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本文为西莫电机论坛技术团队队长李保来老师（西莫ID：标准答案）原创文章，本期期刊版主视角栏目收录，并由西莫电子期刊hahafu主编整理发布以飨读者 搞风电的同学们经常听到'双馈'这个词，在目前的风电机组领域，双馈异步发电是其中主流机型之一，那么什么是双馈发电机？为什么风电常用这种发电机而其他发电机却很少用？它的原理是什么？本期老师就给同学们说说双馈那点事。 1 先说点电机的基础知识。老师曾经遇到过，一提基础知识许多同学特别是当了领导的同学们就烦，说我侮辱了他们的智商，别跟我说切割磁力线、别跟我说电磁感应、别跟我提左手定则右手定则！别拿我当白痴！好！为了保护同学们那脆弱的玻璃自尊心，老师就不用那些侮辱同学们智商的说辞，来说清楚发电机和电动机的原理。 图1 高智商的同学们都知道，给一个线圈内通上电流，这个线圈就会产生磁场，如果通的是稳恒的直流电流，那么所产生的磁场就是静止固定不变的磁场，如果通的是交流电流，那么所产生的磁场就是交变的磁场。如果有三个线圈依次排列，轮流给三个线圈通电，那么所产生的磁场看起来就会往一个方向跑起来，跑的方向取决于轮流通电的次序（也叫相序），跑的快慢取决于轮流通电的快慢（频率）。如果把这三个线圈依次布置在一个圆筒上，再轮流给它们通电，则产生的磁场就会旋转起来。我们习惯把这三个线圈叫做三相绕组，把三相绕组布置在一个圆筒型铁心内就构成了交流电机的定子，给三相绕组轮流通上对称的交流电流就会产生旋转的磁场，我们可以把这个旋转的磁场看成许多个N、S磁极在定子内腔旋转，它们的转向取决于交流电的相序，转速取决于所通电流的频率，频率越高转速就越快。如果把定子绕组接到大电网上，那么旋转磁场的转速就取决于电网的频率，我国的电网频率是50Hz，即每秒钟电流变化50次，每变化一次磁场就会向前旋转一对NS极所占的弧长，如果只有一对NS极（2极）那么就是电流每交变一次磁场就转一圈，每秒变化50次就是每秒转50圈，一分钟就转3000圈，我们把3000转/分钟就叫做2极电机的同步转速。同理同学们可以自己推导4极、6极....等其它极数电机的同步转速。 图2 2 再说说同步电机原理。知道了三相绕组中通三相交流电就会产生旋转磁场，如果在那个圆筒里塞个转子会怎么样呢？先说塞个有磁极的转子，这个转子上的磁极可以是永磁的或者是电励磁的，塞进这样一个转子后转子磁极会立即'向外看齐'，转子的N极与定子的S极对齐，转子的S极与定子的N极对齐。如果转子既没有带机械负载也没有原动机驱动，且忽略转子的风摩损耗，那么随着定子磁极的旋转，转子将始终保持与定子异性磁极对齐状态同步旋转，转子的转速与定子磁场转速（同步转速）一致，因此称这种电机为同步电机。在上述定转子磁极对齐状态下旋转时，转子即没有机械功率输出也没有原动机的机械功率输入，因此与电网连接的定子也不会有有功电功率的输出和输入，此时定子上的电流全部为无功电流，功率也就是无功功率。 如果转子上带上一个负载，那么就会打破定转子磁极对齐的平衡，转子就会落后定子磁极一定的角度（专业上称这个角度为功角），定子磁极会在前面领跑，牵着（实际上应是吸引着）转子紧随其后，仍然保持同步旋转，此时电网将向电机定子输入电功率，牵着转子向机械负载对外输出机械功率，我们称这种状态为电动机状态。 如果转子用一个原动机拖动，那么也会打破定转子磁极对齐的平衡，转子就会领前定子磁极一定的功角，转子在前面领跑，牵着定子磁极紧随其后，仍然保持同步旋转，此时原动机将向转子输入机械功率，定子将向电网输出电功率，这种状态称为发电机状态。 图3 由此可见任意一台同步电机即可以运行在发电机状态也可以运行在电动机状态，二者的区别就在于是谁牵着谁跑，定子牵着转子跑就是电动机，转子牵着定子跑就是发电机。上面说的同步电机的特点是无论什么运行状态，转子的转速都与定子磁场的转速相等，用这种电机来发电必须满足一个严格的条件就是转子的转速必须严格保证同步转速。目前电网中的电能绝大部分都是火电厂、水电站、核电厂里的同步发电机生产的，因为这些电厂中的一次能源比较稳定，原动机是可控的，可以保证转速维持恒定并保持同步转速。 3 双馈电机的原理。前面说了，大部分电能的生产都是通过同步发电机产生的，而同步电机恰恰不适应于风力发电，因为风能是随机的，风速时大时小，不以人的意志而改变，为了捕获更多的风功率，就必须根据风速大小来改变转子的转速，而转子转速一旦改变就不能再与定子磁场保持同步旋转，也就不能稳定地发电或电动了。怎么办呢？高智商的同学们就想到了把另外一种转子塞进去。这种转子上也布置有三相绕组，如果往转子三相绕组中通入三相交流电同样会产生一个相对于转子旋转的磁场，再考虑到转子本身的旋转，那么转子磁极相对于定子的转速就是转子本身转速再加上（或减去）磁场相对于转子的转速，转子转速变化时我们用变频器控制转子电流的频率和相序，使得两个转速叠加后仍保持同步转速，这样就可以和同步电机一样稳定地做发电或电动运行了。如果转子转速低于同步转速，就控制转子频率和相序使转子磁场相对转子向同方向旋转并补上与同步转速的差，这种情况称为亚同步运行；如果转子转速高于同步转速，就控制转子频率和相序，使转子磁场相对转子向反方向旋转并抵消转子转速高于同步转速之差，此情况称为超同步运行。与同步电机相同，无论是超同步还是亚同步运行，始终保持转子磁极与定子磁场一起同步旋转，二者相对静止。当转子超前牵着定子旋转时就是发电状态；当定子超前牵着转子旋转时就是电动状态。因此这种电机就有超同步发电运行、超同步电动运行、亚同步发电运行、亚同步电动运行等四种运行工况。无论哪种工况，转子磁场相对于转子本身的转速都是同步转速与转子转速之差，因此我们称这个转速差叫做转差（也叫滑差），转差由转子电流的频率决定，因此转子电流的频率也称为转差频率。与同步电机只有定子一个电气端口与电网连接不同，这种电机除了定子有三相绕组外，转子上也布置有三相绕组，定子绕组直接并网是一个馈电端口，转子绕组通过变频器与电网相连，是另外一个馈电端口。因此这种电机被称为双馈电机。 图4 变速恒频双馈风力发电系统框图 双馈电机稳定运行时定转子磁场同样保持相对静止相互'吸引着'，因此定转子磁场传递的转矩是一定的，这个转矩乘以转子的转速就是通过转子的机械接口（转轴）传递的机械功率（发电时输入机械功率，电动时输出机械功率）；这个转矩乘以同步转速就是定子馈电端口传递的电功率（发电时输出电功率，电动时输入电功率）；这个转矩乘以转差就是转子馈电端口传递的电功率（超同步发电和亚同步电动时输出电功率，亚同步发电和超同步电动时输入电功率），转子馈电端口的功率也称转差功率。 4 同步电机和双馈电机原理的通俗理解。上面说了一大堆，可能同学们又晕菜了，都是些专业的东东太难理解了！有木有一个形象好理解的说法呢？好吧，老师就给同学们一个通俗易懂的形象比喻，再次声明，任何一种比喻在科学上都是不严谨的，只是为了帮助理解而已。 说！定子并网以后，就会产生一个同步旋转的磁场，电机结构一定时这个旋转磁场的转速只由电网频率决定。如果把电机沿半径剖开并展开成直线，那么这个磁场就会沿某个方向快速的向前飞驰，为此我们可以把大电网比喻成一列高速运行的火车，其运行速度只取决于电网的频率，电网频率为50Hz不变，列车的速度就恒定。把那些电机比喻成与火车并肩而行的汽车，如果汽车的速度与火车相同那就是同步电机，如果汽车与火车通过侧面的挂钩'牵手'一起跑，就叫做并网运行。如果牵手方向是垂直于火车奔跑的方向，那么火车和汽车之间就不会发生能量传递，这种情况就是空载运行，所发生的'功率'就是无功功率；如果牵手的角度是汽车领前，汽车拉着火车跑，那必然就是汽车（电机）向火车（电网）输出功率，那就是发电状态；如果牵手的角度是火车领前拉着汽车跑，那就是火车（电网）向汽车（电机）输出功率，那就是电动状态。许许多多并网运行的同步电机就是这样有的发电有的电动，在有条不紊地与电网进行着能量的传递。这是汽车速度与火车同步（同步电机）的情况，同学们理解了吗？ 如果汽车速度不与火车同步，那就不能直接牵手（并网）了，否则无论谁快都会把汽车拖烂，怎么办？这就需要双馈电机，双馈电机又比喻成神马呢？双馈电机可以比喻成一个任意速度的汽车在一个传送带上跑，而传送带也有一个驱动电机，这个驱动电机由一个变频器与电网相连。如果汽车本身跑得比火车还快，就是超同步运行，这种情况就需要在汽车快速奔跑的同时传送带向后运行，使得传送带的速度抵消掉汽车高出火车的速度差，这样才能保持汽车和火车的同步，实现牵手并网；如果汽车本身的速度低于火车的速度，就是亚同步运行，此时必须传送带向前运行补上与火车的速度差，才能与火车同步，实现牵手并网。如果在超同步下汽车牵着火车跑，那么除了汽车向火车（电网）输出电能外，汽车轮子还会驱动传送带向后运行，进而带动传送带上的电机发电，经变频器向电网输出电能，这就是超同步双馈发电，此时定转子两个馈电口都向电网输出电功率。如果在亚同步下汽车拉着火车跑，那么除了汽车本身要输出功率外，传送带还要补充向前的功率，二者相加就是向火车输出的功率，此时汽车本身输出的功率来自原动机提供的机械功率，传送带补充的功率来自转子馈电口向电网索取的电功率，二者相加就是定子馈电口向电网输出的电功率。这就是亚同步双馈发电，此时定子端口输出电能，转子端口输入电能。篇幅所限，老师就只给同学们比喻这两种工况，其余两种超同步电动和亚同步电动工况作为课后作业，由同学们自己比喻吧。 说到此同学们对双馈电机是否有一个大概的了解了？老师只能保证通过今天的讲解，使你在外行人面前玩命吹牛充当内行，而在像老师这样的内行人面前赶紧闭嘴，仔细听着，充当外行！知道了吗！ 欢迎大家报名参加由论坛组织的电机培训课，跟着李保来老师更加深入系统地学习电机理论和电机设计，详见下方海报介绍： 更多最新精彩文章详见（点击进入）： |
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