时失步的缺点，这方面的问题在很大程度上乂限制了它的 应用领域。相比而言，异步机电机山于有转差，运行在转速不要求与电网严格同 步的场合，因而使用更为广泛。异步电机根据其结构的不同，可以分为鼠笼式异 步电动机和绕线式异步电动机。双馈电机是绕线式异步机的一种，其有效的利用 了绕线式异步机的结构特点，将定子绕组接到工频电网，转子绕组接到一个幅值、 频率、相位都可以改变的三相电源上，转子侧的电源通过可逆变频器产生。这样， 电机的定子、转子同时独立供电，故称其为双馈。双馈电机早在四

10、十年代已出现，但很少得到实际应用。在二十世纪八十年代， 随着电力电子技术及变流技术的不断发展、大功率交一交变频器的出现，逐步产 生了双馈电动机调速控制系统。双馈感应电机在早期的文献中乂被称为异步化同步 电机、交流励磁电机。世界上对双馈电机开发应用比较早的国家有前苏联、日本、 徳国等。下面对他们各自的发展分别进行一下简要的介绍。日本的早期研究在蓄能 机组方面，1987年日本日立公司在成出电站建成世界上第一台变速同步发电-电动 机蓄能机组。水轮额度出力为18. 5 W,额定转速为190-210 rpm,发电机容量为22 MVA,电压为11 kV,极对数为36,频率为60Hz,励磁容量为383MVA

11、,釆用双向逆 变器励磁方式。并在1995年首次研究成功采用GTO作为功率元件的世界最大容量 的变速恒频抽水储能发电机组，应用于日本电源开发公司所属的奥清津电站2号发 电机，其发电电动机的单机容量高达345W,转速调节范围为407450rpm,流量为 154 3 m /s o前苏联对异步化电机的研究始于50年代中期，前苏电力科学研究所 在两位博士的带领下，于1955年成立了异步化同步电机实验室，并联合许多研究机 构、设计单位及工厂，对这种电机的理论、结构设计、工业应用等方面做了大量的 一完整版学习资料分享一一研究工作，积累了丰富的经验。出版了 3部有关异步化电机的专著，发表百余篇论 文，并申请了

12、专利。他们在理论方面，基本上建立了异步化电机的分析体系及控制 规律，确立了相应的控制函数和控制电路，并完成了电力系统中异步化电机的稳态 和暂态工况的研究。在实际应用方面，前苏联于1985年制造了世界第一台50MW异 步化水轮发电机，1985年制成了第一台200MW的异步化汽轮发电机，另外其还制造 7 3152000kW的异步化电动机、40016V的异步化潮汐发电-电动机、异步化风力发 电机及机电变频器，这些都投入到了工业运行。此外国外还将双馈电动发电机应用 于潮汐发电站。潮汐发电站的水头比较小，并且在一昼夜内周期性的变化。为了得 到最大电能的输出，就应当周期性的改变电机的工作状态，使电机既可以

13、发电运行 也可以电动运行。感应电动机双馈调速在我国起步比较晚，1982年底，冶金部自动 化研究院在某钢铁公司冷拨机进行了双馈调速的工业性实验。该装置采用的电动机 为2X40kW,同步转速为lOOOrpm,调速范圉是8001200rpm,转子侧变频器釆用 三相零式接线。传动系统的功率因数山自然接线时的0. 60. 8提高到0. 891. 0, 并可以根据需要进行调节。80年代中期山冶金工业部开发的双馈矢量调速系统已走 向实用化。前，国内外正进一步对大功率汽轮双馈发电机、蓄能电站和风能电站 双馈发电机、无刷双馈发电机进行深入的研究，对系统复杂故障下双馈发电机的运 行和控制、更完善的控制理论和方法、

14、性能更好的励磁系统以及微处理器和微电子 技术在控制系统中的应用等方面进行研究。双馈电机调速系统的优点交流励磁电机（双馈电机）的励磁有三个量可以调节，一是与同步机一样，可 凋节励磁电流的幅值，二是可调节励磁电流的频率，三是可调节励磁电流的相位。 这说明交流励磁电机比同步电机多两个可调量，一个为励磁电流频率，一个为励磁 电流相位。调节可迅速改变的励磁电流频率可以达到调节转速的U的，即使在负荷 突变时，也可以迅速改变电机的转速，在其调节过程中不仅充分利用了转子的动能, 而且电网扰动远比常规电机轻；调接转子励磁电流的相位，可使山转子电流产生的 转子磁场产生位移，从而改变了电机电势与电网电压相量的相对位

15、置，也即改变了电 机的功率角。由上分析可知，双馈电机不仅可以调节无功功率，也可调节有功功率, 这些优势在工业应用中体现在以下儿个方面：K在现代交流调速系统中的优势：在现代交流调速系统中，双馈电机可无级高 效地调速，而且系统成本低，投资少。双馈电机调速时，转子电路的功率为滑差功 率，如调速范圉在30%左右时，交流励磁的变频装置容量仅为电机功率的15%30%； 另外,在中大型交流调速系统中，双馈电机定子绕组直接与3kV, 6kV, 10kV的工 频电网相接，而转子绕组可设计为低压，这样可采用低压变频装置，因而可大大降 低变频装置的成本。据国外文献报道，如容量为9000kW,同步转速为1500rpm

16、,调 速范围为30%的双馈电机调速系统的价格以100%1|-,则同容量、同转速和同调速范 圉的笼型感应电动机的变频调速系统的价格为300%,因此，与其他交流调速传动系 统相比，双馈调速系统用于风机、泵类和压缩机的调速，具有无可比拟的优势。在 现代交流调速系统中，双馈电机采用定子磁场定向矢量控制策略，可快速控制电机 输出转矩和转速，因此具有良好动态性能。另外，山于双馈调速系自身的特点，其 允许电机在在四象限运动（此时意义已不再限于调速），因而使其在更为广泛的场合 得到了应用。2、在电力工业中的应用优势：现代电力系统的发展趋势是单机容量越来越大， 送电距离日益增长，为提高输电效益，输出电压等级不断提高。此外，网负荷变化 率越来越大，在夜间，电网传输有功功率低于其自然功率时，出现过剩无功功率， 引起工频过电压，危及系统安全运行和增加线路损耗。L1前电力系统中调节电网无 功功率和电压主要依靠电容器、电抗器、调相机、静止补偿器等装置或要求发电机 一完整版学习资料分享一进相运行。这些措施增加了投资，并且在技术上和经济上存在着一定得缺陷，而双 馈发电机通过调节转子励磁相位可使电机吸收和发出大量无功功率。据国外文献报 道，双馈电机吸收和发出无功功率的能力远远大