1 概述

傳統的同步電動機和同步發電機轉速都是恒定的，轉子由直流電流勵磁。改變勵磁電流的大小，可改變電機的功率因數。若將常規直流勵磁的交流同步電機(電動機或發電機)的轉子繞組改為三相(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量，除通過調節勵磁電流幅值大小調節電機功率因數外，還可通過調節勵磁電流的頻率改變電機轉速。另外，通過調節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、轉速、功率因數實現綜合“最優”控制，達到電機雙饋調速系統高效節能的目的。這種電機的轉速可在同步轉速上下調節，并可運行于機械特性的“二象限”(即“電動”和“發電”狀態)，特別適用于轉速調節范圍有限的泵類負載，還可組成變速恒頻發電系統，使水輪機或風輪機始終處于最高效率工況運行，以適應變

化的水力或風力狀況，減輕振動、汽蝕損傷，延長設備使用壽命。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“超同步串級調速電機”(簡稱超同步串調電機)。

普通的交流鼠籠型異步電機和同步電機的轉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，一般從定子側取交流勵磁電流(圖2);繞線型異步電動機轉子雖有三相繞組，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“低同步串級調速”(圖4)。

本文對楚湘科技發展有限公司最近研發的智能化節能新產品———電機雙饋調速系統的性能與特點以及應用效果等予以介紹，以便推進電機高效節能工作的迅速發展和廣泛應用。

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饋電，定子繞組從電網吸取電磁功率(P1)，并轉變為軸輸出功率(PM)和轉子轉差功率(PS)的鼠籠式交流感應電動機、轉子串電阻起動或調速的繞線式異步電動機、低同步串級調速繞線式異步電動機稱為

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

2.2 雙饋電動機

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

因為繞線轉子異步電動機更具有一般交流電機的意義，其定、轉子側供電電源可以互換。在實際應用中，為了簡化雙饋電機結構，一般省去定子側電能變換器C1，而將定子繞組直接由工頻電網供電，轉子繞組則由另一套轉差能量(PS)“可逆”流轉的獨立可調交流電源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”變為“雙饋電機”必須在轉子側接入交流勵磁電源，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 應向轉子提供交流勵磁電流)。所以，雙饋電機實質上是傳統線繞異步電動機與現代電力電子技術和數控技術結合的產物。

3 電機雙饋調速系統

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，當定子供電電源為A寅B寅C時，其轉子感應電流的相序也為a 寅b 寅c，轉子旋轉磁場棕2 的方向與定子旋轉磁場棕1 的方向相同，轉差功率PS 從

轉子側流出，電機轉差功率流向與常規低同步串級調速(圖4)相同。設電機定子電源頻率為f1，轉子電源頻率為f2，欲使電機穩定運行則轉速應為

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。相當于由C2向轉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，即棕r =棕1 。

交直流自動勵磁電源可以根據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，在大范圍內調節電機轉速、功率因數和有、無功功率的大小，使其驅動的工作機械始終處于最佳狀態運行，以達到提高效率、節省能源、減緩損傷、延長設備使用壽命的目的。

4 變速恒頻發電系統

無論是并網運行或是單獨供電的發電機組，都嚴格要求其電能頻率在某一規定值(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，風輪機等)設置復雜的調速系統，以控制原動機始終以額定轉速運行，但由于水頭(汽壓差或風力)和負荷的變化，水輪機若仍以固定的額定轉速運行，則可能發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備壽命縮短。對于

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

5 雙饋調速的優越性

5.1 無級調速性能的效益

本產品能使電力拖動電機在額定轉速基礎上實現無級升速運行，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。農田耕地及農民養殖魚池淹沒在漬水中，經濟損失超過5個億。若本項目6 kV/800 kW 產品轉為此類泵站開發，則可使其實現“超同步”(20%)提速運行，解救因泵機“單速”運行帶來的巨大經濟損失，最終結束我國泵站一遇洪水超揚程被迫停機的現象。