双馈电机调速

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围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，将可再生能源作为其能源发展战略的重要组成部分，另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目标和要求。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——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。目前，风机、水泵等机械设备的耗电量几占整个工业耗电量的一半，众所周知，采用变频调速技术后，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采用直流电动机，而当时约占电力拖动容量80%以上的不变速拖动都采用交流电动机，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，直流电机由于具有电刷和换向器等机械结构，存在着固有的―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60～70年代，随着电力电子技术的发展，使得采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，从工业环境，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几个趋势：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）。中压大容量变频器采用的功率开关器件有：GTO（门极可关断晶闸管）、IGCT（集成门极换流晶闸管）、SGCT（对称门极换流晶闸管）、IEGT（注入增强栅晶体管）和高压IGBT。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：目前，变频器主电路结构为：变频器的网侧变流器对于低压、小容量的常采用6脉冲变流器；对中压、大容量的常采用多重化12脉冲以上的变流器；负载侧变流器对低压、小容量的常采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目的，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采用正弦波脉宽调制（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：由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10～15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：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又限制了它的应用领域。相比而言，异步机电机由于有转差，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－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又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、德国等。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18.5MW，额定转速为190-210rpm，发电机容量为22MVA，电压为11kV，极对数为36，频率为60Hz，励磁容量为3.83MVA，采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345MW，转速调节范围为407～450rpm，流量为1543m/s。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，另外其还制造了315～2000kW的异步化电动机、400kW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2×40kW，同步转速为1000rpm，调速范围是800～1200rpm，转子侧变频器采用三相零式接线。传动系统的功率因数由自然接线时的0.6～0.8提高到0.89～1.0，并可以根据需要进行调节。80年代中期由冶金工业部开发的双馈矢量调速系统已走向实用化。目前，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、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目的，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，可使由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几个方面：1、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，如调速范围在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，调速范围为30%的双馈电机调速系统的价格以100%计，则同容量、同转速和同调速范围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，由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。目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于传统同步发电机，这样双馈发电机可根据需灵活地调节无功率和电网电压。双馈发电机可变速运行，应用在电力工业中，可提高发电系统的稳定性，提高系统效率。例如在水头变化较大的水电站，为使水轮机运行在最佳工况，通过调节机组转速往往可使系统效率提高2%～3%，在低出力时提高的更多。同时也可使水轮