無刷雙饋電機調速系統淺析

山東科技職業學院機電工程系 王德彬

無刷雙饋電機調速系統淺析

山東科技職業學院機電工程系 王德彬

無刷雙饋電動機是一種新型的電動機，具有運行可靠、結構簡單的特點；它不但具有繞線式感應電機的優點，還具有鼠籠型感應電機的優點，而且具有永磁同步電機的優點，具有很強的無刷可靠性。能夠進行頻率和電壓保持不變而轉速改變的運行,非常適合應用在風力發電或水力發電行業。

無刷雙饋電機；數學模型；矢量控制

本課題對現有的灌溉設備及機電控制系統進行改造，現有的灌溉動力系統多是直流電動機，雖然直流電動機具有良好的啟動、制動性能、良好的調速性能和控制性能，并因為這些優點在需要調速的高性能拖動系統中曾經得到了很多很廣的應用。但是普通的直流電動機具有它本身無法克服的因素-----機械換向裝置，也就是換向器和電刷。所以直流電動機在運行時會產生火花和電磁干擾，而且電刷易磨損,需定期維護和更換。而無刷雙饋電動機則不存在機械換向和電刷的問題。

1.背景情況

隨著工業化建設和農產品生成規模進程的不斷推進，利用傳統的泵機設備抽水灌溉，大功率、低效率的電動泵機使得電力資源耗費嚴重。

盡管灌溉用的直流電動機具有良好的啟動、制動性能，具有良好的調速性能和良好的控制性能的特點，但“高耗低效”的問題也比較突顯，“十二五”規劃的指示精神和科學發展觀的理論思想都強調了我們要高效循環利用不可再生能源。

2.課題研究目的

本課題通過引進無刷雙饋電動機作為動力設施，變直流電機為交流電機。現在泵站機組電動機調速運行方案有變級調速和變頻調速。變級調速是有極調速，級差較大，得不到平滑調速，調速不太理想。而變頻調速，因功率損耗大而且不適合在頻繁啟動的場合下使用，同時購買變頻器投資大、結構復雜。鑒于變級調速和變頻調速的缺點，有效地解決泵站系統的調速問題刻不容緩。最先實踐應用的是串級調速，由于不能很好地調節電機的功率因數，再加上它要和變頻器一起使用；而高電壓、大容量的變頻器價格昂貴，導致這種方案由于使用成本在很大程度地制約了推廣應用。

3.國內外研究現狀

最初，串級調速控制系統在企業中廣泛運用,并取得了顯著的經濟效益[1]。美國、英國等國相繼開展了對雙饋電機的研究。其中以美國的Wisconsin大學、Ohio州立大學、Oregon 州立大學為代表的高等院校和科研機構對無刷雙饋電機進行的研究較為深入,其研究內容涉及電機結構的分析、數學模型的建立、控制策略的探討，時至今日為止,已經對無刷雙饋電機的控制方法進行了比較深的研究[2]。

（1）20世紀30年代，日本、前蘇聯等國家開展雙饋控制技術的研究開始地較早，其中最早開展的是日本。日本剛開始對風機、水泵類的負載傳動調速控制進行了初步研究[3-6]，最近幾年，著力推廣飛輪儲能發電，來進行調節電網無功功率，還有在揚水電站發電機組進行恒定頻率發電，吸收負荷沖擊[7-10]。

（2）1981年就已經開始進行變頻調速抽水儲能發電機組的研究，主要采用轉子變頻調速，轉子鐵芯置有三相交流勵磁繞組(隱極結構)，轉子變頻器裝置采用 GTO 元件構成交－直－交電流型逆變器或者循環變流器，并在 1995 年首次研究成功采用 GTO的世界最大容量的變速恒頻抽水儲能發電機組，并投入運行，它的發電機的單機容量可達到345MW，轉速為 407-450 轉/分，流量為 154 立方米/秒。由此可以看出日本是世界上當時在雙饋應用上研究較早、機組較多以及容量較大的國家之一[11-14]。前蘇聯研發并生產出應用于火力發電站的雙饋電動機及控制系統，其容量在325KW～2200KW 之間。

（3）上世紀80年代末，我國對雙饋電動機開始研究，沈陽工業大學研究團隊首先開展了無刷雙饋電機的研究工作并獲得了國家自然科學基金項目的支持，隨后的浙江大學、重慶大學、西安交通大學、華南理工大學、太原理工大學也相繼開展了該種電機的相關研究工作。目前國內外對無刷雙饋電機的研究內容主要集中于電機的結構設計、電機的等效電路模型及參數計算等方面[15-17]。

（4）90年代末，冶金部自動化研究院在冷撥機上做了大量雙饋調速的工業性實驗。該裝置中，電動機采用額定功率 80kW，其同步轉速為 1000r/min，調速范圍在 800～12r/min 之間，轉子側變頻器接線方式采用三相零式接線方式，使得該系統功率因數由自然接線時的 0.7 左右提高到 0.9 以上，并可進行調節[18-21]。目前的研究主要也集中在蓄能電站風能雙饋發電機和無刷雙饋發電機、大型汽輪雙饋發電機[22-23]。在泵類設備以及新型無刷雙饋電動機研制方面。在國內高校中，沈陽工業大學、華中科技大學，清華大學和哈爾濱工業大學等都有研究成果。其中沈陽工業大學研制出一臺無刷雙饋電動機的實驗樣機，并已掌握了高達3 兆瓦雙饋式變速恒頻風力發電機組的設計[24-29]。目前有重慶大學、湖南大學、福州大學、浙江大學、華中科技大學、沈陽工業大學、湖北工業大學等對此技術有一定研究[30-31]。

4.發展動態

無刷雙饋電機具有良好的調速性能、可調節電網的無功和有功功率、效率高、可改善功率因數和提高電網的穩定性等特點,所以是有其廣闊的發展前途的高新技術產品,特別適合于風機、水泵、壓縮機等機械的調速傳動,并可很好的解決水電站水頭變化大和我國江河泥沙含量大帶來的水輪機發電問題[32-35]。

隨著科技的不斷進步,電動機異步、同步對定子繞組線圈、極數、轉速和頻率等條件的要求進一步成熟，無刷雙饋電機必將在我國得到很好的推廣應用：

（1）風機、泵類機械調速節能是當務之急，由于無刷雙饋電機是其較合理的調速方案，因而預計該項目首先會在該類機械交流調速系統中應用[36-38]；

（2）水電開發量大,而河流含泥沙量高,在水電站采用無刷雙饋發電機對提高機組效率,減輕氣蝕和泥沙磨損有很大價值,預計其在水電上也將得到廣泛應用[39]；

（3）我國風能儲量大,在風能電站采用無刷雙饋發電機可做到變速恒壓發電。因此,其在風力發電方面也具有廣泛應用前景[40]。

5.工程應用價值

江蘇省鎮江地區是比較有名的“魚米之鄉”，有不少的排灌站在設計時采用的是固定的揚程,而省內湖泊眾多，雨水量豐富，如果一旦發生洪澇災害，被檢測的水位超過設計的揚程時，電機就會被迫的停機，如果能使電機超同步運行,則可以解決泵站因水位過高而被迫停機的問題，但到了秋、冬季節江河湖泊的水位偏低，若感應電機能次同步運行,則可以提高節能的效果,增加經濟效益。省內大中型泵站的電機絕大部分是恒速運行的同步電機或異步電機。對泵站中的電機采用變速運行這一要求,其主要目的是緩解機組的效率與水泵的揚程之間的矛盾。無刷雙饋電機調速系統矢量解耦控制方案,繼承了串級調速效率高的優點,同時克服了變頻器選擇方面帶來的高昂成本的困難,又能實現電機超/低同步無極調速,成為了解決泵站電機調速難題的一個好辦法。

該課題的研究和應用可以對無刷雙饋電動機矢量解耦控制性能，將調速技術的理論研究與泵機電動系統實現有機地融合起來，解決實際問題，豐富自己的實踐教學經驗，也使得在以后教授電動機的時候能讓學生直接受益。

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