风力发电机采用变速运行可使风力机最大限度的吸收风能，提高风力机运行效率，大容量的变速恒频风力发电系统是风力发电技术的主流方向，采用双馈异步发电机的变速恒频风力发电机组仍是目前的主流机型，在发电机构造栏目“双馈风力发电机构造”一节用一个双馈风力发电机的模型对基本构造作了介绍，图1是该双馈风力发电机模型的图片。

本节仅对双馈风力发电机是如何实现变速恒频的原理做简单介绍。

风速是不稳定的，风力机的风轮转速是在不停的波动中，经过增速箱增速的发电机转子转速跟随不断变化，采用普通交流发电机发出电的频率也是不断变化的。

要想交流发电机输出频率稳定的电压，就必须保持转子转速稳定，也就是保证发电机内旋转磁场转速的稳定。交流同步发电机转子产生的磁场相对转子是不变的，发电机转速变，输出电压的频率跟着变。如果转子产生的磁场相对转子可以旋转变化，也就是说转子转速变化不影响旋转磁场的转速，就可以解决这个问题。

举个例子，对于单极发电机输出电压频率为50Hz时，其内部旋转磁场的转速是50转/秒，如果转子也是50转/秒，则旋转磁场相对转子是静止的；当转子转速变为30转/秒时，让转子产生20转/秒的旋转磁场，两者转速加起来就能产生50转/秒的旋转磁场，就能发出50Hz的交流电；当转子转速变为60转/秒时，让转子产生10转/秒的反方向旋转磁场，两者转速加起来也能产生50转/秒的旋转磁场，就能发出50Hz的交流电来。

双馈异步发电机的转子绕有三相绕组，向转子绕组输入三相交流电就可以使转子产生相对转子的旋转磁场，就能完成上述的功能。

图2是演示双馈异步发电机的转子与定子与旋转磁场的动画截图，是一个单极发电机示意图，左图是转子与转子产生的磁场，磁场用两根紫色的磁力线表示，在动画中演示磁场相对转子的旋转（转子本身不旋转）；右边图是把该转子放入定子内，演示带旋转磁场的转子如何保证该磁场相对定子的转速是不变的。

      演示动画的说明：

为了发出50Hz的交流电，发电机内部旋转磁场的转速必须是50转/秒。

当转子是50转/秒，则旋转磁场相对转子是静止的，左边动画是静止的，右边动画转子与磁力线同步旋转，此种运行状态为同步速运行。

当转子转速降低为30转/秒时，让转子产生20转/秒的旋转磁场，右边动画中的磁场按20转/秒旋转，在左边动画中转子转速为30转/秒，合成磁场转速是50转/秒，此种运行状态为亚同步速运行。

当转子转速升为70转/秒时，让转子产生20转/秒的反方向旋转磁场，右边动画中的磁场按反方向20转/秒旋转，在左边动画中转子转速为70转/秒，合成磁场转速是50转/秒，此种运行状态为超同步速运行。

下面请观看这个演示动画，为了清楚的看清动画的变化，在该动画中转速约为实际的1/375，动画格式.mp4；分辨率800×480。

双馈异步发电机旋转磁场演示动画

双馈风力发电机组主要由风轮、增速箱、双馈异步发电机、交-直-交变流器、变压器、电力开关等组成，之间连接见图3。风轮经过增速后带动发电机，发电机定子绕组线端是发电机电力输出端，通过开关箱连接到交流电网；发电机转子绕组通过集电环连接到交-直-交变流器，变流器另一端连接变压器，变压器另一端通过开关箱连接到交流电网，交-直-交变流器的主要功能在本节后面有说明。

这样组成的系统，可在发电机转速低于同步转速40%与高于同步转速15%内正常运行。

在发电机转子处于亚同步运行时，如转速为30转/秒时，低于同步转速20转/秒，电网通过交-直-交变流器向发电机转子绕组输入20Hz的交流电，产生相对转子20转/秒的旋转磁场，该旋转磁场与转子共同产生50转/秒的合成磁场，使定子绕组发出50 Hz的交流电，电功率流向见图4。

在发电机转子处于同步运行时，转速为50转/秒，电网通过交-直-交变流器向发电机转子绕组输入直流电，产生相对转子固定的磁场，使定子绕组发出50 Hz的交流电，电功率流向见图5。

在发电机转子处于超同步运行时，如转速为60转/秒时，高于同步转速10转/秒，发电机转子绕组感生出反相序的10Hz交流电，交-直-交变流器把10Hz的反相序交流电转换为50Hz的交流电，通过变压器送往电网。由于转子绕组感生的10Hz的交流电是与定子绕组产生的交流电反相，使转子产生相对转子10转/秒的反向旋转磁场，该旋转磁场与转子共同产生50转/秒的合成磁场，使定子绕组发出50 Hz的交流电，电功率流向见图6。

下面请看由以上图片制作的双馈风力发电机组运行动画，为了清楚演示动画中电机转速的变化，动画对转速变化作了夸大。由于数据量较大，请耐心等待打开，若出现动画反转现象请下载到本地电脑播放。动画格式.mp4；分辨率900×600。

交-直-交变流器是一种变频器设备，采用两个PWM逆变电路背靠背组成，称为双向PWM逆变电路或双向变换器，接向电机集电环端的逆变电路称为机侧变换器，接向电网方的逆变电路称为网侧变换器。在双向变换器一侧输入交流电在另一侧可转换出不同频率、不同电压、不同相位的交流电；反方向也是一样。

大功率交-直-交变流器的价格非常昂贵，在双馈风力发电机组中的交-直-交变流器仅向转子绕组提供励磁电源，功率为发电机的25%已够用，相对全功率变流器价格便宜多了，这也是双馈风力发电机组的主要优点之一。

图7是双馈风力发电机组的主电路示意图，有关工作原理请另找资料查阅。