交流勵磁電機在泵站中的應用研究

張振州

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 概 述

交流勵磁電機是將三相交流線繞式異步電機轉子通入三相交流電，使其產生磁力促使交流勵磁電機開始工作。交流勵磁電機中包含同步電機和異步電機的零件，因此也具有這兩者的功能。交流勵磁電流中的各種參數都能夠精準調控電機的轉柜、轉速以及電機定子側的無功功率和有功功率。隨著科學技術的發展，我國的交流勵磁電機技術應用非常成熟，已被廣泛推廣和使用在多個領域，具有很多功能。但交流勵磁電機技術還未運用在泵站中。

如今在我國的大型泵站中都是采用直流勵磁的立式同步電機，但將整個作為主電機，電機的功率會因為變負載發生很大的浮動，并且水泵使用范圍覆蓋小，需要調節水泵的葉片角度讓水泵能夠適應各種情景。因此，有些大型泵站因為揚程變化大，已經開始嘗試將交流勵磁電機作為泵站的主電機，采用交流勵磁電機技術。但是因為要采用變頻技術，所以需要大量的經費，目前還未廣泛應用。交流勵磁電機能夠精準控制轉速達到控制有功功率和無功功率的目的，所以能提升泵站的運行效率。

本文利用勵磁交流電機的運行理論建立一個全新的交流勵磁電機模型，采用定子磁場定向矢量控制的方案，采用仿真處理。結果表明，交流勵磁電機的運行效率高，并且可減少能源的損耗，降低泵機組的運行成本，擴大泵機組的功能效益。

2 勵磁控制理論

2.1 勵磁控制基本原理

按照供電方式差異，可以分成他勵和自勵。他勵供電方式，主要由發電機不通過電流為交流勵磁電機提供電源，在交流勵磁電機運行過程不受發電機狀態的干擾，相互獨立的運行各自的設備。而自勵供電方式是由發電機本身作為交流勵磁電機的電源，直接為電機提供交流勵磁電流，能夠快速運行以及便于維修?，F通過以下3個代表性系統說明交流勵磁電機的運行原理。

2.1.1 直流勵磁機勵磁系統

直流勵磁機勵磁系統由發電機(GS)、機端電流互感器(TA)、機端電壓互感器(TV)、發電機出口斷路器(QF)和勵磁調節器(AVR)共 5 部分構成。直流勵磁機運行首先需要電流，勵磁電流通過GS設備產生，然后輸送至AVR調節勵磁電壓。見圖1。

圖1 自勵式直流勵磁機勵磁系統示意圖

2.1.2 交流勵方式勵磁系統

交流勵方式勵磁系統比直流勵磁機勵磁系統擁有更先進的設備和儀器，如勵磁變壓器(T1)、可控硅整流器(U1)和硅整流器(U2)等機器。交流勵磁電機運行時，流通的電流需要利用變壓器和變流器將其轉換為交流勵磁電源，采用 U2 或 U1設備改變電流，最后需要將交流電流轉變為直流電流，運用電子整流技術能夠達到此目的。所有設備見圖2。

圖2 交流勵靜止勵磁系統示意圖

2.1.3 自并勵方式勵磁系統

自并勵方式勵磁系統比直流勵磁機勵磁系統也增加一些設備，功能更加全面，勵磁變壓器(T1)和可控硅整流器(U)等兩個部分，通過交流勵磁電機的出口能夠獲得勵磁電源需要的電壓，見圖3。

圖3 自并勵靜止勵磁系統示意圖

2.2 不同勵磁系統優劣比較

通過查閱相關文獻，研究交流勵磁電機的運行原理，整合所有的勵磁方式和控制方式，并分析其優點和缺點，為本次交流勵磁電機在泵站的應用提供必要的支持。具體比較內容見表1。

表1 勵磁系統優劣勢比較表

3 交流勵磁電機的控制策略和分析

對于交流勵磁電機來說，需要將實際的交流量分解成有功分量和無功分量來控制直流電動機的性能，因此交流勵磁電機的系統具有和直流電機運用的系統相似的特性，擁有閉環控制有功和無功功率的功能。實施針對性的策略，在同步旋轉坐標系中需要決定一個矢量作為定向矢量，因為定子磁場矢量不發生變化，所以將其作為定向矢量，然后將定子磁場方向定為d軸方向，而q軸必須比d軸超越90°。通過研究發現，采用工頻為50 Hz的發電機和電動機的定子繞組產生的電阻是所有工頻下最小的，近似為0，在相關計算上可以減少未知量，簡化計算過程。研究表明，當電網的頻率和電壓不變時，可決定出定子磁場的方向。

在同步旋轉坐標系中的定子瞬時有功功率P和無功功率Q的計算如下：

(1)

因為q軸比d軸超越90°，而且相電壓矢量也比磁場矢量超越90°，使相電壓矢量在q軸的正方向上，為了將電壓綜合矢量變為常數便于計算，所以需要將定子和頻率恒定的電網相連接能夠達到此目的。因此，在相電壓矢量處于q軸正方向的同步旋轉坐標系的瞬時有功功率P、無功功率Q的計算如下：

(2)

通過式(1)與式(2)可知，電機有功功率P和無功功率Q與定子電流有功分量Iqs和其無功分量Ids成正比關系。因此，能夠通過正比關系從而控制電流的有功和無功分量，進行精準調控電機的有功功率和無功功率。

轉子電流和轉子電壓的計算方程為：

(3)

(4)

(5)

則：

(6)

(7)

通過式(5)、式(6)、式(7)3個式子能夠將轉子電壓進行分解，就能從多個方面控制轉子電壓和電流，增強精準調控的效果。將Uqr、Uqr采用2/3變換方法，將電壓變為電子電壓量，通過產生相關的指令控制轉子勵磁電源，從而具有精準調控所有主電路的開關，進而為控制三相交流勵磁電源的頻率、大小和相位提供基礎。

本文采用電壓模型法進行磁場定向，磁鏈觀測器采用電壓模型并按以下公式構造：

(8)

(9)

式中：φMA為M軸與定子A相繞組軸線之間的夾角；φMa=φMA+θ，θ是A相與a軸線的夾角，利用檢測器測量兩個軸的夾角。

這種磁通觀測器具有許多優勢：①定子電壓非常穩定，易于后期檢測工作和積分計算。②該模型結構簡單，操作步驟也很簡單，得到的結果也很接近預期結果。

因為交流電機的轉子能量具有流動性，而且擁有雙向流動的特征，所以采用的變頻器必須要可以使轉子能量在電機和電網中相互交換，將變頻器和電源連接就能促使轉子能量進行流動。在實際中應用交流勵磁電機有重大發現：雙PWM交-直-交變頻器能夠高效率的輸出和輸入相關電流，能夠根據實際需求得到相應的正弦電流，能量是雙向流動的。交流勵磁電機的轉速范圍得到的轉差功率影響轉子電路的功率，相比大型泵站同步電機系統所采用的定子變頻設備，該設備不需要花費大量的資金?？刂瓶驁D見圖4。

圖4 按定子磁場定向的交流勵磁電機控制框圖

4 定子磁場定向控制方法的仿真研究

構建仿真模型時，需要采用Matlab中的電氣系統，主要利用模塊庫(PSB)模塊和Simulink模塊，實際運行的版本為Matlab7.0。交流勵磁電機仿真模型的定子側和轉子側都跟電網相互連接，但是兩者的連接方式不同，前者是直接連接，而后者需要采用雙PWM變流器間接連接。利用轉子側逆變器控制電機的轉速，通過控制定子磁場的方向達到調節的目的，通過控制測網電壓的交網側整流器達到調控直流電壓和電機的有功功率以及無功功率的目的。仿真所用的是一臺泵站用國產的2 000 kW/6 kV，50 Hz(P=12)的繞線式異步電機，定子Y接，定子額定電流201 A，額定轉速250 r/min,定子電阻0.003 79 Ω，轉子電阻0.003 14 Ω，轉動慣量945 kg·m2。通過仿真模型的實驗驗證，在電機平穩運行時，利用仿真技術研究了交流勵磁電機的有功功率和無功功率以及調節轉速，得出的仿真波形圖結果見圖5。

圖5 有功功率獨立調節仿真結果

由圖5可知，當給定有功功率在第3 s將100 MW增加為300 MW時，交流勵磁電機的轉速和功率仍然不變。而在電機轉速波形圖中，當交流磁力電機的轉速在第5 s將轉速245 r/min突增為255 r/min時，交流勵磁電機的有功功率和無功功率仍然不發生變化。通過仿真實驗得到的以上3個波形圖可知，采用該策略能夠獨立調節交流勵磁電機的有功功率、無功功率以及轉速。因此在泵站中，采用交流勵磁電機能夠精準、獨立控制設備的有功功率、無功功率以及轉速。

5 結 語

1)通過建立交流勵磁電機系統的仿真模型進行仿真實驗，發現交流勵磁電機能在不干擾其他參數的條件下，獨立調節有功功率、無功功率和轉速。因此在泵站中，采用交流勵磁電機作為主電機，通過變速運行使整個泵站運行處于高效狀態，保證泵站機器的運行速率，維持水泵高效運行的狀態。

2)仿真模型對實驗系統的建立提供了理論依據。而且水泵需要利用大量的能源促使其進行運轉，而采用交流勵磁電機能夠減少能源的損耗，降低水泵的運行成本，達到低成本運行的目的。因此，在泵站中使用交流勵磁電機是有著非常重要的意義。