電機“雙饋”調(diào)速系統(tǒng)

1 概述

傳統(tǒng)的同步電動機和同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速都是恒定的，轉(zhuǎn)子由直流電流勵磁。改變勵磁電流的大小，可改變電機的功率因數(shù)。若將常規(guī)直流勵磁的交流同步電機(電動機或發(fā)電機)的轉(zhuǎn)子繞組改為三相(或兩相)對稱繞組，并對其進行交流勵磁，這樣比一般同步電機多兩個可調(diào)量，除通過調(diào)節(jié)勵磁電流幅值大小調(diào)節(jié)電機功率因數(shù)外，還可通過調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率改變電機轉(zhuǎn)速。另外，通過調(diào)節(jié)勵磁電流的相位改變電機的有功功率和無功功率，從而可使電機的有功、無功、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)實現(xiàn)綜合“最優(yōu)”控制，達到電機雙饋調(diào)速系統(tǒng)高效節(jié)能的目的。這種電機的轉(zhuǎn)速可在同步轉(zhuǎn)速上下調(diào)節(jié)，并可運行于機械特性的“二象限”(即“電動”和“發(fā)電”狀態(tài))，特別適用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍有限的泵類負載，還可組成變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，使水輪機或風(fēng)輪機始終處于最高效率工況運行，以適應(yīng)變

化的水力或風(fēng)力狀況，減輕振動、汽蝕損傷，延長設(shè)備使用壽命。這種交流勵磁電機有人稱之為“異步化同步電機”、“雙饋電機”或“超同步串級調(diào)速電機”(簡稱超同步串調(diào)電機)。

普通的交流鼠籠型異步電機和同步電機的轉(zhuǎn)子均沒有交流勵磁繞組。交流同步電機慣用直流勵磁，只有直流勵磁繞組(圖1);鼠籠型異步電動機無專用勵磁繞組，一般從定子側(cè)取交流勵磁電流(圖2);繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子雖有三相繞組，但一直不是作交流勵磁用，而是作串電阻調(diào)速或起動用(圖3)，或與“整流器———(有源)逆變器”連成一體組成常規(guī)“低同步串級調(diào)速”(圖4)。

本文對楚湘科技發(fā)展有限公司最近研發(fā)的智能化節(jié)能新產(chǎn)品———電機雙饋調(diào)速系統(tǒng)的性能與特點以及應(yīng)用效果等予以介紹，以便推進電機高效節(jié)能工作的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

2 單饋電動機和雙饋電動機

2.1 單饋電動機

通常，人們將電動機定子由電網(wǎng)饋電，定子繞組從電網(wǎng)吸取電磁功率(P1)，并轉(zhuǎn)變?yōu)檩S輸出功率(PM)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率(PS)的鼠籠式交流感應(yīng)電動機、轉(zhuǎn)子串電阻起動或調(diào)速的繞線式異步電動機、低同步串級調(diào)速繞線式異步電動機稱為

“單饋”電機。單饋電機的轉(zhuǎn)差功率(PS)有的為零(圖1);有的消耗于轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部(圖2);有的消耗于外接電阻(圖3);有的回收電網(wǎng)(圖4)。總之，轉(zhuǎn)差功率(PS)大都“流失”了。“單饋”電機的轉(zhuǎn)差功率PS、軸輸出功率PM、定子側(cè)電磁功率P1關(guān)系為

2.2 雙饋電動機

當(dāng)電機的定子與轉(zhuǎn)子分別由外電源供電時，則被稱為“雙饋電機”。廣義的雙饋概念應(yīng)由電機定子s、定子側(cè)電能變換器C1;電機轉(zhuǎn)子r、轉(zhuǎn)子側(cè)電能變換器C2;轉(zhuǎn)子勵磁變壓器T;轉(zhuǎn)子位置檢測器TG 和控制器C3組成(圖5)。它實質(zhì)上是一臺包括定、轉(zhuǎn)子供電電源的普通繞線式異步電動機。

因為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機更具有一般交流電機的意義，其定、轉(zhuǎn)子側(cè)供電電源可以互換。在實際應(yīng)用中，為了簡化雙饋電機結(jié)構(gòu)，一般省去定子側(cè)電能變換器C1，而將定子繞組直接由工頻電網(wǎng)供電，轉(zhuǎn)子繞組則由另一套轉(zhuǎn)差能量(PS)“可逆”流轉(zhuǎn)的獨立可調(diào)交流電源C2(下稱交流勵磁電源)饋電(圖6)。

欲使繞線式異步電動機從“單饋電機”變?yōu)?ldquo;雙饋電機”必須在轉(zhuǎn)子側(cè)接入交流勵磁電源，引入交流附加電勢，并控制勵磁電流的幅值、頻率和相位(即C2 應(yīng)向轉(zhuǎn)子提供交流勵磁電流)。所以，雙饋電機實質(zhì)上是傳統(tǒng)線繞異步電動機與現(xiàn)代電力電子技術(shù)和數(shù)控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。

3 電機雙饋調(diào)速系統(tǒng)

3.1 正相序交流勵磁電流

正相序交流勵電流由a 寅b 寅c，如圖7 所示。從鼠籠型或繞線型異步電動機運行原理可知，當(dāng)定子供電電源為A寅B寅C時，其轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流的相序也為a 寅b 寅c，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場棕2 的方向與定子旋轉(zhuǎn)磁場棕1 的方向相同，轉(zhuǎn)差功率PS 從

轉(zhuǎn)子側(cè)流出，電機轉(zhuǎn)差功率流向與常規(guī)低同步串級調(diào)速(圖4)相同。設(shè)電機定子電源頻率為f1，轉(zhuǎn)子電源頻率為f2，欲使電機穩(wěn)定運行則轉(zhuǎn)速應(yīng)為

3.2 反相序交流勵磁電流

3.3 直流勵磁

直流勵磁電流頻率為零，即f2=0。相當(dāng)于由C2向轉(zhuǎn)子繞組提供直流勵磁。從式(3)或式(4)可知電機處于同步“電動”狀態(tài)，即棕r =棕1 。

交直流自動勵磁電源可以根據(jù)人們的需要自動控制電動機勵磁電流的相序、頻率、相位和幅值，在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)和有、無功功率的大小，使其驅(qū)動的工作機械始終處于最佳狀態(tài)運行，以達到提高效率、節(jié)省能源、減緩損傷、延長設(shè)備使用壽命的目的。

4 變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

無論是并網(wǎng)運行或是單獨供電的發(fā)電機組，都嚴格要求其電能頻率在某一規(guī)定值(如50 Hz)上。為了滿足此要求，通常需對原動機(如水輪機，汽輪機，風(fēng)輪機等)設(shè)置復(fù)雜的調(diào)速系統(tǒng)，以控制原動機始終以額定轉(zhuǎn)速運行，但由于水頭(汽壓差或風(fēng)力)和負荷的變化，水輪機若仍以固定的額定轉(zhuǎn)速運行，則可能發(fā)生嚴重的汽蝕破壞和振動，效率降低，引起巨大能量損失及設(shè)備壽命縮短。對于

任一水頭和負荷的組合狀態(tài)，都可以找到一個使水輪機效率高、汽蝕振動小的最優(yōu)轉(zhuǎn)速值。隨著水頭和負荷的變化其相應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速值是變化的，人們期望水輪機始終處于最優(yōu)轉(zhuǎn)速運行。即要求發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速棕r 可以隨時發(fā)生變化，但發(fā)電機輸出的電能頻率f1固定不變，顯然，需要在發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速棕r 和發(fā)電機定子電流頻率f1 之間設(shè)置一個耦合自動調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。

5 雙饋調(diào)速的優(yōu)越性

5.1 無級調(diào)速性能的效益

本產(chǎn)品能使電力拖動電機在額定轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上實現(xiàn)無級升速運行，這一性能對那些高速運行的機械加工、特殊傳動系統(tǒng)非常有利，并可使用那些由于泥沙淤漬河床抬高，使瀕臨癱瘓的泵站可重新復(fù)活，具有巨大的社會效益。1998年，長江特大

洪水和強降雨襲擊使湖北省嘉魚縣金水流域內(nèi)湖水上漲，湖北省嘉魚縣余碼頭泵站超揚程1.41 m。

由于泵站電機為“恒速”運行的同步電動機，水泵無法提高揚程運行，被迫停機達76 天。農(nóng)田耕地及農(nóng)民養(yǎng)殖魚池淹沒在漬水中，經(jīng)濟損失超過5個億。若本項目6 kV/800 kW 產(chǎn)品轉(zhuǎn)為此類泵站開發(fā)，則可使其實現(xiàn)“超同步”(20%)提速運行，解救因泵機“單速”運行帶來的巨大經(jīng)濟損失，最終結(jié)束我國泵站一遇洪水超揚程被迫停機的現(xiàn)象。[!--empirenews.page--]

我國城鄉(xiāng)防洪排澇泵站很多，過去，我們對這一具有巨大社會效益的“提速”運行問題認識不足，采取的補救辦法走了很多彎路，如為了應(yīng)對突如其來的，十年一遇或百年一遇的高揚程排水的需要，片面強調(diào)“高揚程”的重要性，建站初期或后期改造普通將電機轉(zhuǎn)速選得過高，而后又多次對電機進行“增容”改造，這使泵站抗遇洪澇災(zāi)害能力有所增加，但泵站由于多數(shù)時間仍運行在中、低揚程，這又導(dǎo)致泵站處于“大馬拉小車”和“高耗低效”運行狀態(tài)，白白浪費大量電能;有的地區(qū)，為了解決“排-灌”矛盾，在國家已建立農(nóng)用低速灌溉泵站后，又提出另行設(shè)計再建一座專用防洪排漬、排澇泵站，浪費大量資金。

在最近幾年，很多泵站采用電機“變極”提速，并對電機進行過提為“三速”或“雙速”的改造，但效果不佳。因為“變極”提速為有級變速，而高壓大電機定子繞組的出線有限，充其量只能有1-2 級轉(zhuǎn)速，而水位及揚程的變化是一個連續(xù)量，兩者變化不相適應(yīng)，因此“就高就不了低，就低就不了高”的現(xiàn)象仍然存在。本產(chǎn)品立足于無級“提速”，并具有提速增容的效果，與“變極”提速相比具有很大優(yōu)勢，如表1 所列。

5.2 提速的“自然增容”效益

很明顯無功功率Q1可作有功“增容”用。我們可將“雙饋”電機這一增容特性稱為“自然增容特性”，意即電機定子繞組并未作“增容”改造，但實際上通過控制器的矢量控制電機已具有“增容”特性。

通過以上的計算可知電機由250 r/min 提速到300 r/min 運行，要求增容367 kW，而雙饋電機通過矢量控制具有“自然增容”392 kW的特性，即原電機可以不進行“增容”改造。

5.3 雙饋“低同步”調(diào)速比常規(guī)低同步串級調(diào)速好

雙饋電機轉(zhuǎn)速不僅能超過同步轉(zhuǎn)速，也能低于同步轉(zhuǎn)速，而且低同步運行時節(jié)能效果和動態(tài)特性比常規(guī)高效“低同步串級調(diào)速”要好得多。表2 是“雙饋”低同步調(diào)速技術(shù)與常規(guī)高效低同步串調(diào)技術(shù)的比較。

5.4 顯著的節(jié)能效果

從實測的170 kW 雙饋調(diào)速低同步運行狀態(tài)參數(shù)可知具有22%以上的節(jié)電率;根據(jù)“雙饋”調(diào)速工作原理，當(dāng)電機帶原有負載運行于“低同步”工作狀態(tài)時，其節(jié)電效果體現(xiàn)在下列三方面：

5)低同步運行總節(jié)電為493.6+100越593.6 kW。

6)總節(jié)電率594/800越74%。

扣除電機啟動能耗，AC/AC 無功損耗及渦流損耗等外，取節(jié)電率50%，按電機額定功率800 kW計算，一臺電動機組可節(jié)省電力800 kW伊0.5=400 kW。取余碼頭泵站2003、2004 兩年開機運行平均每年12 374臺時統(tǒng)計數(shù)據(jù)，則每年平均節(jié)電

400 kW伊12 374=4 949 600 kW·h，排水電費按0.215 元/kW·h 計算，可節(jié)約電費4 949 600 kW·h伊0.215 元/ kW·h =106.4萬元。

5.5 超低同步無級調(diào)速性能

在要求調(diào)速范圍較寬的調(diào)速系統(tǒng)，采用雙饋調(diào)速時可選擇以電機額定轉(zhuǎn)速(或同步轉(zhuǎn)速)為基速實現(xiàn)上下調(diào)節(jié)。

我國農(nóng)田水利建設(shè)的大中型雙功能“排-灌”泵站，又稱為排灌結(jié)合型泵站，既要求水泵能提速運行、在洪澇季節(jié)能排除漬水、漬雨;又要求在中、低揚程能降速運行實現(xiàn)低速節(jié)水、節(jié)電、灌溉(或排水)。由于調(diào)速范圍對同步轉(zhuǎn)速上下對稱，變頻器容量又與調(diào)速范圍有關(guān)，這時雙饋調(diào)速的技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)在：若取15豫電機功率的變頻器容量就可獲得30豫的調(diào)速范圍。設(shè)有一臺同步轉(zhuǎn)為1 500 r/min、額定功率為1 500 kW 的電機，其調(diào)速范圍為1 000耀2 000 r/min，則本產(chǎn)品的容量僅為500 kV·A，若調(diào)速范圍越窄，則產(chǎn)品容量越小。

5.6 同步電動機可控異步化運行

前已說及，對同步電機進行“保定子，改轉(zhuǎn)子”后即可實施“雙饋”調(diào)速。我國大中型排灌站電機幾乎清一色都是同步電動機，也可以采用這種異步化改造方法，使單速傳統(tǒng)的同步電動機轉(zhuǎn)變?yōu)闊o級調(diào)速電機，但同步電動機也可采用一般的定子側(cè)變頻調(diào)速，如獨立變頻調(diào)速或無整流子電機調(diào)速。采用雙饋調(diào)速與采用一般變頻調(diào)速相比有何優(yōu)勢呢?表3將兩種方法進行了比較。

5.7 同步發(fā)電機可控異步化運行

同理，對傳統(tǒng)直流勵磁同步發(fā)電機進行“保定子，改轉(zhuǎn)子”改造以后，采用雙饋調(diào)速方法也可使原同步發(fā)電機實現(xiàn)可控異步化運行。當(dāng)作發(fā)電機運行時，進相運行可為電力系統(tǒng)提供無功功率的能力遠遠超過傳統(tǒng)同步發(fā)電機，而在低負荷時又

可以大量吸收無功功率，為電力系統(tǒng)提供有力的調(diào)壓手段，可大大改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本技術(shù)對現(xiàn)代電力系統(tǒng)向大容量、高電壓及遠距離輸電方向發(fā)展具有重要意義。我國水力資源豐富，但河流泥沙多，水頭變化大，我國相當(dāng)一部分水電機組均可采用同步機異步化改造，有望大大簡化發(fā)電站設(shè)備，進一步提高系統(tǒng)運行效率;可使像水輪機這樣的原動機運行在最佳工況，使機組效率提高2%耀3%，氣蝕泥沙的磨損降低，具有重大效益。

5.8 雙饋調(diào)速系統(tǒng)的多種特色性能

1)使有功/無功獨立解耦控制;

2)高功率因數(shù)運行特性(任意功率因數(shù)可調(diào));

3)在負荷變化情況下，可靈活調(diào)節(jié)無功功率和轉(zhuǎn)速;

4)使有功/無功實現(xiàn)數(shù)字化檢測;

5)通過交流電流調(diào)節(jié)閉環(huán)使電壓型AC/AC轉(zhuǎn)變成電流型AC/AC;

6)能控制轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢相位，獲得數(shù)字投勵信號。

從上可見，雙饋調(diào)速是實現(xiàn)我國大型電機系統(tǒng)(電動機和發(fā)電機)節(jié)能優(yōu)化改造的高性能的理想產(chǎn)品。