無刷雙饋電機在石化行業(yè)的應用

陶 駿

（中石化工程建設(shè)公司電氣室，北京 100101）

能源是國民經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，依靠技術(shù)進步降低能源消耗是實施“可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”的必要措施和國策。隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機變頻控制系統(tǒng)以其優(yōu)異的調(diào)速節(jié)能特性在石化行業(yè)中得到了廣泛的應用和推廣，采用交流變頻調(diào)速控制的電機比工頻狀態(tài)運行的電機可節(jié)約電能30%～50%，節(jié)能效果顯著。

1 無刷雙饋電機的運行原理及基本結(jié)構(gòu)

近年來一種新型變頻調(diào)速電機—無刷雙饋電機（Brushless Doubly-fed Machine，簡稱BDFM）正在被眾多的國內(nèi)外科研工作者關(guān)注和研究。我國對繞線式轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機的研究目前任處于樣機試運行階段，一些高校和研究機構(gòu)正在加大研制力度，爭取早日市場化。

無刷雙饋電機的雛形源于串級感應電機，即將兩臺繞線式異步電機同軸連接，轉(zhuǎn)子繞組反相序相接，通過調(diào)節(jié)第二臺電機定子繞組所串電阻來調(diào)速，如圖1所示。級聯(lián)電機系統(tǒng)從第一臺電機的定子側(cè)輸入電功率，通過轉(zhuǎn)子傳遞給第二臺電機的轉(zhuǎn)子繞組側(cè)，第二臺電機的定子繞組外接電阻短接。省去了滑環(huán)，系統(tǒng)通過改變外接電阻大小就可以改變電機的轉(zhuǎn)速。這種特殊結(jié)構(gòu)可以使電機以較低速度運行，并可實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的平滑調(diào)速。后來經(jīng)過學者們的不斷改進，實現(xiàn)真正的無刷化。到 20世紀70年代后期，伴隨著電子器件的日新月異，使交流電機的變頻調(diào)速技術(shù)獲得了很大的發(fā)展。無刷雙饋電機的發(fā)展也非常迅速，由于定子繞組可以雙饋，當作為交流調(diào)速電機時，僅需控制繞組提供滑差功率，大大減小變頻器的容量，降低系統(tǒng)成本。選擇合適的定轉(zhuǎn)子極數(shù)可以使同步轉(zhuǎn)速非常低，特別適合風力、水力發(fā)電等行業(yè)，在石化行業(yè)也有著廣泛的應用場合。

圖1 無刷雙饋電機系統(tǒng)原理圖

無刷雙饋電機與兩臺極聯(lián)的感應電機的工作原理相同。

如果第一臺電機的定子輸入的電功率是PN，當運行于某一轉(zhuǎn)速時的兩臺電機的轉(zhuǎn)差分別是 Sp和Sc?？梢缘玫降谝慌_電機的機械功率：

忽略了電機的其他損耗，SpPN就成為第一臺電機通過轉(zhuǎn)子傳給第二臺電機的電功率，由于第二臺電機的功率來源于它的轉(zhuǎn)子，第二臺電機的轉(zhuǎn)子按變壓器原理為原邊，而第二臺電機的定子為副邊。第二臺電機軸上產(chǎn)生的機械功率就是

整個級聯(lián)系統(tǒng)軸上的輸出機械功率為

上式的SpScPN就是第二臺電機定子外接電阻上消耗的電功率。如果改變第二臺電機副邊電阻的阻值，則消耗在其上的功率SpScPN將發(fā)生變化。在PN一定的前提下，SpSc將發(fā)生變化，即等效滑差S=SpSc變化，相應的第二臺電機的副邊電流頻率也會隨之變化。因此，如果我們能夠改變第二臺電機副邊的電流頻率，就會反過來改變電機的轉(zhuǎn)速。

無刷雙饋電機即用變頻器來替代原理電機中的外接電阻來，通過對第二臺副變電流頻率的調(diào)節(jié)來改變整個等效滑差。目前成熟的BDFM結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，定子鐵心中安放兩套對稱分布的交流繞組，分別為功率繞組和控制繞組。

功率繞組Pp對極接入工頻電源（fp）、控制繞組Pc對極接變頻器（fc），兩套繞組同時通電，在氣隙中產(chǎn)生兩種不同的磁場，通過轉(zhuǎn)子實現(xiàn)能量傳遞。

圖2 無刷雙饋電機系統(tǒng)示意圖

當其雙饋運行時，功率繞組接工頻電源，控制繞組接變頻器，通過改變變頻器的輸出頻率fc調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

無刷雙饋電機的運行情況相當于一臺 Pp+Pc對極繞線轉(zhuǎn)子感應電機，其功率繞組和控制繞組分別相當于繞線式感應電機的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。該種電機具有自起動能力，可實現(xiàn)異步運行、同步運行和雙饋調(diào)速等多種電動運行方式；當作發(fā)電機運行時，可實現(xiàn)變速恒頻恒壓發(fā)電。

2 采用無刷雙饋電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點

BDFM作為電動機使用時，最佳工作范圍在同步轉(zhuǎn)速附近，此時帶負載能力強，所需變頻器的容量較小。定子控制繞組提供的電磁功率與控制頻率成正比。為了降低控制繞組變頻器的容量，此種電機適合拖動起動轉(zhuǎn)矩較小的風機和泵類負載，變頻器的容量可以根據(jù)系統(tǒng)的速度變化范圍來設(shè)計。采用無刷雙饋電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點：

1）由于電機采用定子雙饋方法，沒有電刷和滑環(huán)等裝置，增加了運行的可靠性，降低了維護成本。

2）變頻電源只需給控制繞組供電，其容量遠小于電機的額定容量，可以大大降低變頻器的容量，從而降低整個變頻調(diào)速系統(tǒng)的成本。

3）電機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)。

4）當變頻器故障時，可以斷開控制繞組電源，僅由功率繞組提供電能，進行異步運行，從而提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

5）可以方便的實現(xiàn)異步、同步、雙饋和變速恒頻發(fā)電等多種運行方式，被認為在調(diào)速驅(qū)動（ASD）和變速恒頻發(fā)電（VSG）中有廣泛引用。

3 采用無刷雙饋電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)在石化行業(yè)的應用前景分析

由于工藝流程的行業(yè)特殊性，石化行業(yè)內(nèi)一般用電負載均根據(jù)滿負荷工作來選則電動機，實際應用大部分機泵類負荷均運行在輕載狀態(tài)，電能的消耗占整個能耗指標的首位，因此節(jié)能技術(shù)的推廣和應用成為行業(yè)發(fā)展優(yōu)先重視考慮的問題。隨著變頻技術(shù)在石化行業(yè)內(nèi)的快速推廣應用，電機的調(diào)速方式發(fā)生了根本性的變化。電動機可以根據(jù)負載變動狀況實時的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，由于電動機的軸功率輸出 P與電動機轉(zhuǎn)速n的立方成正比，因此轉(zhuǎn)速的變化可以獲得巨大的節(jié)能效果。

盡管采用變頻調(diào)速控制方式的節(jié)能效果顯著，但是因為變頻控制方式也存在許多問題：①高壓變頻器的造價太高，受電力電子器件電壓及電機允許的dv/dt限制；6kV/10kV變頻器必須采用多器件的串并聯(lián)，造成線路復雜，價格昂貴，系統(tǒng)的可靠性差。②低壓變頻器容量選擇通常需考慮比其所帶電機功率高一檔。由此造成初期投資巨大，回收成本周期過長。所以如何能夠有效降低變頻器容量，從而達到降低整個變頻調(diào)速系統(tǒng)的投資成為行業(yè)內(nèi)大力推廣變頻節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵。

以中石化集團下屬某500萬噸煉廠為例：2萬標立循環(huán)水廠的5座冷卻塔所配風機負載需要5臺220kW電動機驅(qū)動，通常風機的轉(zhuǎn)速在冬夏季的變化范圍為30%～50%；加氫裂化工藝生產(chǎn)裝置中加熱爐通、引風機功率為132kW/臺，其轉(zhuǎn)速的變化范圍為30%～50%，為了節(jié)能減排需要采用變頻調(diào)速控制方案。

方案一：160～1000kW 的電動機可采用6kV或0.66kV變頻器調(diào)速，以 220kW 電動機為例，6kV變頻器造價80萬/臺，總投資400萬 ；0.66kV變頻器25萬，總投資100萬。160kW以下的電動機采用 0.38kV變頻器調(diào)速，以 132kW 電動機為例。0.38kV變頻器造價18萬/臺，總投資36萬。

方案二：采用無刷雙饋電機配合低壓變頻器的方式，220kW電動機的定子功率繞組為165kW，控制繞組為55kW，對應的控制繞組可采用0.38kV變頻器控制，每臺變頻器造價 6～8萬，總投資 30～40萬。132kW電動機的定子功率繞組為100kW，控制繞組為32kW，控制繞組對應的0.38kV變頻器單臺造價5～6萬，總投資10～12萬。

由此可見，無刷雙饋電機可以使一部分需要變頻調(diào)速的高壓電機選用低壓變頻器，也可以使一部分需要變頻調(diào)速的低壓電機選用容量較小的低壓變頻器，從而大大節(jié)省一次性投資。無刷雙饋電機因其特殊的結(jié)構(gòu)形式其造價要比同類普通電機的造價高50%左右，因而在大功率的中壓電機市場更具有應用推廣前景。

4 結(jié)論

煉油企業(yè)內(nèi)常減壓、催化裂化、連續(xù)重整、加氫裂化等大型裝置中的空冷風機、加熱爐鼓、引風機和部分工藝機泵的驅(qū)動電機普遍需要采用變頻調(diào)速的節(jié)能方式，因而無刷雙饋電機非常適合應用在此類場所。

截至2010年中石化煉油綜合能力為2.24億 t/年，相當于44.8套同處理量的此類煉廠，由于6kV變頻設(shè)備前期投資巨大，回收成本相對較長，大部分現(xiàn)有此類裝置只能采用工頻控制方案，長期處于高耗能狀態(tài)，如果采用無刷雙饋電機配合0.38kV變頻器的方案，僅變頻器一次性投資就可節(jié)省約60%甚至更多，每年還能節(jié)約大量的電能，可以較快的收回成本。資料顯示，2015年底我國的煉油處理能力有望達到 6.9億噸以上的規(guī)模，如此巨大的市場如果能夠合理推廣運用無刷雙饋電機不僅會大大節(jié)約投資，還能發(fā)揮更好的經(jīng)濟效益。

目前籠型和磁阻型BDFM的實驗運行情況看還存在著以下的幾個問題：①BDFM的結(jié)構(gòu)復雜，發(fā)熱量較普通感應電機大；②結(jié)構(gòu)形式單一，如石化企業(yè)普遍適用的防爆結(jié)構(gòu)還在研究中。如果能夠進一步解決了上述問題，將會在石化行業(yè)有著更加廣闊的市場意義和前景。

參考資料

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