無刷雙饋型變速恒頻系統(tǒng)

雙饋電機的無刷化可采用兩種方式:

( 1) 雙電機級聯式
級聯式雙饋感應電機是一種過渡形式, 它由兩臺繞線式感應電機同軸串聯而成, 具有兩套分離的定、轉子繞組,兩臺電機通過轉軸和轉子電路的連接實現機械、電氣上的一體化, 以消除電刷。其中一臺機的定子直接連電網, 另一臺繞線式感應電機的定子通過變換器供電, 兩臺電機的轉子繞組不用滑環(huán)電刷而直接相聯, 控制變換器既可實現整個級聯電機的控制。由于其中一臺作為功率電機, 一臺作為控制電機, 因而控制與功率是獨立的磁路, 很容易實現有功、無功功率的解耦。但是數量巨大的繞組數, 使得在機組上的損耗很大, 所以效率低。

示意圖如圖4 所示。

( 2) 單電機無刷雙饋
系統(tǒng)如圖5 所示。采用單電機的無刷雙饋電機是在定子上安裝兩套極數不同的繞組, 一為功率繞組, 直接接電網; 另一為控制繞組, 通過雙向變換器接電網。兩套定子繞組在電路和磁路方面是解耦的。其發(fā)電機轉子為特殊設計無刷的籠型結構或者磁阻式結構, 轉子極數為定子兩個繞組極數之和, 通過限制磁通路徑, 以產生交、直軸方向上的磁阻差別, 來調制定子繞組產生的極數不同的氣隙磁場。

圖5 無刷變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)
無刷雙饋電機中定子的功率繞組和控制繞組的作用,相當于繞線式雙饋電機的定子繞組和轉子繞組, 單電機的無刷化比雙電機方案體積小、成本低, 其缺點是電機的設計比雙電機復雜。雖然兩種電機的運行機制不同, 但在控制上可以通過和繞線式雙饋電機同樣的策略實現:
fp±fc=( Pp+Pc ) fm式中: fp 是定子功率繞組電流頻率, 與電網頻率相同; fc是定子控制繞組電流頻率; Pp 是定子功率繞組的極對數; Pc是定子控制繞組的極對數。超同步時, 取“+”, 亞同步時取“- ”。當發(fā)電機轉速nm 變化時, 即fm 變化時, 若控制fc 相應發(fā)生變化, fp 將保持恒定不變, 從而實現了變速恒頻控制。此系統(tǒng)控制方案是在定子側實現的, 但流過定子控制繞組的功率僅為無刷雙饋型發(fā)電機總功率的一小部分, 這是由于控制繞組的功率為功率繞組功率的Pc / (Pp+Pc) , 雙向變換器的容量也僅為發(fā)電機容量的一小部分。這種控制方案除了可實現變速恒頻控制, 變頻器容量只占系統(tǒng)容量的一小部分, 還可以實現有功、無功功率的靈活控制, 對電網而言可起到無功補償的作用, 同時發(fā)電機本身沒有滑環(huán)和電刷, 既降低了電機的成本, 又提高了系統(tǒng)運行的可靠性。由于無刷雙饋電機兼有籠型、繞線型異步電機和電勵磁同步電機的共同優(yōu)點, 還可以調節(jié)功率因數和運行速度, 因此非常適合于變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。該項技術目前在國內不是十分成熟, 處于理論研究階段, 尚未進入工程實用階段。