第一章 双馈电机的工作原理

第一章双馈电机的基本工作原理

设双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，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的磁场，这个旋转磁场的转速1n 称为同步转速，它与电网频率1f 及电机的极对数p 的关系如下：

p

f n 1

160=

（1-1）

同样在转子三相对称绕组上通入频率为2f 的三相对称电流，所产生旋转磁场

相对于转子本身的旋转速度为：

p

f n 2

260=

（1-2）

由式1-2可知，改变频率2f ，即可改变2n ，而且若改变通入转子三相电流的

相序，还可以改变此转子旋转磁场的转向。因此，若设1n 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，则只要维持常数==±12n n n ，见式1-3，则双馈电机定子绕组的感应电势，如同在同步发电机时一样，其频率将始终维持为1f 不变。

常数

==±12n n n

（1-3）

双馈电机的转差率1

1n n n S -=，则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率

应为：

S

f pn f 12260

==

（1-4）

公式1-4表明，在异步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（即S f 1）的电流，则在双馈电机的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。

根据双馈电机转子转速的变化，双馈发电机可有以下三种运行状态：

1. 亚同步运行状态：在此种状态下1n n <，由转差频率为2f 的电流产生的

旋转磁场转速2n 与转子的转速方向相同，因此有12n n n =+。 2. 超同步运行状态：在此种状态下1n n >，改变通入转子绕组的频率为2f 的

电流相序，则其所产生的旋转磁场的转速2n 与转子的转速方向相反，因此有12n n n =-。

3. 同步运行状态：在此种状态下1n n =，转差频率02=f ，这表明此时通入

转子绕组的电流频率为0，也即直流电流，与普通的同步电机一样。

1.1等效电路

下面从等效电路的角度分析双馈电机的特性。首先，作如下假定： 1. 只考虑定转子的基波分量，忽略谐波分量；

2. 只考虑定转子空间磁势基波分量；

3. 忽略磁滞、涡流、铁耗；

4. 变频电源可为转子提供能满足幅值、频率、功率因数要求的电源，不计

其阻抗和损耗。

在等效电路中，发电机定子侧电压电流的正方向按发电机惯例，转子侧电压电流的正方向按电动机惯例，电磁转矩与转向相反为正，转差率S 按转子转速小于同步转速为正，参照异步电机的分析方法，可得双馈发电机的等效电路，如图1-1所示：

图1-1 双馈发电机等效电路图

根据等效电路图，可得双馈发电机的基本方程式：

⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=-==⎪⎪⎭

⎫

⎝

⎛++-=+--=m m m I I I jX I E E jX s R I E s U jX R I E U

'21

'21'2

'2'2'2'

211111)()( （1-5）

式中：

● 1R 、1X 分别为定子侧的电阻和漏抗

● '2R 、'2X 分别为转子折算到定子侧的电阻和漏抗

● m X 为激磁电抗

● 1U 、1E 、1

I 分别为定子侧电压、感应电势和电流 ● '2E 、'2

I 分别为转子侧感应电势，转子电流经过频率和绕组折算后折算到定子侧的值。

● '2U 转子励磁电压经过绕组折算后的值，s U /'2 为'2

U 再经过频率折算后的值。

1.2功率传输关系

假设风力机轴上输入的净机械功率（扣除损耗后）为m P ，发电机定子向电网输出的电磁功率为1P ，转子输入/输出的电磁功率为2P ，s 为转差率，转子转速

小于同步转速时为正，反之为负。

由于转子电磁功率122222*sP I sE I E P s ===，因此，转子电磁功率又称为转差功率。机械功率121)1(P s P P P m -=-=。在上述两公式的基础上，计算电磁转矩与机械转矩。

11

111

1

)1(T n P n

P n

P s n P T n n m m ==

=

-=

=

（1-6）

由式1-6可见，机械转矩与电磁转矩在数值上其实是相等的。

1.2.1 超同步运行状态

顾名思义，超同步就是转子转速超过电机的同步转速时的一种运行状态，我们称之为正常发电状态。（因为对于普通的异步电机，当转子转速超过同步转速

时，就会处于发电机状态）

图1-2 超同步运行时双馈电机的功率流向

由于发电机是超同步运行，所以0

剩余的功率通过转子电磁功率2P 输到电网。

1.2.2 亚同步运行状态

即转子转速低于同步转速时的运行状态，我们可以称之为补偿发电状态（在亚同步转速时，正常应为电动机运行，但可以在转子回路通入励磁电流使其工作于发电状态）

图1-3 亚同步运行时双馈电机的功率流向

由于发电机是亚同步运行，所以0>s ，此时机械功率m P 小于定子电磁功率1P ，

需要通过转子电磁功率2P 输入部分功率，不足两者之间的功率差。