雙饋電機(jī)交流勵(lì)磁電源的應(yīng)用與種類

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（交流勵(lì)磁電源）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（圖1a）或按可控硅低同步串級(jí)調(diào)速（圖1b）其轉(zhuǎn)子調(diào)速（n）均低于定子同步轉(zhuǎn)速(n1),轉(zhuǎn)差功率（PS）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（一般為工頻電網(wǎng)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-B-C ； 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)閍-b-c)；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)系為：
    P1=PM+PS ………………………………………①
    n=n1-n2 ………………………………………②
    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（又稱交流勵(lì)磁電源）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a-b-c（圖1c）。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：
    P1+PS=PM ………………………………………③
    n=n1+n2 ………………………………………④
    “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（相當(dāng)于“發(fā)電”），三相電流相序不能改變，只能實(shí)現(xiàn)低同步以下（n    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。
    2 “雙饋”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Φm ，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：P1=3U1I1cosφ 1 …………⑤ (φ1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：PS=3E2I2 cosφ2 …………⑥（φ2 為I2與E2 相位差，即轉(zhuǎn)子側(cè)功率因數(shù)）
    勵(lì)磁電源容量：Pf≈PS=3EfI2 cosδ…………⑦ (δ為I2 與Ef 相位差，即勵(lì)磁電源Sf 的功率因數(shù)) 
    轉(zhuǎn)矩： M=KMI2Φm sinθ…………⑧（KM —轉(zhuǎn)矩比例系數(shù)，θ—I2 與Φm 相位差）
    當(dāng)控制φ1 ，φ2 相位角時(shí)，可以控制功率P1 與PS 的流轉(zhuǎn)；當(dāng)改變?chǔ)冉菚r(shí)，可改變M的正負(fù)；當(dāng)調(diào)節(jié)δ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)cosφ 1 。圖2示出了“雙饋”電機(jī)調(diào)節(jié)有功功率時(shí)（δ=0和180°時(shí)的）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)cosφ 1 時(shí)，δ=0～180°
    3 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：
    3.1 晶閘管相控整流與有源逆變器組合電源（AC-DC-AC）：相控變流電源 （圖3）
    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Ⅰ和電源側(cè)變流器Ⅱ在傳遞轉(zhuǎn)差功率PS 時(shí)既可工作于“整流” 狀態(tài)（AC-DC），又可工作于（有源）“逆變”狀態(tài)（DC-AC）。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n→n1時(shí)電機(jī)側(cè)變流器Ⅰ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。. 
    3.2 可控整流器與電壓型SPWM逆變器組合電源(AC-DC-AC)：SPWM變頻電源(圖4)
    電源側(cè)變流器Ⅰ是三相全控AC↔DC相控整流器，電機(jī)側(cè)變流器Ⅱ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。

   3.3 雙高頻PWM整流器組合電源(AC-DC-AC)：: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，電源側(cè)變流器Ⅱ用作高頻PWM整流(AC-DC)，電機(jī)側(cè)整流器Ⅰ將高頻PWM整流器轉(zhuǎn)化為”逆相”運(yùn)行(DC-AC)，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。
    4 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。
    4.1 晶閘管相控型交~交直接變頻器(AC-DC)：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(α) 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(1/2- 1/3)電源頻率。
    4.2 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3×3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(DC-DC) ……用于雙饋電機(jī)”起動(dòng)”; 組成直-交逆變（DC-AC）……用于雙饋電機(jī)“投勵(lì)”或低同步運(yùn)行，組成交
    -直整流（AC-DC）……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（18個(gè)），需按嚴(yán)格邏輯程序進(jìn)行控制，技術(shù)不成熟，成本高。

   5 多功能勵(lì)磁電源（圖8）
    從4.2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1~2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?a target='_blank' class='arckwlink_none'>二極管）和機(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K1~K4轉(zhuǎn)換（見圖8），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)：
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    林成武 朱建光 王鳳翔
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    上鋼一廠 朱世照