1、概述

11.1引言：

近些年，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟，也促進(jìn)了無刷雙饋電機(jī)技術(shù)的發(fā)展；國內(nèi)的專家學(xué)者，對無刷雙饋電機(jī)的理論研究也達(dá)到了世界領(lǐng)先的水平，而且大功率的無刷雙饋電機(jī)已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定運(yùn)行。有關(guān)無刷雙饋電機(jī)設(shè)計(jì)機(jī)理方面的內(nèi)容不作詳細(xì)介紹，本文僅僅從工程應(yīng)用及變頻驅(qū)動方面進(jìn)行分析。

1.2項(xiàng)目背景：

中國某石化公司、中國某高校、中國某電機(jī)廠、西門子（中國）有限公司合作，由中國某石化公司提供現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境，某高校和某電機(jī)廠提供無刷雙饋電機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，西門子（中國）有限公司提供G130變頻器系統(tǒng)集成，及現(xiàn)場調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了西門子變頻器與無刷雙饋電機(jī)的完美結(jié)合，并且實(shí)現(xiàn)了真正的工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行。

1.3西門子G130變頻器簡介

西門子新一代SINAMICSG130變頻器是西門子SINAMICS產(chǎn)品家族中，高性能單機(jī)傳動產(chǎn)品，采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，最大功率達(dá)到800ＫＷ，適用于所有單電機(jī)傳動的應(yīng)用，滿足多種負(fù)載特性的要求，包括平方轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)矩及恒功率負(fù)載類型。滿足電力、水及污水處理、石油化工、水泥、礦山、造紙、制藥、冶金等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨著控制軟件版本和調(diào)試軟件Starter的不斷升級，G130變頻器有了很多更直觀更方便的調(diào)試方法及新功能，用戶可以輕松利用這些功能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的應(yīng)用。

1.4無刷雙饋電機(jī)簡介

無刷雙饋電機(jī)是一種新型交流電機(jī)，早在上個世紀(jì)70年代歐美等一些國家開始研究，無刷雙饋電機(jī)源于兩臺繞線電機(jī)的串級聯(lián)接，主要特點(diǎn)就是沒有滑環(huán)和電刷（無刷），既有異步機(jī)特點(diǎn)也有同步機(jī)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠，可以實(shí)現(xiàn)低壓小功率變頻器控制高壓大功率電機(jī)調(diào)速，還可以調(diào)整高壓側(cè)功率因數(shù)。

2、驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成

2.1系統(tǒng)單線圖（見圖1）

2.2本系統(tǒng)控制邏輯：

2.2.1、無刷雙饋電機(jī)異步啟動過程：中控室向G130變頻器發(fā)出啟動命令，變頻器控制Q1閉合，接入啟動電阻，同時輸出高壓合閘指令，閉合高壓斷路器，實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)串電阻啟動；延時30秒（需要根據(jù)負(fù)載功率設(shè)置），繞組封星接觸器Q2閉合，同時斷開啟動電阻接觸器Q1，電機(jī)啟動完成，電機(jī)異步運(yùn)行。

2.2.2、無刷雙饋電機(jī)牽入同步過程：Q2斷開，Q3閉合，變頻器啟動，運(yùn)行給定速度，隨著變頻器斜坡函數(shù)的變化，逐步將無刷雙饋電機(jī)，由異步運(yùn)行狀態(tài)，牽入同步運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.3、無刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行過程：達(dá)到同步運(yùn)行后，根據(jù)中控室發(fā)出的模擬量信號進(jìn)行調(diào)速，無刷雙饋電機(jī)可以運(yùn)行在自然同步運(yùn)行狀態(tài)、超同步運(yùn)行狀態(tài)、亞同步運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.4、無刷雙饋電機(jī)的停止過程：首先由中控室調(diào)整模擬量，逐步減小變頻器的輸出頻率，直到輸出頻率為0，電機(jī)逐漸降速，斷開啟動命令，停止變頻器，同時輸出高壓分閘指令，分?jǐn)喔邏簜?cè)斷路器，電機(jī)自由旋轉(zhuǎn)，直至完全停車。

2.2.5、系統(tǒng)故障處理邏輯：當(dāng)變頻器發(fā)生故障時，由內(nèi)部控制軟件，發(fā)出報警信號，同時將Q2閉合，將控制繞組封星，使無刷雙饋電機(jī)異步運(yùn)行，確保生產(chǎn)的連續(xù)性。

3、MVBDFM控制算法基于G130變頻器驅(qū)動系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1.速度控制原理介紹：

這里無刷雙饋電機(jī)調(diào)速公式不作具體推導(dǎo)，將電機(jī)轉(zhuǎn)子理解為一個“磁極轉(zhuǎn)換器”，類比異步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式，n0=60f/P,即無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：

n0–雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速，fp-功率繞組頻率，fc-控制繞組頻率，pp-功率繞組磁極，pp-控制繞組磁極，

以一臺2、6極無刷雙饋電機(jī)為例：功率繞組為6極，控制繞組為2極；

工頻異步運(yùn)行狀態(tài)，即fc=0Hz，n0=60f/P＝60*50/4＝750rpm

變頻同步運(yùn)行狀態(tài)，即fc為0-16Hz，n0=60f/P＝60*50/3＝750－1000rpm

所以調(diào)整變頻器的輸出頻率即可以調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.2.算法邏輯框圖：（見圖2）

3.3.功率因數(shù)調(diào)節(jié)原理：

以功率繞組定子側(cè)磁鏈為定向,建立的d-q坐標(biāo)系.這里忽略的定子電阻的壓降,考慮穩(wěn)態(tài)的三種情況：

A、功率因數(shù)=1，表現(xiàn)為阻性負(fù)載。（圖3）

B、功率因數(shù)滯后,表現(xiàn)為感性負(fù)載。（圖4）

C、功率因數(shù)超前,表現(xiàn)為容性負(fù)載。（圖5）

3.3.1、變量說明：

4、過程中的問題及注意事項(xiàng)

4.1啟動時大電流沖擊問題：當(dāng)繞組封星接觸器Q2斷開后，Q3閉合，然后變頻器輸出，此時會產(chǎn)生一個大的沖擊電流，通常可以加入電抗器限制電流突變，同時還要考慮調(diào)整變頻器的低頻電壓提升值，通常將低頻電壓提升減小，但是提升值過小，還有可能導(dǎo)致牽入同步過程變得困難，需要根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況調(diào)整。

4.2牽入同步過程中的擾動問題：對于牽入同步過程，速度擾動，可能會將變頻器的直流母線電壓拉高，為保證變頻器不發(fā)生過電壓故障，需要選配制動單元和制動電阻。

4.3系統(tǒng)除了常規(guī)變頻器、電機(jī)的保護(hù)之外，鑒于無刷雙饋電機(jī)還兼有同步機(jī)的特點(diǎn)，還需要注意欠勵磁、過勵磁的保護(hù)、失步保護(hù)。

5、系統(tǒng)優(yōu)劣對比及應(yīng)用前景展望

無刷雙饋電機(jī)與通用低壓變頻器組成的傳動系統(tǒng)，與高壓變頻器與高壓電機(jī)組成的傳動系統(tǒng)相比，有很多優(yōu)點(diǎn)：

5.1價格優(yōu)勢，與高壓變頻器和高壓電機(jī)驅(qū)動配置，同功率等級，價格要低20%-30%左右，原因是低壓交流變頻器比高壓變頻器價格低，低壓交流變頻器的功率約占電機(jī)功率的1/3，可以用一臺小功率變頻器來控制大功率電機(jī)。

5.2安裝優(yōu)勢，與高壓變頻器相比，低壓變頻柜體積相當(dāng)于高壓變頻柜體積的1/2。

5.3系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時，可以將低壓繞組直接短封，使得高壓電機(jī)在異步狀態(tài)下運(yùn)行，確保設(shè)備不停機(jī)，不影響生產(chǎn)。

5.4系統(tǒng)構(gòu)成簡單，與高壓變頻柜相比，沒有復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。

對于低壓變頻柜，包含進(jìn)線柜，全部采用低壓器件，無須高壓系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)條件，降低了系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用。

SINAMICSG130變頻器的軟件功能，使用方便，可以編制復(fù)雜的控制邏輯，系統(tǒng)無需額外增加PLC等控制器。

無刷雙饋電機(jī)變頻系統(tǒng)，可用于過去采用液力耦合器調(diào)速的風(fēng)機(jī)泵類改造，以及過去靠閥門調(diào)節(jié)流量的定速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)泵類進(jìn)行改造，其操作方便，而且有明顯的節(jié)能效果。

當(dāng)然作為一種新型交流電機(jī)，無刷雙饋電機(jī)目前還存在一些不足，比如：無刷雙饋電機(jī)調(diào)速范圍比較窄，外圍的開關(guān)器件復(fù)雜，存在失步的風(fēng)險，無論是籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還是磁阻型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，制造工藝比較復(fù)雜。

總體看，無刷雙饋電機(jī)自身還有一些不足，但是無刷雙饋電機(jī)與低壓變頻器組成的系統(tǒng)，與高壓傳動系統(tǒng)相比，有明顯特點(diǎn)和優(yōu)勢，值得推廣。

6、結(jié)束語

中國某石化公司，烷循水泵驅(qū)動系統(tǒng)由G130變頻器和無刷雙饋電機(jī)組成，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行一年多的時間，其“靜音、高效、穩(wěn)定、節(jié)能”的品質(zhì)受到了用戶的肯定和好評，此次西門子SINAMICSG130變頻器驅(qū)動無刷雙饋電機(jī)的成功應(yīng)用，在國內(nèi)屬首例，另外此功率段無刷雙饋電機(jī)從實(shí)驗(yàn)室到真正工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行，在國際上也是首例，目前國內(nèi)已經(jīng)生產(chǎn)出1.2MW的無刷雙饋電機(jī)，而且已經(jīng)通過了出廠測試實(shí)驗(yàn)；G130變頻器驅(qū)動無刷雙饋電機(jī)的成功應(yīng)用，為今后西門子驅(qū)動產(chǎn)品的推廣以及無刷雙饋電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也希望就其啟動方式、控制控制方式、算法等等和各位同仁探討學(xué)習(xí)。

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