本文討論了“雙饋”與“單饋”電機的區別，按電力電子學中電能轉換器的種類介紹了轉子附加電源（交流勵磁電源）的選擇原則，并對各類勵磁電源的性能及優缺點作了比較。

    關鍵詞：單饋電機 雙饋電機 超同步 雙向變頻電源

1 單饋電機與雙饋電機
    眾所周知，一般線繞型異步電動機轉子串電阻調速（圖1a）或按可控硅低同步串級調速（圖1b）其轉子調速（n）均低于定子同步轉速(n1),轉差功率（PS）都是從轉子繞組輸出，前者消耗在外接電阻上，后者回輸到電網上。

   通常，人們將這種定子由固定電源（一般為工頻電網電源）供電，轉子消耗或回收轉差功率的交流異步電動機稱為“單饋”電機。忽略電機損耗，設電機定子電磁功率為P1，電源相序為A-B-C ； 電機轉子繞組同步轉速為n2,(轉子三相電流相序為a-b-c)；轉子輸出機械功為PM,則單饋電機的功率與轉速關系為：
    P1=PM+PS ………………………………………①
    n=n1-n2 ………………………………………②
    欲使電機轉速超越同步轉速，根據電磁感應關系和電機穩定運行條件可知，電機轉子繞組應由另一套輸出電壓為Ef的獨立附加電源Sf（又稱交流勵磁電源）供電，并向轉子繞組輸入轉差功率PS，且勵磁相序應改為a-b-c（圖1c）。這種定、轉子繞組分別由各自交流電源供電的交流電機稱為“雙饋”電機。工作于超同步電動狀態的“雙饋”電機其功率及轉速關系為：
    P1+PS=PM ………………………………………③
    n=n1+n2 ………………………………………④
    “雙饋”與“單饋”電機本質區別是：“單饋”電機轉子繞組三相電流是感生的，輸出轉差功率PS（相當于“發電”），三相電流相序不能改變，只能實現低同步以下（n    在調速傳動中，線饒型電動機的應用并不少見，但作“雙饋”應用并不多，這是因采用“雙饋”雖可獲得比“單饋”更好的調速性能和技術、經濟指標，但需要增加一套獨立的雙向變頻電源Sf，且控制系統復雜。隨著電力電子技術的發展，數控技術和微機控制技術的滲透，雙饋調速也日益成熟，并得到推廣應用。
    2 “雙饋”電機的運轉狀態
    設“雙饋”電機定子回路供電電壓為U1，電流為I1；轉子回路電流為I2,勵磁電源Sf的輸出電壓為Ef；氣隙磁通為Φm ，轉子感應電勢為E2 ，忽略電機各部分損耗，則：
    定子側電磁功率：P1=3U1I1cosφ 1 …………⑤ (φ1為I1與U1相位差，即電機定子側功率因數) 
    轉子側轉差功率：PS=3E2I2 cosφ2 …………⑥（φ2 為I2與E2 相位差，即轉子側功率因數）
    勵磁電源容量：Pf≈PS=3EfI2 cosδ…………⑦ (δ為I2 與Ef 相位差，即勵磁電源Sf 的功率因數) 
    轉矩： M=KMI2Φm sinθ…………⑧（KM —轉矩比例系數，θ—I2 與Φm 相位差）
    當控制φ1 ，φ2 相位角時，可以控制功率P1 與PS 的流轉；當改變θ角時，可改變M的正負；當調節δ時，可調節勵磁電流的有功分量與無功分量，從而調節cosφ 1 。圖2示出了“雙饋”電機調節有功功率時（δ=0和180°時的）四種運轉狀態各量近似的相位關系。
    從圖2可知，雙饋電機運轉狀態的改變既有標量控制，又有矢量控制，當需要調節cosφ 1 時，δ=0～180°
    3 多級組合型勵磁電源
    為使電機獲得由低同步～超同步的無級調速性能和有功與無功獨立調節的運行特性，從上所述可知，作為“雙饋”調速轉子勵磁電源的基本條件是：功率可逆流轉，且輸出電壓及其電流的幅值、頻率、相位、相序均可調節。從理論上講，勵磁電源可分為二相，三相或多相，下面以選擇三相為例加以說明：
    3.1 晶閘管相控整流與有源逆變器組合電源（AC-DC-AC）：相控變流電源 （圖3）
    它由兩組完全相同的全控橋式整流電路組成，具有中間帶大電感濾波直流環節。電機側變流器Ⅰ和電源側變流器Ⅱ在傳遞轉差功率PS 時既可工作于“整流” 狀態（AC-DC），又可工作于（有源）“逆變”狀態（DC-AC）。變壓器T是考慮在一定調速范圍內轉子感應電壓與電網相互匹配而設置的。

   優點 采用電網換流，主控電路簡單，PS雙向控制易實現。
    缺點 勵磁電流為方波，存在較大諧波轉矩；在n→n1時電機側變流器Ⅰ無換流電壓，電機無法跨越同步轉速點，系統運行不穩定，需另采取特殊換流措施。. 
    3.2 可控整流器與電壓型SPWM逆變器組合電源(AC-DC-AC)：SPWM變頻電源(圖4)
    電源側變流器Ⅰ是三相全控AC↔DC相控整流器，電機側變流器Ⅱ是三相電壓型SPWM逆變器，具有電容濾波中間直流環節。前者為電網換流，后者為自換流逆變器,采用SPWM調制控制。
    優點 該組合電源能為轉子提供正弦電壓或電流，可消除低次諧波轉矩，可在同步轉速點平滑過渡。 
    缺點 低頻區輸出波形較差，動態性能較差，大容量裝置成本高。

   3.3 雙高頻PWM整流器組合電源(AC-DC-AC)：:雙向高功率因素高頻整流電源(圖5)
    在電源側與電機側各接一套三相高頻PWM整流電路，通過中間電容濾波直流環節連接起來。當PS 輸出轉子，電源側變流器Ⅱ用作高頻PWM整流(AC-DC)，電機側整流器Ⅰ將高頻PWM整流器轉化為”逆相”運行(DC-AC)，反之，亦然。

   優點 能向電機轉子提供三相正弦波勵磁電壓和電流，能使電源側電壓和電流為正弦波，且功率因素為1。
    缺點 可關斷器件讀，低頻特性差，成本高，控制較復雜。
    4 單級勵磁電源
    該類電源僅有一級電能轉換器組成。
    4.1 晶閘管相控型交~交直接變頻器(AC-DC)：直接變頻電源(圖6).
    圖6是三相零式AC/AC變頻電路,它是三相交~交變頻器最簡單的一種，由六組三相半波可控整流電路組成。主電路要用18個元件。在大容量系統中，要采用六組三相全控橋式整流電路，要用36個元件。在采用”余弦交迭法”對控制角(α) 進行”調制”控制時，可為轉子提供正弦勵磁電壓或電流。
    優點 電源無中間直流環節，變換效率高，勵磁電壓或電流接近正弦波，可減少低次諧波轉矩，控流無”死區”存在，低頻特性好。，
    缺點 主電路元件多，控制復雜，輸出f0僅為(1/2- 1/3)電源頻率。
    4.2 矩陣式AC/AC變頻電源(圖7)
    采用9個二端雙向全控逆導開關,(圖7b),按3×3矩陣排列,可組成三相→三相矩陣式變換器。這是一種”廣義電能轉換器”，采用高頻SPWM控制技術，通過不同控制算法可以變更矩陣結構形式,組成直-直斬波(DC-DC) ……用于雙饋電機”起動”; 組成直-交逆變（DC-AC）……用于雙饋電機“投勵”或低同步運行，組成交
    -直整流（AC-DC）……用于雙饋電機同步運行或超同步運行。采用矩陣式變換器可使雙饋電機多變量的協調控制和多運轉狀態的相互轉化大大簡化。
    優點 可使電機側電壓及電流為正弦波，電源側電流與電源電壓同相且為正弦波，調頻范圍不受限制，可直接通過升頻控制使電機反轉，靈活的電路結構變化，使變換器具有多種功能。
    缺點 可關斷器件多（18個），需按嚴格邏輯程序進行控制，技術不成熟，成本高。

   5 多功能勵磁電源（圖8）
    從4.2可知，雙饋電機為適應多變量解耦控制和多運轉狀態相互轉換，其勵磁電源要具有斬波、整流、逆變、變頻等多種功能，為簡化電源結構，減少開關元件，可選擇1~2個最基本、最重要的變換器為基礎，通過增減n個單向導電元件（二極管）和機械開關的換接以構成多功能變流器。例如可以選擇三相不可控整流橋和一套高頻PWM整流器作基礎，通過D1，D2和K1~K4轉換（見圖8），可獲得相控高頻PWM整流、斬波及逆變器四種功能，上述四功能變換器分別可適應雙饋調速“起動”、“低同步”、“同步”、“超同步”的需要。
    
    參考文獻：
    [1] 《泵站電機雙饋調速控制系統設計》 湖北工學院學報 2000.9 廖冬初 劉群 張杰等
    [2]《大中型電排站“提速增容”方案選擇》 電氣傳動自動化增刊 2001.8 劉群 張杰 廖冬初
    [3]《基于8XC196MC單片機的雙饋電機斬波與雙饋調速技術研究》 電機與控制學報，2002.6
    林成武 朱建光 王鳳翔
    [4]《電流型逆變器用于雙饋調速的實驗研究》　通信電源技術２００２.　 劉文軍 劉群 戴碧君
    [５]《超同步串級調速系統》　 電氣傳動自動控制　 同濟大學　 袁國華 陳德儉 趙錦標 孫澤昌　
    上鋼一廠 朱世照