双馈发电的电机原理研究.doc

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1、双馈发电的电机原理研究作者屈维谦（未经作者许可，请勿转载、引用）关键词双馈发电P理论转子有源附加电源附加功率附加转速理想转速作用反作用摘要“异步化同步发电机”（AsynchronizedSynchronousGenerator）和传统电机学理论未能科学揭示双馈发电的原理，并与事实不符，为此，本文根据能量转换与守恒，从功率、转矩、转速等三个角度提出双馈发电的P理论，其核心观点为：1.从功率角度，双馈发电基本原理在于，或，即通过附加电源向转子提供附加功率，以使转子输入的合功率大等于发电所必需的临界电磁

2、功率。2.从力学角度，异步机双馈发电必须满足电磁转矩与转速方向相反的条件，即T＜0，为此，要求转子有功电流和转子开路电势反相。这为双馈发电的电路原理提供了理论依据。3.从转速角度，双馈发电的转速n必须高于所对应的理想转速n0K，即n＞n0K，并且，n0K应随n的变化而调节。转子有源的理想转速方程可表达为，改变附加电势EK的大小及方向即可改变理想转速n0K。绪言——问题的提出由于能源的紧迫，以异步电机双馈为代表的风力发电正在迅速发展，显然，准确把握双馈发电的原理，对于其技术进步和产业发展具有重要的意

3、义。关于双馈发电的原理，目前较为流行的是国外提出的“异步化同步发电机”理论。该理论的核心观点是将双馈发电的原理归结为转子激磁，然而，电机激磁归根结底是感性无功的问题，而发电和电动则是有功的问题，两者在坐标上成正交，物理上属性完全不同，因此，以无功激磁来诠释双馈发电原理，有悖于基本的能量转换定律。另外，按照本文原理的双馈发电实验表明，即使双馈不采用转子激磁，异步电机仍由定子激磁，双馈依然可以实现发电，只是功率因数较低而已。可见，“异步化同步发电机”理论不仅原理上有待商榷，而且与事实不符。双馈发电原理

4、的传统诠释为电机学的转差率s（）理论，即l当s>0或nn1时，异步机为发电状态。然而事实上，双馈既存在s＞0,n＜n1的亚同步发电运行，也存在s<0，n＞n1的超同步电动运行，该事实与传统结论完全相反，证明传统电机理论并不适用于双馈原理。深入分析表明，传统电机学的异步电机理论也同样存在一些问题，其中的转差率理论——包括上面的运行状态判别，以及调速表达式等，只适用于转子无源的条件，而当转子有源时并不适用。双馈发电的科学原理究竟何在？作者在《交流调速的P理论

5、研究1》的论文基础之上对此进行了研究，从而对双馈发电原理给出了全新的诠释。限于篇幅，对于双馈发电的转子激磁以改善发电功率因数问题，以及系统的变流控制分析，本文未能涉及，拟另文阐述。1.异步发电机的功率转换原理——P理论能量转换与守恒是电机普遍遵守的基本原理，电机的所有运行状态（包括发电、电动、调速、制动等）实质都是能量转换的具体表现，功率是能量度量的物理量，能量转换及守恒具体表现为功率的转换与守恒，文中所谓的P理论，即是以功率转换和守恒分析电机运行原理的简称。1)异步电机的电磁功率电磁功率是电机极

6、为重要的物理量。根据电机原理，电——机能量转换必须在磁场的媒介作用下方能实现，所以，电机的气隙主磁场如同一个图1所示的能量耦合器，其中一端和机械系统相联，另一端和电源系统相联，两端的功率通过磁场耦合器实现相互转换和传输。图1电机的功率转换系统原理电机磁场耦合器所转换和传输的功率称为电磁功率，记为Pem，其表现形式有机、电两种，其中，机械形式普遍表达为，式中的n0为电机的理想转速；电气形式则普遍表达为，即电枢感应电势与电流之积。对于异步电机，其理想转速即旋转磁场的同步转速，故电磁功率的机械表达式为（

7、1）式中的T——电磁转矩；n1——同步转速。而电气表达形式为（2）式中的E2——折算成静止的转子相电势；I2——转子相电流；cosφ2——转子功率因数；m2——转子相数。异步电机转子的电磁功率通过电磁感应反映到定子，如果不考虑激磁电流的影响，电磁功率在定子侧表达为（3）式中的参数与上式对应，不再另外说明。注意，式1、2是电磁功率的不同表达形式，对于同一电磁功率，两种表达的数值相等。1)异步发电机的功率转换不等式基于能量守恒，并考虑到能量转换必然产生损耗，当异步电机发电运行时，其能量转换流程方向与电

8、动运行相反，且必须满足P2＞Pem＞P1（4）的功率转换不等式，其中P2——异步电机转子输入功率；P1——异步电机定子的输出功率；Pem——异步电机的电磁功率，即气隙主磁场的耦合功率。不等式4是基于能量守恒而得出的发电机普遍原理，也是异步发电机核心原理的体现。对于异步电机有源发电，发电机输入的机械功率表达为（5）式中的n为电机转速。对比式1的电磁功率，由于旋转磁场的转速（同步转速）为电源频率所确定，即有（6）式中，f1——定子电源频率；p——电机的极对数。对比式（5）与式（1），考