เครื่องจักรไฟฟ้าแบบป้อนกระแสสองทางหรือเครื่อง กำเนิด ไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบป้อนกระแสสองทาง (DFIG) หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบวงแหวนลื่นคือมอเตอร์ไฟฟ้าหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ ขดลวด แม่เหล็กสนามและ ขดลวด อาร์มาเจอร์ต่อแยกกันกับอุปกรณ์ภายนอกเครื่องจักร

โดยการป้อน พลังงานไฟฟ้ากระแสสลับความถี่ปรับได้ไปยังขดลวดสนาม แม่เหล็ก จะทำให้สนามแม่เหล็กหมุนได้ ซึ่งช่วยให้สามารถปรับความเร็วของมอเตอร์หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้ วิธีนี้มีประโยชน์ เช่น สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้ในกังหันลม[ 1 ^{]เครื่องจักรไฟฟ้า}แบบป้อนกระแสสองทางยังใช้ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับที่มีความเร็วแปรผันได้ อีกด้วย ^{[ 2 ]}นอกจากนี้ กังหันลมแบบ DFIG ยังมีความสามารถในการควบคุมกำลังไฟฟ้าแอคทีฟและรีแอคทีฟได้อีก ด้วย ^{[ 3 ] [ 4 ]}

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบป้อนกระแสสองทางนั้นคล้ายกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ แต่มีคุณสมบัติเพิ่มเติมที่ช่วยให้สามารถทำงานที่ความเร็วสูงกว่าหรือต่ำกว่าความเร็วซิงโครนัสตามธรรมชาติได้เล็กน้อย สิ่งนี้มีประโยชน์สำหรับกังหันลมขนาดใหญ่ที่ปรับความเร็วได้เนื่องจากความเร็วลมสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างฉับพลัน เมื่อลมกระโชกแรงพัดกระทบกังหันลม ใบพัดจะพยายามเร่งความเร็ว แต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสถูกล็อกไว้ที่ความเร็วของโครงข่ายไฟฟ้าและไม่สามารถเร่งความเร็วได้ ดังนั้นจึงเกิดแรงมหาศาลในแกนหมุน เกียร์ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เนื่องจากแรงต้านจากโครงข่ายไฟฟ้า สิ่งนี้ทำให้เกิดการสึกหรอและความเสียหายต่อกลไก หากปล่อยให้กังหันลมเร่งความเร็วทันทีเมื่อถูกลมกระโชกแรงพัดกระทบ ความเครียดจะต่ำกว่า และพลังงานจากลมกระโชกแรงยังคงถูกแปลงเป็นไฟฟ้าที่มีประโยชน์ได้

วิธีหนึ่งในการปรับความเร็วของกังหันลมคือ การรับความถี่ใดๆ ก็ตามที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าผลิตได้ แปลงเป็นกระแสตรง (DC) แล้วแปลงเป็นกระแสสลับ (AC) ที่ความถี่เอาต์พุตที่ต้องการโดยใช้อินเวอร์เตอร์วิธีนี้ใช้กันทั่วไปสำหรับกังหันลมขนาดเล็กในบ้านและฟาร์ม แต่สำหรับกังหันลมขนาดเมกะวัตต์ อินเวอร์เตอร์จะมีขนาดใหญ่และมีราคาแพง

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบป้อนกระแสสองทางเป็นอีกทางเลือกหนึ่งในการแก้ปัญหานี้ แทนที่จะใช้ขดลวดสนามแม่เหล็กที่รับกระแสตรง และ ขดลวด อาร์มาเจอร์ ที่รับกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้ตามปกติ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบนี้จะมีขดลวดสามเฟสสองชุด ชุดหนึ่งอยู่กับที่และอีกชุดหนึ่งหมุนได้ โดยแต่ละชุดเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ภายนอกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแยกกัน ดังนั้นจึง ใช้คำว่า " ป้อนกระแสสองทาง" สำหรับเครื่องจักรประเภทนี้

ขดลวดหนึ่งเชื่อมต่อโดยตรงกับเอาต์พุต และผลิตพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสที่ความถี่กริดที่ต้องการ ขดลวดอีกขดหนึ่ง (โดยทั่วไปเรียกว่าขดลวดสนาม แต่ในที่นี้ขดลวดทั้งสองสามารถเป็นเอาต์พุตได้) เชื่อมต่อกับพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสที่ความถี่แปรผัน พลังงานขาเข้านี้จะถูกปรับความถี่และเฟสเพื่อชดเชยการเปลี่ยนแปลงความเร็วของกังหัน^{[ 5 ]}

การปรับความถี่และเฟสต้องใช้ตัวแปลง AC เป็น DC เป็น AC ซึ่งโดยทั่วไปจะสร้างจาก เซมิคอนดักเตอร์ IGBT ขนาดใหญ่มาก ตัวแปลงเป็นแบบสองทิศทางและสามารถส่งกำลังได้ทั้งสองทิศทาง กำลังสามารถไหลจากขดลวดนี้ได้เช่นเดียวกับจากขดลวดเอาต์พุต^{[ 6 ]}

ด้วยต้นกำเนิดจากมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบโรเตอร์พันขดลวดที่มีชุดขดลวดหลายเฟสบนโรเตอร์และสเตเตอร์ตามลำดับ ซึ่งคิดค้นโดยNikola Teslaในปี 1888 ^{[ 7 ]}ชุดขดลวดโรเตอร์ของเครื่องจักรไฟฟ้าแบบป้อนกระแสสองทางจะเชื่อมต่อกับตัวต้านทานที่เลือกผ่านวงแหวนสลิปหลายเฟสเพื่อเริ่มต้น อย่างไรก็ตาม พลังงานสลิปจะสูญเสียไปในตัวต้านทาน ดังนั้นจึงมีการพัฒนาวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานที่ความเร็วแปรผันโดยการกู้คืนพลังงานสลิป ในระบบขับเคลื่อน Krämer (หรือ Kraemer) โรเตอร์จะเชื่อมต่อกับชุดเครื่องจักร AC และ DC ที่ป้อนเครื่องจักร DC ที่เชื่อมต่อกับเพลาของเครื่องจักรวงแหวนสลิป^{[ 8 ]}ดังนั้นพลังงานสลิปจึงถูกส่งกลับเป็นพลังงานกล และระบบขับเคลื่อนสามารถควบคุมได้ด้วยกระแสกระตุ้นของเครื่องจักร DC ข้อเสียของระบบขับเคลื่อน Krämer คือเครื่องจักรต้องมีขนาดใหญ่เกินไปเพื่อรับมือกับพลังงานหมุนเวียนส่วนเกิน ข้อเสียนี้ได้รับการแก้ไขใน ระบบขับเคลื่อน Scherbiusซึ่งพลังงานสลิปจะถูกส่งกลับไปยังโครงข่ายไฟฟ้า AC โดยชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามอเตอร์^{[ 9 ] [ 10 ]}

เครื่องจักรหมุนที่ใช้ในการจ่ายไฟให้โรเตอร์นั้นมีน้ำหนักมากและมีราคาแพง การปรับปรุงในด้านนี้คือระบบขับเคลื่อนแบบ Scherbius แบบคงที่ ซึ่งโรเตอร์เชื่อมต่อกับชุดวงจรเรียงกระแส-อินเวอร์เตอร์ที่สร้างขึ้นครั้งแรกโดยใช้ อุปกรณ์ที่ใช้ปรอท อาร์คและต่อมาใช้ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์และไทริสเตอร์ ในวงจรที่ใช้ตัวเรียงกระแส การไหลของพลังงานเป็นไปได้เฉพาะออกจากโรเตอร์เท่านั้น เนื่องจากตัวเรียงกระแสไม่มีการควบคุม นอกจากนี้ การทำงานในฐานะมอเตอร์ก็ทำได้เฉพาะในความเร็วต่ำกว่าซิงโครนัสเท่านั้น

แนวคิดอีกประการหนึ่งที่ใช้ตัวแปลงความถี่คงที่คือ การเชื่อมต่อ ไซโคลคอนเวอร์เตอร์ระหว่างโรเตอร์และโครงข่ายไฟฟ้ากระแสสลับ ไซโคลคอนเวอร์เตอร์สามารถจ่ายพลังงานได้ทั้งสองทิศทาง ดังนั้นเครื่องจักรจึงสามารถทำงานได้ทั้งที่ความเร็วต่ำกว่าและสูงกว่าความเร็วซิงโครนัส เครื่องจักรขนาดใหญ่ที่ควบคุมด้วยไซโคลคอนเวอร์เตอร์และจ่ายไฟสองทางได้ถูกนำมาใช้ในการขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเฟสเดียวที่จ่ายไฟให้กับ โครงข่ายรถไฟ 16 + 2 ⁄ 3  Hz ในยุโรป^{[ 11 ]}เครื่องจักรที่ขับเคลื่อนด้วยไซโคลคอนเวอร์เตอร์ยังสามารถขับเคลื่อนกังหันในโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับได้อีกด้วย^{[ 12 ]}

ปัจจุบัน อุปกรณ์แปลงความถี่ที่ใช้ในงานที่มีกำลังไฟฟ้าสูงถึงหลายสิบเมกะวัตต์นั้น ประกอบด้วยอินเวอร์เตอร์IGBT สองตัวที่ต่อกันแบบกลับด้าน

นอกจากนี้ ยังมีการพัฒนาแนวคิดมอเตอร์ไร้แปรงถ่านหลายแบบเพื่อกำจัดวงแหวนสลิปที่ต้องบำรุงรักษา

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบป้อนกระแสสองทาง (DFIG) เป็นหลักการสร้างกระแสไฟฟ้าที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในกังหันลมโดยอาศัยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่มีโรเตอร์แบบขดลวดหลายเฟสและ ชุด วงแหวนสลิป หลายเฟส พร้อมแปรงสำหรับเข้าถึงขดลวดโรเตอร์ สามารถหลีกเลี่ยงชุดวงแหวนสลิปหลายเฟสได้ แต่จะมีปัญหาเรื่องประสิทธิภาพ ต้นทุน และขนาด ทางเลือกที่ดีกว่าคือเครื่องจักรไฟฟ้าแบบป้อนกระแสสองทางแบบโรเตอร์ขดลวดไร้แปรงถ่าน^{[ 13 ]}

หลักการของ DFIG คือขดลวดสเตเตอร์เชื่อมต่อกับกริด และขดลวดโรเตอร์เชื่อมต่อกับตัวแปลงผ่านวงแหวนสลิปและ ตัวแปลงแหล่ง จ่ายแรงดัน แบบ back-to-back ที่ควบคุมทั้งกระแสโรเตอร์และกระแสกริด ดังนั้นความถี่ของโรเตอร์ จึง สามารถแตกต่างจากความถี่ของกริดได้อย่างอิสระ (50 หรือ 60 Hz) โดยการใช้ตัวแปลงเพื่อควบคุมกระแสโรเตอร์ ทำให้สามารถปรับกำลังไฟฟ้าแอคทีฟและรีแอคทีฟที่ป้อนเข้าสู่กริดจากสเตเตอร์ได้อย่างอิสระจากความเร็วในการหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า หลักการควบคุมที่ใช้คือการควบคุมเวกเตอร์ กระแสสองแกน หรือการควบคุมแรงบิดโดยตรง (DTC) ^{[ 14 ]} DTC พบว่ามีเสถียรภาพที่ดีกว่าการควบคุมเวกเตอร์กระแส โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องการกระแสรีแอคทีฟสูงจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า^{[ 15 ]} 

โดยทั่วไปแล้ว โรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบป้อนกระแสสองทางจะพันด้วยจำนวนรอบมากกว่าสเตเตอร์ 2 ถึง 3 เท่า ซึ่งหมายความว่าแรงดันโรเตอร์จะสูงขึ้นและกระแสจะต่ำลงตามลำดับ ดังนั้นในช่วงความเร็วในการทำงานทั่วไป ±30% รอบความเร็วซิงโครนัส กระแสพิกัดของตัวแปลงจึงต่ำลงตามไปด้วย ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนของตัวแปลงต่ำลง ข้อเสียคือ การทำงานที่ควบคุมได้นอกช่วงความเร็วในการทำงานนั้นเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากแรงดันโรเตอร์สูงกว่าพิกัด นอกจากนี้ แรงดันชั่วขณะเนื่องจากการรบกวนของกริด (โดยเฉพาะแรงดันตกแบบสามเฟสและสองเฟส) ก็จะขยายใหญ่ขึ้นด้วย เพื่อป้องกันไม่ให้แรงดันโรเตอร์สูง (และกระแสสูงที่เกิดจากแรงดันเหล่านี้) ทำลายทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ที่มีฉนวนกั้นและไดโอดของตัวแปลง จึงมีการใช้วงจรป้องกัน (เรียกว่าcrowbar ) ^{[ 16 ]}

เมื่อตรวจพบกระแสหรือแรงดันไฟฟ้าเกิน แถบป้องกันจะลัดวงจรขดลวดโรเตอร์ผ่านความต้านทานเล็กน้อย เพื่อให้สามารถดำเนินการต่อได้อย่างรวดเร็วที่สุด ต้องใช้ แถบป้องกันแบบแอคทีฟ^{[ ​​17 ]}แถบป้องกันแบบแอคทีฟสามารถกำจัดวงจรลัดวงจรโรเตอร์ได้อย่างเป็นระบบ ดังนั้นตัวแปลงด้านโรเตอร์จึงสามารถเริ่มต้นได้หลังจาก 20–60  มิลลิวินาทีนับจากการเริ่มต้นของการรบกวนกริด เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่เหลืออยู่ยังคงสูงกว่า 15% ของแรงดันไฟฟ้าปกติ ดังนั้นจึงสามารถสร้างกระแสรีแอคทีฟให้กับกริดในช่วงที่แรงดันไฟฟ้าลดลง และด้วยวิธีนี้จะช่วยให้กริดฟื้นตัวจากความผิดพลาดได้ สำหรับการผ่าน แรงดันไฟฟ้าเป็น ศูนย์ มักจะรอจนกว่าการลดลงของแรงดันไฟฟ้าจะสิ้นสุดลง เพราะมิฉะนั้นจะไม่สามารถทราบมุมเฟสที่ควรฉีดกระแสรีแอคทีฟได้^{[ 18 ]}

โดยสรุปแล้ว เครื่องเหนี่ยวนำแบบป้อนกระแสสองทาง (Doubly Fed Induction Machine: DFIG) เป็นเครื่องจักรไฟฟ้าแบบโรเตอร์พันขดลวดที่ป้อนกระแสสองทาง และมีข้อดีหลายประการเหนือเครื่องจักรเหนี่ยวนำแบบทั่วไปในการใช้งานพลังงานลม ประการแรก เนื่องจากวงจรโรเตอร์ถูกควบคุมโดยตัวแปลงอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำจึงสามารถนำเข้าและส่งออกกำลังปฏิกิริยาได้ซึ่งมีผลสำคัญต่อเสถียรภาพของระบบไฟฟ้าและช่วยให้เครื่องจักรสามารถรองรับโครงข่ายไฟฟ้าในช่วงที่มีความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าอย่างรุนแรง ( Low-Voltage Ride-Through : LVRT) ^{[ 16 ]}ประการที่สอง การควบคุมแรงดันและกระแสของโรเตอร์ช่วยให้เครื่องจักรเหนี่ยวนำยังคงซิงโคร ไนซ์ กับโครงข่ายไฟฟ้าในขณะที่ความเร็วของกังหันลมเปลี่ยนแปลง กังหันลมแบบปรับความเร็วได้ใช้ทรัพยากรลมที่มีอยู่อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่ากังหันลมแบบความเร็วคงที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงที่มีลมเบา ประการที่สาม ต้นทุนของตัวแปลงนั้นต่ำเมื่อเทียบกับโซลูชันความเร็วแปรผันอื่นๆ เนื่องจากมีเพียงเศษส่วนของกำลังเชิงกล โดยทั่วไป 25–30% เท่านั้นที่ป้อนเข้าสู่โครงข่ายไฟฟ้าผ่านตัวแปลง ส่วนที่เหลือจะป้อนเข้าสู่โครงข่ายไฟฟ้าโดยตรงจากสเตเตอร์ ประสิทธิภาพของ DFIG นั้นดีมากด้วยเหตุผลเดียวกันนี้

• หม้อแปลงความถี่แปรผัน

• Dufour, Christian; Bélanger, Jean (2004). "การจำลองแบบเรียลไทม์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบป้อนกระแสสองทางสำหรับการใช้งานกังหันลม" (PDF) . เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 2011-01-05 . เรียกดูเมื่อ2011-02-17 .{{cite journal}}: การอ้างอิงวารสารต้องใช้|journal=( ความช่วยเหลือ )
• Roberts, Paul C. (2004). "การศึกษาเครื่องจักรเหนี่ยวนำแบบป้อนกระแสสองทางไร้แปรงถ่าน; ผลงานด้านการวิเคราะห์ การออกแบบ และการควบคุมเครื่องจักร" (PDF) . วิทยาลัยเอ็มมานูเอล มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อวันที่ 19 มีนาคม 2013{{cite journal}}: การอ้างอิงวารสารต้องใช้|journal=( ความช่วยเหลือ )