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(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

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無(wú)刷雙饋同步電機(jī)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(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

摘要根據(jù)風(fēng)機(jī)、水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速平方成正比的特點(diǎn)，闡述了無(wú)刷雙饋同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能的原理，無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻繞組只承擔(dān)部分電功率，電動(dòng)機(jī)所需的電功率大部分來(lái)自直接固定工頻電源的電動(dòng)機(jī)工頻繞組，且無(wú)論工頻繞組電壓等級(jí)，變頻繞組可通過(guò)特殊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低壓供電，因此，無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可由低壓小功率變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓容量電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制，從而降低成本提高效率。

關(guān)鍵詞無(wú)刷雙饋同步電機(jī)；變頻器；節(jié)能；風(fēng)機(jī)；水泵

0引言

風(fēng)機(jī)和水泵在實(shí)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(mén)的統(tǒng)計(jì)，全國(guó)風(fēng)機(jī)、水泵電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s40 000MW，耗電量約占全國(guó)電力消耗總量的40%左右。目前，靠節(jié)流調(diào)節(jié)變負(fù)荷運(yùn)行的定速風(fēng)機(jī)和水泵還有很大的節(jié)電潛力，其潛力挖掘的焦點(diǎn)是提高風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行效率。

風(fēng)機(jī)和水泵基本上都采用定速驅(qū)動(dòng)，這種定速驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)和水泵，如果需要調(diào)節(jié)服務(wù)點(diǎn)的壓力或流量，一般采用節(jié)流閥或風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)流量，這樣就存在嚴(yán)重的節(jié)流損耗。尤其在機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行偏離高效點(diǎn)，降低了運(yùn)行效率。調(diào)查表明，我國(guó)風(fēng)機(jī)運(yùn)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(fèi)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(wú)刷雙饋同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

TWS系列無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)是由高壓無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)和低壓變頻器組成，電機(jī)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(guò)調(diào)節(jié)低壓電源頻率來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)低壓變頻調(diào)速裝置控制高壓電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)，小容量變頻調(diào)速裝置控制大容量電動(dòng)機(jī)的效果。特別適用于調(diào)速范圍50%以?xún)?nèi)的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等風(fēng)機(jī)、泵用負(fù)載的變頻節(jié)能應(yīng)用，具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)和節(jié)能效果。無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)配置圖見(jiàn)圖1。

1.1無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理

無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng):傳統(tǒng)交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)所需的全部功率。而無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻繞組只承擔(dān)部分電功率，電動(dòng)機(jī)所需的電功率大部分來(lái)自于連接固定工頻電源的電動(dòng)機(jī)工頻繞組，且無(wú)論工頻繞組電壓等級(jí)，變頻繞組均可通過(guò)特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低壓供電。因此，無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)由低壓小功率變頻器對(duì)高壓容量電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。

變頻控制系統(tǒng)是一種配套無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(chǎng)相互作用原理，通過(guò)同時(shí)檢測(cè)無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)兩套定子繞組的電壓、電流，并進(jìn)行傅立葉分解和矢量運(yùn)算，對(duì)變頻繞組進(jìn)行變頻變壓控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速運(yùn)行。無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)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(mǎn)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(duì)數(shù)；Pc—變頻繞組極對(duì)數(shù)。

當(dāng)fp和fc均為+50Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)fp為50Hz，fc為0Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想轉(zhuǎn)速為自然同步轉(zhuǎn)速。那么當(dāng)fc為負(fù)頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在次同步速狀態(tài)，fc為正頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在超同步速，由無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的特性決定；當(dāng)fc為正頻率時(shí)，變頻繞組向電網(wǎng)吸收功率，當(dāng)fc為負(fù)頻率時(shí)變頻繞組向電網(wǎng)輸送功率，可見(jiàn)只有在超同步速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)輸送，效率很高。無(wú)刷雙饋電機(jī)繞組示意圖見(jiàn)圖2，無(wú)刷雙饋調(diào)速系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖3。

2無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益

2.1直接經(jīng)濟(jì)效益

900kW無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用，年節(jié)約達(dá)63萬(wàn)元。一年度節(jié)省的電費(fèi)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(huì)產(chǎn)生45kW的損耗并承受10kV電壓，而一臺(tái)900kW的無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)機(jī)只有約300kW經(jīng)過(guò)變頻繞組由380V低壓變頻器驅(qū)動(dòng)控制，該變頻器效率為96%，則該變頻器的損耗為12kW。由此可見(jiàn)，無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)所需的全部功率。而無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻繞組只承擔(dān)部分電功率，電動(dòng)機(jī)所需的電功率大部分來(lái)自直接固定高壓工頻電源的電動(dòng)機(jī)工頻繞組，且無(wú)論工頻繞組電壓等級(jí)，變頻繞組可通過(guò)特殊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低壓供電，因此無(wú)刷雙饋電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可由低壓小功率變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓大容量電動(dòng)機(jī)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(jià)較高，特別是在大容量電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，所使用的高壓變頻器價(jià)格極其昂貴，而我們采用低壓變頻器小功率價(jià)格便宜，且國(guó)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)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(dāng)變頻器故障時(shí)，傳統(tǒng)的高壓控制系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)將不能運(yùn)行，而無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)具有自然同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行功能，可不停機(jī)自動(dòng)切換到自然同步速度下運(yùn)行，在一定程度上保證了運(yùn)行需要。

2.5控制簡(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)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(fù)雜，操作維護(hù)費(fèi)用很高，而無(wú)刷雙饋電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)由低壓小功率變頻器對(duì)高壓大容量電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制，控制過(guò)程簡(jiǎn)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(hù)成本。同時(shí)，無(wú)刷雙饋電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用，轉(zhuǎn)子上取消了電刷和滑環(huán)，運(yùn)行安全可靠，維護(hù)成本更低，且具有良好的起動(dòng)和運(yùn)行性能，能方便的實(shí)現(xiàn)變頻、起動(dòng)和運(yùn)行。

2.6便于改造，投資成本低

由于無(wú)刷雙饋電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于高壓變頻器，設(shè)備占地面積小，非常適合改造項(xiàng)目，可在原有的空間進(jìn)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(duì)電網(wǎng)的沖擊

采用無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)改造后，電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟軟停，啟動(dòng)電流不超過(guò)電機(jī)額定電流的1.2倍，對(duì)電網(wǎng)無(wú)任何沖擊，電機(jī)使用壽命延長(zhǎng)。在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，電機(jī)確保了運(yùn)行平穩(wěn)，損耗減小，溫升正常，無(wú)任何附加的異常振動(dòng)和噪音。

2.8提高功率因數(shù)

變頻調(diào)速時(shí)，50Hz滿(mǎn)載時(shí)功率因數(shù)為接近l，工作電流比電機(jī)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(qiáng)電機(jī)的保護(hù)功能

具有過(guò)流、短路、過(guò)壓、欠壓、缺相、溫升等多項(xiàng)保護(hù)功能，更完善地保護(hù)了電機(jī)。

2.10實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化

調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制，機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報(bào)警，操作工作由手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無(wú)人操作，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營(yíng)提供了可靠保證。

2.11增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性

無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)，電壓工作范圍寬，電網(wǎng)電壓在-35%～+15%之間波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)均可正常運(yùn)行。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的用電情況分析，按照當(dāng)前的運(yùn)行環(huán)境，一次、二次風(fēng)機(jī)采用無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行方式。如果進(jìn)行變頻改造，每年可以節(jié)約大量電能。

實(shí)踐證明，無(wú)刷雙饋同步電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)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(mǎn)足了生產(chǎn)工藝要求，同時(shí)還大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)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(jì)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(lèi)號(hào)：TM301.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2016)03-0026-004

作者簡(jiǎn)介：孫明奇 男1975年生；畢業(yè)于吉林電氣化高等專(zhuān)科學(xué)校機(jī)械設(shè)備及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)及相關(guān)電力系統(tǒng)的技術(shù)工作.

收稿日期：2016-04-14