异步电机双馈调速系统
双馈异步发电机
有刷双馈式异步发电机有刷双馈式异步发电机双馈式异步发电机实际是异步感应电机的一种变异，双馈异步发电机通常为4极或6极，转速为1500r/min、1000r/min，如此高的转速是通过多级增速齿轮箱来实现的。
这种发电机始于上世纪80年代，日本日立公司、东芝公司和前苏联在这种发电机的研制和开发中都作出了显著的贡献。
目前美国GE能源、德国Fuhrländer等公司的很多风力发电机产品，采用变速双馈风力发电的技术方案。
我国甘肃兰州电机有限责任公司、北车集团永济电机厂、四川东风电机厂有限公司也都先后研制成功了兆瓦级双馈式异步发电机。
双馈式电机分鼠笼式和绕线式两种。
但是，鼠笼式感应发电机因其无法最大限度地利用风能，在风力发电机组中没有得到广泛应用。
在风力发电机组中多选用绕线转子感应异步发电机，这种发电机在结构上与绕线式异步电机相似，由绕线转子异步发电机和在转子电路上带交流励磁器组成，定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，这种带滑环的双馈式电机被称之为有刷双馈发电机。
双馈式电机的定子接入电网，通过PWM(脉宽调制)AC-DC-AC变频器向发电机的转子绕组提供励磁电流，为了获得较好的输出电压电流波形，输出频率一般不超过输入频率的1/3。
其容量一般不超过发电机额定功率的30%，通常只需配置一台1/4功率的变频器。
其原理图如图1所示。
双馈式异步发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过变频器从转子输出的功率。
风力机的机械速度是允许随着风速而变化的。
通过对发电机的控制使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使整个运行速度的范围内均有最佳功率系数。
双馈式异步发电机的变速运行是建立在异步电机基础上的，众所周知异步电机既可作为电动机运行，也可作为发电机运行。
我们将转子转速n与同步转速ns的差值定义为转差，转差与同步转速之比的百分值定义为转差率。
在作电动机运行时，异步电动机转子的转速只能是略低于同步转速，此时产生的电磁转矩与转向相同，转差率＞0。
双馈异步电机工作原理
双馈异步电机工作原理双馈异步电机是一种特殊类型的异步电机，其工作原理是通过在转子绕组上接入一个附加回路（称为双馈回路），来改变转子电流和磁场，从而实现调节转矩和速度的目的。
双馈异步电机的转子绕组通常由一个固定在转子上的双馈绕组组成，该绕组由若干套波纹形状的金属环组成。
当电机工作时，通过定子的电流产生的旋转磁场会感应出转子绕组中的电动势。
双馈绕组上的金属环构成一个闭合回路，电流会从定子绕组流入转子绕组，形成一个旋转电流环。
双馈绕组中的旋转电流环会在旋转的磁场作用下，产生一个旋转磁场。
这个旋转磁场与定子绕组的旋转磁场相互作用，形成一个增强或减弱的磁场。
这个增强或减弱的磁场会影响到电机的转矩和速度。
当电机需要增大转矩时，可以通过调节双馈绕组的电流来改变转子磁场的强度。
通过调节双馈回路中的电阻、电感、电容等参数，可以实现对转子电流的控制，从而调节磁场的大小和方向。
当磁场增强时，电机的转矩也随之增大，反之亦然。
双馈异步电机还可以通过调节旋转电流环的位置来改变转子磁场的相位和方向。
通过调节双馈绕组上的金属环的位置，可以改变旋转电流环的位置，进而改变旋转磁场的相位和方向。
这样一来，电机的转矩方向也可以随之改变。
双馈异步电机的优点在于可以通过调节转子绕组上的双馈回路，实现对电机转矩和速度的调节。
这种调节方式相对简单，且具有较高的效率。
同时，双馈异步电机还具有很好的过载能力和起动性能，适用于大功率、恶劣工况下的应用。
总体来说，双馈异步电机的工作原理是通过调节转子绕组上接入的双馈回路，来控制转子磁场的大小、方向和相位，从而实现对电机转矩和速度的调节。
这种调节方式简单有效，适用于大功率、恶劣工况下的应用。
异步电机双馈调速工作原理
异步电机双馈调速工作原理首先，异步电机双馈调速的基本工作原理是通过降低转子电压的频率来调整转子的转速。
根据电机的转子电压等于输入电压减去转子电流的电压降，通过降低转子电压的频率，可以实现转子转速的调整。
具体来说，通过改变额外绕组的电压和频率，调整电机的转子电压和转速。
当降低转子电压的频率时，转子电流的幅值减小，转子电力降低，转子的转速也随之降低。
反之，当增加转子电压的频率时，转子电流的幅值增加，转子电力增加，转子的转速也随之增加。
其次，异步电机双馈调速还包括电流均分控制。
电流均分控制是指通过调整额外绕组的电压和频率，使额外绕组的电流分布均匀，使得转子的各个绕组受到的转矩相等。
通常情况下，额外绕组的电流分布不均匀，可能导致转子产生额定转矩以下的转矩。
电流均分控制可以通过调整额外绕组的电压和频率，使得额外绕组的电流分布均匀，从而实现转矩均分，提高电机的工作效率。
最后，异步电机双馈调速还涉及到转矩控制。
转矩控制是指在转速调整的同时，实现对电机输出转矩的控制。
通过改变额外绕组的电压和频率，可以调整转子的电磁转矩大小。
一般来说，转子电压越大，额外绕组电压越大，电磁转矩也越大。
通过控制额外绕组的电压和频率，可以实现对电机输出转矩的控制，使电机能够适应不同负载条件下的需要。
需要注意的是，异步电机双馈调速需要额外安装绕组和调速装置，相比于普通的异步电机，成本和复杂度都会有相应的增加。
但由于其实现了转速和转矩的调控，使得电机能够适应不同负载条件和工作需求，广泛应用于风力发电、轨道交通等领域，成为现代工业中常见的调速技术之一综上所述，异步电机双馈调速的工作原理包括转子电压降频调整、电流均分控制和转矩控制三个方面。
通过调整额外绕组的电压和频率，可以实现电机的转速和转矩的调节，从而适应不同工况和需求。
这项技术的应用在现代工业中具有重要的意义，可以提高电机的工作效率和稳定性，减少能源的消耗。
21双馈调速原理
运动控制系统专题报告说明书题目：绕线式异步电动机双馈调速系统专业班级：电气自动化03班学号：姓名：指导教师：成绩：2014年6月16日至6月30日一．双馈调速原理双馈调速理论是从串级调速理论发展而来，针对串级调速系统不能实现能量的双向流动和功率因素低的缺点进行了改进。
两者所使用的原理是相同的，即利用在电机转子上附加电势实现电机的速度调节。
只不过串级调速系统只能实现与电机感应电势反方向的附加电势，而双馈调速系统要实现附加电势的频率、幅值、相位的完全控制。
1．1附加电势的种类根据异步电动机的特性，从转予电流表达式：可以看出，在转子电流，，基本不变的情况下，改变转子侧外加电压玑，可以改变转差率S 。
这就是为什么附加电势能够调节电机转速的原因，因此对电机转速的控制问题就变成了对外加电压U ，的控制问题。
异步电动机的外加电压矢量U ，有三种典型方向可以使用 (1)U 2与转子感应电势E 20s 同相 (2)U 2与转子感应电势E 20s 反相 (3U 2超前转子感应电势姬，E 20s 90度其中，与转子感应电势E 20s 同相和反相的外加电压U2的作用是使电机转速升高和降低，超前转子感应电势 E 20s 90度的外加电压U2的作用是改善电机定子侧功率因数。
在实际控制时，外加电压的相位可以是以上两种典型方向的矢量合成，但必须保证外加电压与转子感应电势频率相同。
下面用图示的方法说明各种附加电势对系统的影响：(1)异步电动机正常运行时的矢量关系如图1．1(a)所示。
其中忽略异步电动机的定子阻抗z 1后有.1U ≈-.1E =.2sE 电机定子电流.m .2.1I I I -+=电机定子、转子的功率因数角分别为α,β。
(2)附加电势与转U2与转子感应电势E 20s 同相时的矢量关系如图1．1(b)所示。
由于电网电压没有变化，迫使电机转子合成电势的折算值.2sE保持不变，即满足.2..22.ESUsE+=随着附加电势折算值U2的增大，系统新的转差率S会随之减小，即电机转速升高。
绕线转子异步电动机双馈调速系统
此时功率变换单元CU得组成如图7-3a所示,其中 CU1就是整流器,CU2就是有源逆变器。对于工况4 和5,电动机转子要从电网吸收功率,必须用一台变 频器与转子相连,其结构如图7-3b,CU2工作在可控 整流状态,CU1工作在逆变状态。
Er sEr0
(7-1)
式中s ——异步电动机得转差率;
Er0 ——绕线型异步电动机转子开路相电动势, 也就就是转子开路额定相电压值。
7、1、1 绕线转子异步电动机 转子附加电动势得作用
图7-1 绕线型异步电动机转子附加电动势得原理图
转子相电流
在转子短路情况பைடு நூலகம்,转子相电流得表达式为
Ir
sEr0 Rr2 (sX r0 )2
绕线转子异步电动机双馈调速方法早在20世纪30年 代就已被提出,到了60~70年代,当可控电力电子器 件出现以后,才得到更好得应用。
7、1 绕线转子异步电动机双馈 调速工作原理
异步电动机由电网供电并以电动状态运行时,她 从电网输入(馈入)电功率,而在其轴上输出机械 功率给负载,以拖动负载运行。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交
11
7、1、2 绕线转子异步电动 机双馈调速得五种工况
在绕线型异步电动机转子侧引入一个可控得附加 电动势并改变其幅值,就可以实现对电动机转速 得调节。
可控附加电动势得引入必然在转子侧形成功率得 传送,既可以把转子侧得转差功率传输到与之相 连得交流电源或外电路中去,也可以就是从外面 吸收功率到转子中来。
7、2、1串级调速系统得工作原 理
双馈异步发电机 工作原理
双馈异步发电机工作原理
双馈异步发电机是一种常用于风力发电系统的发电机，其工作原理是利用两个独立的电路，即主回路和辅助回路，来实现有效的变速调节和发电功率控制。
主回路是由发电机的定子绕组和电网组成，它负责将发电机产生的电能传输到电网中。
辅助回路由辅助回路绕组和产生逆变电压的逆变器组成。
辅助回路将逆变后的电能送回到发电机的转子绕组中，这样就形成了发电机的双馈结构。
通过控制逆变器输出的电压和频率，可以实现对发电机的转速和功率的调节。
在运行过程中，双馈异步发电机的转子绕组通过转速传感器等装置实时监测转子的转速，并将转速信号传输给控制系统。
根据所设定的转速和功率要求，控制系统通过调节逆变器的输出电压和频率，来控制转子的转速。
具体地说，当风能资源较为丰富时，控制系统会提高逆变器的输出电压和频率，从而提高转子的转速。
反之，当风能资源较为稀缺时，控制系统会降低逆变器的输出电压和频率，使转子的转速下降。
通过灵活地调节逆变器的输出，双馈异步发电机能够在不同的风力条件下运行，并始终保持较高的发电效率。
总的来说，双馈异步发电机通过在转子回路中引入辅助回路，并通过逆变器来调节转子的转速和功率，实现了对风力发电系统的灵活控制。
这种发电机具有高效、可靠和可变风速工作范围宽等优点，成为风力发电系统中常用的发电设备之一。
双馈异步发电机原理最好的讲解
双馈异步发电机工作原理一、先知道什么是双馈风力发电机双馈发电的意思就是指感应电机的定子、转子同时能发出电能，双馈发电机其转子和定子都最终连于电网，转子与定子都参与励磁，其定子和转子都可以与电网有能量的交换。
二、双馈异步发电机的原理是通过叶轮将风能转变为机械转矩，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。
如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。
双馈发电机正是由叶片通过齿轮箱变速，带动以达到定子侧输出相对完美正弦波，同时在额定转速下，转子侧也能同时发出电流，已达到最大利用风能效果。
三、特点1、由于定子直接与电网连接，转子采用变频供电，因此，系统中的变频器容量仅仅取决于发电机运行时的最大转差功率，一般发电机最大转差功率为25%-35%，因而变频器的最大容量仅为发电机容量的1/4-1/3，这样系统的总体配置费用就比较低。
2、具有变速恒频的特性。
3、可以实现有功功率和无功功率的调节。
四、如何实现变速恒频。
设双馈发电机的定子转子绕组为对称绕组，电机的极对数为P，根据旋转磁场理论，当定子对称三相绕组施以对称三相电压，有对称三相电流流过时，会在电机的气隙中形成一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速n1为同步转速，它与电网频率f1及电机的极对数p的关系如下：n1=60f1/p ,同样在转子三相通入频率为f2的三相对称电流，所产生的旋转磁场速度为n2=60f2/p,改变f2即可改变n2，而且若改变通入转子三相电流相序，还可以改变此转子旋转磁场的转向，因此若设n1为对应于电网频率为50Hz时双馈发电机的同步转速，而n为电机转子本身的旋转速度，则只要维持n±n2=n1=常数，则双馈电机定子绕组的感应电势如同在同步发电机一样，其频率将始终维持为f1不变。
双馈发电机的转差率s=(n1-n)/n1 ,则双馈发电机转子三相绕组内通入的电流频率应为f2=pn2/60=p(n1-n)/60=p(n1-n)/n1*n1=pn1/60*(n1-n)/n1=f1*s上式表明：在异步发电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率为f1*s的电流，则在双馈发电机定子绕组中就能产生50Hz的恒频电势，所以根据上述原理，只要控制好转子电流的频率，就可以实现变速恒频发电了。
运动控制—期末复习部分简答题
●1.简述异步电动机双馈调速的五种工况。
答：①电机在次同步转速下作电动运行。
从定子侧输入功率，轴上输出机械功率，而转速功率在扣除转子消耗后从转子侧馈送到电网，由于电机在低于同步转速下工作，故称为次同步转速的电动运行；②电机在反转时作倒拉制动运行。
在反相附加电动势与位能负载外力的作用下，可以使电机进入倒拉制动运行状态；③电机在超同步转速下作回馈制动运行。
进入这种运行状态的必要条件是有位能性机械外力作用在电机轴上，并使电机能在超过其同步转速n1的情况下运行；④电机在超同步转速下作电动运行。
绕线转子异步电机在转子中串入附加电动势后可以再超同步转速下作电动运行，并可使输出超过其额定功率，这一特殊工况正是有定，转子双馈的条件形成的；⑤电机在次同步转速下作回馈制动运行。
为了提高生产率，很多工作机械希望其电力拖动装置能缩短加速和停车的时间，因此必须是运行在低于同步转速电动状态的电机切换到制动状态下工作。
●2.简述转速反馈闭环调速系统的三个基本特征答：①只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的；②反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定，扰动性能是反馈控制系统最突出特征之一；③系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。
●3.简述双闭环直流调速系统启动过程的三个阶段和三个特点：答：⑴三个阶段：第一阶段（0~t1)是电流上升阶段；第二阶段(t1~t2)是横流升速阶段；第三阶段（t2以后）是转速调节阶段。
⑵三个特点：①饱和非线性控制。
随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现未不同结构的线性系统，只能采用分段线性化得方法来分析，不能简单的用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单的用线性控制理论来笼统的设计这样的控制系统；②转速超调。
当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调；③准时间最优控制。
●4.简述双闭环直流调速系统中转速调节器和电流调节器的作用。
答：⑴转速调节器的作用①转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差；②对负载变化起抗扰作用；③其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
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且有：
imd isd ird
(7-38)
Lmimd md
(7-39)
imq isq irq
(7-40)
Lmimq mq
(7-41)
磁链定向
在双馈调速系统中常用定子磁链定向或
7.6.1 双馈调速系统的构成
要在任何转速下使变频器输出电压与电机 转子感应电动势都有相同的频率，对变频器 输出的频率有两种控制方式：
他控式
自控式
1. 他控式双馈调速系统 系统组成
图7-21 他控式双馈调速系统原理图
工作原理
由独立的控制器控制变频器的输出频 率，即直接控制输入电机转子的电压频率 f2 。由于 f2 满足 f2 = s f1 的关系式，所以 电机一定在对应于 s 的转速下运行，且不 随负载变化。
概述
上述的异步电动机串级调速系统是从定 子侧馈入电能、从转子侧馈出电能的系统， 从广义上说，它也是双馈调速系统的一种。
但人们往往狭义地认为双馈（Double Fed）就是从定子侧与转子侧都馈入电能的 -1-2节的分析可知，异步电机双馈 工作时，其转子电路应连接一台变频器作 为功率变换单元，以供给转子绕组所需频 率的电功率，控制这个电功率即可实现调 速。
性能评价：
由于对变频器的输出可以自动控制，使 系统有较强的调节能力，稳定性也较好， 可以避免失步现象，所以可用于有冲击性 负载的场合。这种方式还具有调节电机定 子侧无功功率的功能。
*7.6.2 双馈调速系统的矢量控制
问题的提出
双馈调速系统可以看作是异步电动机转 子变压变频调速系统，为改善系统的动态 品质，可以仿照定子变压变频系统那样采 用矢量控制方法，建立对电磁转矩的控制 规律。
课程开始
坐标变换
将三相异步电动机的数学模型变换到以 同步转速旋转的dq 两相坐标系后，可得到 异步电动机 d 轴和 q 轴的动态等效电路， 如图7-23所示。
等效电路
a） d轴电路
b） q轴电路
图7-23 异步电动机在dq坐标系上的动态等效电路
电路方程
图7-23中，Lm是联系定转子电磁关系的互感，
气隙磁链定向，现在取按气隙磁链 m 定向， 即把 d 轴取在 m 方向上，则
md m
(7-42)
mq 0
(7-43)
电流关系式
将式（7-39）、式（7-42）代入式（7-38），可
得
isd
m
Lm
ird
(7-44)
再将式（7-41）、式（7-43）代入式（7-40）， 可得
isq irq
这台变频器可以用交-直-交变频器或交交变频器，在双馈调速时常用后者。
由于双馈调速系统与串级调速系统相似 都适用于大功率、有限调速范围的场合， 一般调速范围仅为1.4~1.5。
交-交变频器是一种功率可双向传输的静 止变频器，只有一次功率转换，适用于大 功率变频场合，其输出频率仅为输入频率 的1/3~1/2，所以用于双馈调速是合理的。
(7-45)
转矩方程
根据在dq坐标系上异步电动机电磁转矩的表达式
Te np Lm (isqird isdirq )
(6-107)
把式（7-44）与式（7-45）代入上式，得
Te
np Lm irqird
Lmm
ird
irq
np mirq
(7-46)
控制原理
式（7-46）表明，若能维持气隙磁通 m
性能评价：
他控式双馈调速中会出现同步电动机中 存在的突加负载时易失步等缺陷，所以它 只适用于负载平稳、对调速的快速性要求 不高的场合，如风机、泵类负载，在实际 中应用很少。
2. 自控式双馈调速系统
系统组成
图7-22 自控式双馈调速系统原理图
工作原理
异步电机转子的输入频率是通过控制器 自动控制的，这个输入频率应能自动跟踪 电机的转差频率，所以须有相应的检测装 置与反馈控制环节。 自控式双馈调速电机与一般异步电机相同， 其转速随负载变化，但它还具有调节电机 定子侧无功功率的功能。
为恒值，则 Te 与 irq 成正比，只要控制转 子电流的 q 轴分量就可以控制电磁转矩，
负号表明 Te 是作用在转子本身的反作用 转矩。
为了使 m 为恒值，必须设置磁链观测器和
有关的反馈控制系统，对此在文献 [ 61、
62 ] 中有较详细的讨论。
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本章小结
通过本章学习，主要了解和掌握异步电 机双馈运行的条件和工作原理，掌握五种 工况及其功率流程。在此基础上，熟悉和 掌握异步电机串级调速和双馈调速系统的 组成及控制方法。