切换型异步电动机双馈调速系统

马小亮（天津电气科学研究院有限公司，天津300180）（原名——天津电气传动设计研究所）



切换型异步电动机双馈调速系统

马小亮
（天津电气科学研究院有限公司，天津300180）（原名——天津电气传动设计研究所）

摘要：常规双馈调速系统（DFM）用接于转子侧的小功率低电压变频器调节大功率高电压绕线异步电动机转速，但调速范围窄。介绍的切换型双馈调速系统（SDFM）保留了DFM所有优点，且可扩宽调速范围，实现零至最高速的恒转矩调速。它把整个调速范围分成高速和低速两段，高速段定子接电网，按DFM工作，低速段定子离网，改接直流励磁电源或三相短接，电机变成一台定、转子功能互换的同步电动机或异步电动机。由于技术相近，已掌握双馈风力发电技术的企业开发该系统很容易。

关键词：切换型双馈调速系统；宽调速范围；恒转矩；直流励磁；定子短接

绕线异步电动机的双馈调速（DFM），又称转子侧变频调速，已有很长历史，特别是近年来随双馈风力发电技术的推广应用它更为人们熟悉。在双馈调速系统中，电机定子绕组接电网，转子绕组接变频器，通过改变变频器的输出电压和频率实现调速。由于流过变频器的功率是异步电机的转差功率，因此变频器的功率等于最大工作转差功率smaxPm.N（smax为最大工作转差率，Pm.N为电机额定功率），调速范围越窄变频器容量越小，例如若只要求转速在额定转速的±30%内变化，则变频器功率仅为电机额定功率的30%，用小功率变频器调节大功率电机转速是双馈调速的最大优点。除此之外，双馈调速还有下述优点：

1）用较低电压的变频器调节6 kV，10 kV或更高电压的电机转速。变频器额定输出电压按调速时最大转差对应的转子电压选取，等于smaxVro（Vro为堵转时的转子电压），绕线异步电动机的Vro小于定子电压，加之smax小，变频器电压远低于定子电压。若某6 kV电动机，Vro=1 140 V，smax=0.3，则smaxVro=342 V，选用380 V低压变频器就能满足该6 kV电动机的调速要求。由于变频器电压低，可采用简单的两电平或3电平拓扑，器件少，可靠性高。

2）通过调节转子电流中的磁化分量可调节电机的无功，甚至实现功率因数=1。

3）通过调节转子电流中的转矩分量可调节电机功率因数角φ和电机功率，φ<π/2时功率从电网流向电机去驱动负载，φ>π/2时电机的再生功率流回电网，双向功率流。

4）由于变频器容量小、电压低，它的EMI和网侧电流谐波小。

基于上述优点，它在泵和风机传动、风力发电，抽水蓄能和飞轮蓄能等机组中得到应用。

除了电机有滑环和电刷的缺点外，DFM的主要不足是不适合用于宽调速场合，调速范围大，smax大，它的变频器功率小和电压低的优点消失。人们希望找到一种方法，在保留DFM所有优点的同时，把调速范围扩大到100%，实现从零到最大转速的恒转矩调速。

切换型双馈调速（SDFM）是实现这期望的解决方案，它把整个调速范围分成高速和低速两段，分别采用不同工作模式：在高速段，定子接电网，转子接变频器，按常规DFM模式工作，称联网模式；在低速段，定子离网，改接直流励磁电源或三相短接，转子接变频器，电机变成一台定、转子功能互换的同步电动机或异步电动机，利用转子侧的变频电源实现从零到切换转速间的调速，称离网模式。美国麻省理工学院（MIT）推出低速段定子直流励磁的切换型双馈调速方案［1］，打算把它用于船舶推进传动。ALSTOM公司把低速段定子三相短接的切换型双馈调速方案用于300 MV·A抽水蓄能机组传动［2］。

在本文中，第1节介绍低速段定子直流励磁的切换型双馈调速系统的工作原理及文献［1］给出的部分研究结果；第2节介绍低速段定子三相短接的切换型双馈调速系统。

1　低速段定子直流励磁的切换型双馈调速系统（DE-SDFM）

为扩展调速范围，把整个调速范围分成高速和低速两段，分别采用不同工作模式：在高速段，绕线异步电机IM的定子绕组接电网，转子绕组接4象限变频器VSI，按常规DFM式工作，称联网模式（在文献［1］中叫AC MODE）；在低速段，定子离网，改接不可控直流励磁电源，转子接VSI，电机变成一台定、转子功能互换的同步电动机，利用转子侧的变频电源实现从零到切换转速间的调速，称离网模式（在文献［1］中叫DC MODE）。定子绕组电阻小，不可控直流励磁电源电压很低，相应容量也很小。系统图示于图1。

图1　DE-SDFM系统图Fig.1 Configuration of DE-SDFM system

电机转子旋转的角速度ωm等于定子磁链在气隙中旋转的角速度ωs与转子磁链相对于转子轴旋转的角速度ωr之差，

式中：ωm，ωs，ωr为相对值（标幺值），它们的基值是与电网频率对应的同步角速度。

在ωs固定时，借助VSI变频，改变ωr，便可实现调速。低速时（DC MODE），定子直流励磁，定子磁链在气隙中静止不转，ωs=0，ωm=-ωr；高速时（AC MODE），定子接电网，定子磁链在气隙中以同步速旋转，ωs=1，ωm=1-ωr。

文献［1］建议，把高、低速段的切换点设在ωm=ωsw=0.5处，在这点：最大工作转差率smax=0.5，变频器额定功率PVSI.N=0.5Pm.N（Pm.N为电机额定功率），转子电压Vr=0.5（标幺值，基值为堵转时的转子电压Vro），变频器额定电压按此值设计。

全调速范围的Vr，ωr和有功功率变化曲线绘于图2。0≤ωm<0.5时，DCMODE，ωs=0，ωr= -ωm<0，转子电流产生的转子磁链相对转子轴的旋转方向与转子轴的实际旋转方向相反，随变频器输出频率和电压数值从零升起，电机转速(ωm)随之线性增加。当ωm升至0.5时，从DC MODE切换至AC MODE，ωs从0变为1，ωr=1-ωm，由于此时ωm仍为0.5，所以ωr需从-0.5变为0.5，即需改变转子磁链相对转子轴的旋转方向，从与转子轴反向变为同向，变频器输出电压大小不变（=0.5），但反相序。完成切换后，随变频器输出频率减小，变频器输出电压随之减小，电机转速增大。全部AC MODE的调速范围又分次同步和超同步两段。0.5<ωm<1段为次同步，ωr>0，磁链相对转子轴的旋转方向与转子轴的实际旋转方向相同，随变频器输出频率和电压数值减小，电机转速增大，当它们降到零时（电压还剩转子电阻压降），ωm=1，电机转速等于同步转速。1<ωm< 1.5段为超同步，再次ωr<0，磁链相对转子轴的旋转方向与转子轴的实际旋转方向相反，随变频器输出频率和电压数值增加，电机转速线性增大，到ωr=-0.5时，Vr=0.5，ωm=1.5，由于转子电压升至变频器额定电压，这时的转速为调速范围上限。在整个0≤ωm≤1.5调速范围内，转子电压和频率数值之比都等于1，表明电机磁链维持额定值不变，是恒转矩调速。

图2　全调速范围的Vr,ωr和有功功率变化曲线Fig.2　 Vr,ωrand active power in whole speed range

电机轴功率Psh=定子功率Ps+转子功率Pr（电机额定功率Pm.N=1）。在DC MODE段，定子直流励磁，从定子输入的功率（定子功率Ps）=0（忽略定子电阻损耗），电机轴功率等于从转子输入的功率（转子功率），Psh=Pr，它们随转速增加而线性增大，到ωm=0.5时，它们增至0.5。在AC MODE的次同步段，定子接电网，从电网输入的定子功率Ps=1（电机额定功率），这功率中的一部分（转子功率）通过转子和变频器回馈给电网（转子功率Pr<0），另一部分通过电机轴输出（轴功率）。转子功率Pr等于电机转差功率，随转速从0.5升至1.0它从-0.5升至0（因转差从0.5减至0），随之轴功率Psh从0.5增至1.0。在AC MODE的超同步段，从电网输入的定子功率也是电机额定功率（Ps=1），由于这时转子功率是从电网输到转子（转子功率Pr>0），随转速从1.0升至1.5，转子功率Pr从0增至0.5，轴功率Psh从1.0增至1.5。从上述分析知，最大轴功率=1.5，最大转子功率= 0.5，它是最大轴功率的1/3。如果某负载要求在0～1 500 r/min范围中恒转矩调速，且在最高转速时功率=1 500 kW，只需选用1台1 000 kW/1 000 r/min的绕线异步机和1台500 kW的变频器便可胜任，变频器功率是电机额定功率的1/2，最大轴功率的1/3，变频器电压=0.5（转子堵转电压Vro的1/2）。

如何实现高、低速段两种工作模式的无冲击切换及平稳过渡是本系统的关键。文献［1］用了很大篇幅介绍如何通过控制转子电流和选择切换时刻来减小切换对系统的扰动。笔者认为此法可供参考，但不能直接套用。工业用功率开关都有动作和分断时间，必须把定子绕组先从一个电源完全分断再接通另一电源，不可能像文献介绍的那样，在某一时立即从一个电源转换到另一电源（文献中的电机功率仅1hp，1hp=745.700 W）。在设计切换控制时宜考虑下述原则：

1）从DC MODE到AC MODE的切换，直流励磁开关S3断开后，联网开关S2的合闸过程应和双馈风力发电的并网过程一样，通过调节转子电流使定子电压和电网电压幅值和相位相同，确认后才合闸（同期）；

2）从AC MODE到DC MODE的切换，联网开关S2断开后，通过调节转子电流使定子电压= 0，确认后才合直流励磁开关S3；

3）在切换点，于S2和S3都断开期间倒换变频器相序；

4）待研究，是否能在切换过程之初，通过调节转子电流减小尚闭合之开关中的电流，降低分断开关时的冲击；

5）为防止在切换转速附近运行时出现反复切换情况，切换点的设置应有滞环。

调速控制宜参照双馈风力发电控制策略，也采用的按定子磁链定向的矢量控制系统，因为联网工作（AC MODE）时定子磁链矢量可以通过积分电网电压获得，简单方便。该调速控制系统主要由下述几部分构成（见图3）：

1）转速调节块。主要由转速调节器及其输出限幅构成，该输出为转矩给定，除磁链幅值后得转子电流转矩分量给定irq*，它的极性反映电机是工作于电动状态还是再生状态。该控制块在高、低速两种工作模式中一样（若两种模式的转矩限幅不同，需作相应切换）。

2）转子磁化电流给定ird*计算块。它在高、低速两种工作模式中不一样：低速DC MODE时定子直流励磁，主要靠它产生定子磁链，由于励磁电源是不可控电源，磁链偏差由转子电流磁化分量ird来补偿，其给定值ird*来自磁链闭环调节器输出；高速AC MODE时定子接电网，定子磁链由电网产生且不可控，转子电流磁化分量ird影响电机定子电流无功分量及功率因数，其给定值ird*依据期望的无功电流或功率因数算出。为防止转子过电流，ird*需限幅，

3）转子电流控制块。借助2个PI调节器，在d-q坐标系分别控制ird和irq，使它们等于给定值。该控制块在高、低速两种工作模式中一样。

4）定子磁链观测器。它计算定子磁链矢量的幅值和空间位置角（与定子A相绕组轴线夹角），幅值信号Ψ供转速调节块和转子磁化电流给定ird*计算块使用，空间位置角减转子轴位置角得磁链矢量与转子A相绕组轴线夹角θr，供转子电流控制块使用。高速AC MODE时定子接电网，定子磁链矢量通过积分电网电压获得（电压模型）；低速DC MODE时定子直流励磁，定子磁链矢量用定、转子电流信号和电机参数计算出（电流模型）。在AC MODE时也可引入电流模型，协助解决电压模型的积分漂移问题。

图3　调速控制系统结构图Fig.3 Configuration of control system

1 hp/220 V电机的DE-SDFM装置的启动及加速过程（转速0～1 800 r/min）实验波形［1］示于图4，在转速=720 r/min（t=0.94 s）时进行从DC MODE到AC MODE的切换，在转速=1 200 r/min（同步转速）时从AC MODE中的次同步向超同步过渡，其中：图4a是转速波形，两种模式切换时转速无明显波动；图4b是定、转子电流波形，DC MODE时定子电流为直流电流，AC MODE时定子电流为电网频率交流电流，AC MODE时随转速增加转子电流频率先由大减至零然后再增大，反映从次同步向超同步过渡情况，由于只有A相电流波形，看不见从DC MODE到AC MODE切换时的转子电流相序变化。

图4　启动及加速过程实验波形Fig.4 Experimental results during motor start acceleration

2　低速段定子三相短接的切换型双馈调速系统（SC-SDFM）

和前面介绍的低速段定子直流励磁的切换型双馈调速系统（DE-SDFM）一样，本系统也把整个调速范围分成高速和低速两段，分别采用不同工作模式：在高速段，异步电机IM的定子绕组接电网，转子绕组接4象限变频器VSI，按常规双馈调速模式工作，称联网模式，也用AC MODE表示；在低速段，定子离网且三相短接，转子接VSI，电机变成1台定、转子功能互换的异步电动机，利用转子侧的变频电源实现从零到切换转速间的调速，称离网模式，用SC MODE（short-circuit mode）表示。系统图示于图5。本系统的工作原理与DE-SDFM系统非常接近，区别是，DE-SDFM在低速DC MODE时转子电流是直流电流，定子磁链在空间静止不动，本系统在低速SC MODE时定子磁链在空间以很低的定子转差角速度Δωs在旋转，相应转子电流是该角频率的低频交流电流，转子轴角速度ωm=-ωr+Δωs（DE-SDFM系统ωm= -ωr）。

图5　SC-SDFM系统图Fig.5 Configuration of SC-SDFM system

若把高、低速段的切换点设在ωm=ωsw=0.5处及忽略Δωs，图2所示之DE-SDFM全调速范围的Vr，ωr和有功功率变化曲线近似适用SC-SDFM（把图中DC MODE的改为SC MODE）。0≤ωm<0.5段为SC MODE段，0.5< ωm<1段为AC MODE次同步段，1<ωm<1.5段为AC MODE超同步段，在整个0≤ωm≤0.5调速范围内恒转矩调速，变频器功率近似等于1/3最大轴功率。

本系统（SC-SDFM）的高、低速段两种工作模式切换及过渡的设计原则与DE-SDFM系统基本相同，只是本系统在从SC MODE到AC MODE的切换过程之初可以通过调整变频器频率使定子转差角速度Δωs=0，相应定子电流=0，零电流分断开关S3。和DE-SDFM系统一样，本系统也采用的按定子磁链定向的矢量控制系统，只是在定子磁链观测器电流模型中的定子电流从直流变为定子转差频率交流。

不同于DE-SDFM，本系统（SC-SDFM）低速工作时（SC-MODE）定子无外励磁，电机的磁场全靠转子电流磁化分量ird来建立，需适当加大转子电流及变频器容量。常规绕线异步机在设计时没考虑此项要求，因此在将它用于SC-SDFM系统时需适当减小低速段轴转矩。也就是说，与DE-SDFM相比，SC-SDFM系统适合用于低速负载转矩较小场合。

某些负载机械，例如风机、泵、压缩机和抽水蓄能机组等，它们的工作转速范围窄，低速时负载转矩很小。若它们采用SC-SDFM系统，可以通过低速段弱磁来提高切换转速，扩大SCMODE段及缩小AC-MODE段，从而进一步降低变频器功率及电压。若低速SC-MODE时定子磁链=Ψsc<ΨN（额定磁链），高速AC-MODE时定子磁链=ΨN，切换时电机轴角速度ωm=ωsw，则在切换前后的转子电压分别为：ωswΨsc（SC-MODE）和（1-ωsw）ΨN（AC MODE），认为它们都等于变频器额定电压，由此推导出

超同步时电机轴最大角速度ωm.max=2-ωsw，最大轴功率=（2-ωsw）Pm.N。采用低速段弱磁措施后，变频器功率=（1-ωsw）Pm.N。

如果某负载要求在0～1 250 r/min范围中调速，最大轴功率=1 250 kW，在低速SC-MODE时磁链=ΨN/3，高速AC-MODE时磁链=ΨN，从式（2）算出ωsw=0.75，只需选用1台1 000 kW/1 000 r/min的绕线异步机和1台250 kW的变频器便可胜任，变频器功率是电机额定功率的1/4，最大轴功率的1/5，变频器电压是Vro的1/4。

ALSTOM公司把低速段弱磁的SC-SDFM技术用于300 MV·A抽水蓄能机组传动［2］，主电路示于图6。300 MV·A电机定子额定电压18 kV，转子接4套并联工作的3 kV 4象限3电平电压型变频器。正常工作时定子通过开关S2接电网—联网工作模式，启动时开关S2断开，S3闭合，定子三相短路—离网工作模式。电机空载启动，负载转矩非常小（<2.5%），因此在启动段（SC-MODE）电机深度弱磁，Ψsc/ΨN=1/8，AC-MODE调速范围约±10%。

图6　300 MV·A抽水蓄能电机主电路Fig.6 configuration of 300 MV·A pump-storage machine drive

3　结论

1）切换型双馈调速系统（SDFM）保留了常规双馈调速系统（DFM）的以小功率低电压变频器调节大功率高电压电机转速等优点，并克服了DFM调速范围窄的缺点，可以实现零至最高速的恒转矩调速。

2）SDFM把整个调速范围分成高速和低速两段，分别采用不同工作模式：在高速段，定子接电网，转子接变频器，按DFM模式工作—联网模式；在低速段，定子离网，改接直流励磁电源（DE-SDFM）或三相短接（SC-SDFM），转子接变频器，电机变成一台定、转子功能互换的同步电动机（DE-SDFM）或异步电动机（SC-SDFM），利用转子侧的变频电源实现从零到切换转速间的调速—离网模式。

3）与DE-SDFM相比，SC-SDFM较简单，但由于定子无外励磁，电机磁场全靠转子电流来建立，需适当减小轴转矩，适合用于低速负载转矩较小场合。

4）若负载机载的工作转速范围窄且低速时负载转矩很小，SC-SDFM系统可以通过低速段弱磁来提高切换转速，进一步降低变频器功率及电压。

5）由于技术相近，已掌握双馈风力发电技术的企业开发该SDFM系统很容易。

6）若切换平稳、可靠，SDFM适合用于起重提升传动，那里许多机械原用绕线机+电阻切换传动，且要求双向功率流。

参考文献

［1］Banerjee A. Control Architecture for a Switched Doubly Fed Machine Propulsion Drive［J］. IEEE Trans. on Ind. Appl.，2015（2）：1538-1550.

［2］Janning J. Next Generation Variable Speed Pump-storage Pow⁃er Station［C］//In Proc. 13thEPE2009，2009.

修改稿日期：2015-10-10

Switched Doubly Fed Induction Motor Drive System

MA Xiaoliang
（Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）（Former Name—Tianjin Design & Research Institute of Electrical Drive）

Abstract:Traditional doubly fed induction motor drive（DFM）can adjust high power and high voltage induction motor speed by means of a low power and low voltage converter connected with rotor，but its speed range is narrow. The introduced switched doubly fed induction motor drive（SDFM）not only has all advantages of the DEM，but also can extend speed range and adjust speed from zero to maximum with constant torque. In SDFM whole speed range is divided into high speed and low speed two sections. In high speed section stator is connected to grid and the machine works as DFM. In low speed section stator is disconnected from grid and it is connected to a DC excitation souse or short circuited，the motor works as a synchronous motor or asynchronous motor which stator and rotor functions are reversed. It is easy to develop the SDFM system for those businesses who have known doubly fed wind generator well.

Key words:switched doubly fed induction motor drive；wide speed range；constant torque；DC excitation；stator is short circuited

收稿日期：2015-08-26

作者简介：马小亮（1939-），男，教授级高工，博士生导师，Email：xlm-td@sina.com

中图分类号：TM343

文献标识码：A