無刷雙饋同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

孫明奇，劉紫玉

(1吉林吉恩鎳業(yè)股份有限公司，吉林吉林132000；2佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

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無刷雙饋同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

孫明奇1，劉紫玉2

(1吉林吉恩鎳業(yè)股份有限公司，吉林吉林132000；2佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

摘要根據(jù)風機、水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速平方成正比的特點，闡述了無刷雙饋同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能的原理，無刷雙饋電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻繞組只承擔部分電功率，電動機所需的電功率大部分來自直接固定工頻電源的電動機工頻繞組，且無論工頻繞組電壓等級，變頻繞組可通過特殊設(shè)計，實現(xiàn)低壓供電，因此，無刷雙饋電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)可由低壓小功率變頻器實現(xiàn)對高壓容量電動機的變頻調(diào)速控制，從而降低成本提高效率。

關(guān)鍵詞無刷雙饋同步電機；變頻器；節(jié)能；風機；水泵

0引言

風機和水泵在實際應(yīng)用中數(shù)量眾多，分布廣泛，耗電量巨大。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計，全國風機、水泵電動機裝機總?cè)萘考s40 000MW，耗電量約占全國電力消耗總量的40%左右。目前，靠節(jié)流調(diào)節(jié)變負荷運行的定速風機和水泵還有很大的節(jié)電潛力，其潛力挖掘的焦點是提高風機和水泵的運行效率。

風機和水泵基本上都采用定速驅(qū)動，這種定速驅(qū)動的風機和水泵，如果需要調(diào)節(jié)服務(wù)點的壓力或流量，一般采用節(jié)流閥或風門調(diào)節(jié)流量，這樣就存在嚴重的節(jié)流損耗。尤其在機組變負荷運行時，由于風機和水泵的運行偏離高效點，降低了運行效率。調(diào)查表明，我國風機運行效率低于70%的占1/2以上，低于50%的占1/5左右，有的甚至不到30%，結(jié)果是白白地浪費了大量的電能，因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)到了非改不可的地步。

1無刷雙饋同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)

TWS系列無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)是由高壓無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機和低壓變頻器組成，電機定子功率繞組分別由高壓工頻電源和低壓變頻電源兩路供電，通過調(diào)節(jié)低壓電源頻率來改變電機轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)低壓變頻調(diào)速裝置控制高壓電動(發(fā)電)機，小容量變頻調(diào)速裝置控制大容量電動機的效果。特別適用于調(diào)速范圍50%以內(nèi)的風機、水泵、壓縮機等風機、泵用負載的變頻節(jié)能應(yīng)用，具有明顯的成本優(yōu)勢和節(jié)能效果。無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)配置圖見圖1。

1.1無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)原理

無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng):傳統(tǒng)交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動機變頻電源完全由變頻器提供，變頻器承受電網(wǎng)電壓并傳輸電動機所需的全部功率。而無刷雙饋電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻繞組只承擔部分電功率，電動機所需的電功率大部分來自于連接固定工頻電源的電動機工頻繞組，且無論工頻繞組電壓等級，變頻繞組均可通過特殊設(shè)計實現(xiàn)低壓供電。因此，無刷雙饋電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)由低壓小功率變頻器對高壓容量電動機的變頻調(diào)速控制。

變頻控制系統(tǒng)是一種配套無刷雙饋電動機運行的新型變頻調(diào)速裝置，該裝置利用工頻繞組和變頻繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用原理，通過同時檢測無刷雙饋電動機兩套定子繞組的電壓、電流，并進行傅立葉分解和矢量運算，對變頻繞組進行變頻變壓控制，進而實現(xiàn)變頻調(diào)速運行。無刷雙饋電動機有兩套定子繞組，分別提供不同電壓、不同頻率的工作電源，其輸出轉(zhuǎn)速滿足

(1)

式中，fp—工頻繞組頻率；fc—變頻繞組頻率；Pp—工頻繞組極對數(shù)；Pc—變頻繞組極對數(shù)。

當fp和fc均為+50Hz時，電動機的理想轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速。當fp為50Hz，fc為0Hz時，電動機的理想轉(zhuǎn)速為自然同步轉(zhuǎn)速。那么當fc為負頻率時，電動機運行在次同步速狀態(tài)，fc為正頻率時，電動機運行在超同步速，由無刷雙饋電動機的特性決定；當fc為正頻率時，變頻繞組向電網(wǎng)吸收功率，當fc為負頻率時變頻繞組向電網(wǎng)輸送功率，可見只有在超同步速運行時，電動機才具有高效特性，也就是從50%到100%額定轉(zhuǎn)速的調(diào)速范圍內(nèi)，其電功率分別從工頻繞組和變頻繞組向電動機輸送，效率很高。無刷雙饋電機繞組示意圖見圖2，無刷雙饋調(diào)速系統(tǒng)框圖見圖3。

2無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用經(jīng)濟效益

2.1直接經(jīng)濟效益

900kW無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用，年節(jié)約達63萬元。一年度節(jié)省的電費可抵設(shè)備投資成本。

2.2高效節(jié)能

傳統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻器效率約為95%左右，即變頻器本身會產(chǎn)生45kW的損耗并承受10kV電壓，而一臺900kW的無刷雙饋同步電動機只有約300kW經(jīng)過變頻繞組由380V低壓變頻器驅(qū)動控制，該變頻器效率為96%，則該變頻器的損耗為12kW。由此可見，無刷雙饋電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)不僅可以由成本更低的低壓變頻器供電，還可以節(jié)約電能33kW，同比節(jié)能3.6%。

2.3投資成本低

傳統(tǒng)交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動機變頻電源完全由變頻器提供，變頻器承受電網(wǎng)電壓并傳輸電動機所需的全部功率。而無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻繞組只承擔部分電功率，電動機所需的電功率大部分來自直接固定高壓工頻電源的電動機工頻繞組，且無論工頻繞組電壓等級，變頻繞組可通過特殊設(shè)計，實現(xiàn)低壓供電，因此無刷雙饋電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)可由低壓小功率變頻器實現(xiàn)對高壓大容量電動機的變頻調(diào)速控制。眾所周知采用高壓變頻器的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的高壓變頻器的造價較高，特別是在大容量電動機調(diào)速系統(tǒng)中，所使用的高壓變頻器價格極其昂貴，而我們采用低壓變頻器小功率價格便宜，且國內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)非常成熟，使投資成本大大的降低。

2.4系統(tǒng)可靠性高

高壓變頻器的可靠性目前還是遠遠低于低壓變頻器，傳統(tǒng)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是完全由高壓變頻器控制，而無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)是由工頻電源和低壓變頻器配合控制。當變頻器故障時，傳統(tǒng)的高壓控制系統(tǒng)控制電動機將不能運行，而無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機具有自然同步轉(zhuǎn)速運行功能，可不停機自動切換到自然同步速度下運行，在一定程度上保證了運行需要。

2.5控制簡單、維護費用低

高壓變頻器的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)其控制系統(tǒng)很復雜，操作維護費用很高，而無刷雙饋電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)由低壓小功率變頻器對高壓大容量電動機的變頻調(diào)速控制，控制過程簡單，技術(shù)成熟，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，并且大大降低了系統(tǒng)使用維護成本。同時，無刷雙饋電動(發(fā)電)機結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用，轉(zhuǎn)子上取消了電刷和滑環(huán)，運行安全可靠，維護成本更低，且具有良好的起動和運行性能，能方便的實現(xiàn)變頻、起動和運行。

2.6便于改造，投資成本低

由于無刷雙饋電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)是低壓變頻器控制，低壓變頻器的體積要遠遠小于高壓變頻器，設(shè)備占地面積小，非常適合改造項目，可在原有的空間進行設(shè)備更換，不用增加廠房，大大節(jié)約了投資成本。

2.7減少了對電網(wǎng)的沖擊

采用無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)改造后，電機實現(xiàn)軟啟軟停，啟動電流不超過電機額定電流的1.2倍，對電網(wǎng)無任何沖擊，電機使用壽命延長。在整個運行范圍內(nèi)，電機確保了運行平穩(wěn)，損耗減小，溫升正常，無任何附加的異常振動和噪音。

2.8提高功率因數(shù)

變頻調(diào)速時，50Hz滿載時功率因數(shù)為接近l，工作電流比電機額定電流值要低許多,這是由于變頻裝置的內(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用,為電網(wǎng)節(jié)約容量。

2.9增強電機的保護功能

具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升等多項保護功能，更完善地保護了電機。

2.10實現(xiàn)高度自動化

調(diào)速系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖控制，機組實現(xiàn)自動運行和相應(yīng)的保護及故障報警，操作工作由手動轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運營提供了可靠保證。

2.11增強系統(tǒng)運行的可靠性

無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動能力強，電壓工作范圍寬，電網(wǎng)電壓在-35%～+15%之間波動時，系統(tǒng)均可正常運行。

3結(jié)語

通過對無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)的用電情況分析，按照當前的運行環(huán)境，一次、二次風機采用無刷雙饋變頻調(diào)速系統(tǒng)運行方式。如果進行變頻改造，每年可以節(jié)約大量電能。

實踐證明，無刷雙饋同步電動(發(fā)電)機變頻調(diào)速系統(tǒng)改造具有顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，同時還大大減少了設(shè)備維護、維修費用，另外能很好地改善功率因數(shù)，也可以為電網(wǎng)節(jié)約容量，直接和間接經(jīng)濟效益十分明顯。

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Application of Energy-Saving Technology to Variable-Frequency Adjustable-Speed System of Brushless Doubly-Fed Synchronous Motor

SunMingqiandLiuZiyu

(1.Jilin Ji′en Nickel Industry Co.,Ltd.,Jilin 132000, China；2.Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd., Jiamusi 154002, China )

AbstractAccording to the characteristics that shaft powers of ventilator and pump are directly proportional to square of speed, this paper describes the energy-saving principle of variable-frequency adjustable-speed system of brushless doubly-fed synchronous motor. In this system, variable-frequency windings only undertake part of electric power, and most of electric power required for motor is from mains frequency windings of motor which is directly fixed with mains frequency power supply. Whatever voltage level the mains frequency windings are, variable-frequency windings can be fed by low-voltage power supply based on a special design. Therefore, variable-frequency adjustable-speed system of brushless doubly-fed synchronous motor can achieve variable-frequency adjustable-speed control of high-voltage motor by low-voltage small-power frequency converter, consequently reduce cost and improve efficiency.

Key wordsBrushless doubly-fed synchronous motor；frequency converter；energy saving；ventilator；water pump

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.03.08

中圖分類號：TM301.2

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)03-0026-004

作者簡介：孫明奇 男1975年生；畢業(yè)于吉林電氣化高等專科學校機械設(shè)備及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電機及相關(guān)電力系統(tǒng)的技術(shù)工作.

收稿日期：2016-04-14