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，也促進了無刷雙饋電機技術(shù)的發(fā)展；國內(nèi)的專家學(xué)者，對無刷雙饋電機的理論研究也達到了世界領(lǐng)先的水平，而且大功率的無刷雙饋電機已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定運行。有關(guān)無刷雙饋電機設(shè)計機理方面的內(nèi)容不作詳細介紹，本文僅僅從工程應(yīng)用及變頻驅(qū)動方面進行分析。

1.2項目背景：

    中國某石化公司、中國某高校、中國某電機廠、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，某高校和某電機廠提供無刷雙饋電機的設(shè)計和生產(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，實現(xiàn)了西門子變頻器與無刷雙饋電機的完美結(jié)合，并且實現(xiàn)了真正的工業(yè)現(xiàn)場運行。

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，高性能單機傳動產(chǎn)品，采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，最大功率達到800ＫＷ，適用于所有單電機傳動的應(yīng)用，滿足多種負載特性的要求，包括平方轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)矩及恒功率負載類型。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現(xiàn)各種復(fù)雜的應(yīng)用。

1.4無刷雙饋電機簡介

    無刷雙饋電機是一種新型交流電機，早在上個世紀(jì)70年代歐美等一些國家開始研究，無刷雙饋電機源于兩臺繞線電機的串級聯(lián)接，主要特點就是沒有滑環(huán)和電刷（無刷），既有異步機特點也有同步機特點，結(jié)構(gòu)緊湊，運行可靠，可以實現(xiàn)低壓小功率變頻器控制高壓大功率電機調(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，實現(xiàn)高壓電機串電阻啟動；延時30秒（需要根據(jù)負載功率設(shè)置），繞組封星接觸器Q2閉合，同時斷開啟動電阻接觸器Q1，電機啟動完成，電機異步運行。

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

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

    2.2.4、無刷雙饋電機的停止過程：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，分斷高壓側(cè)斷路器，電機自由旋轉(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，使無刷雙饋電機異步運行，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)的實現(xiàn)

3.1.速度控制原理介紹：

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

    n0–雙饋電機轉(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極無刷雙饋電機為例：功率繞組為6極，控制繞組為2極；

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

    變頻同步運行狀態(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)為阻性負載。（圖3）

    B、功率因數(shù)滯后,表現(xiàn)為感性負載。（圖4）

    C、功率因數(shù)超前,表現(xiàn)為容性負載。（圖5）

3.3.1、變量說明：

4、過程中的問題及注意事項

    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?？梢约尤腚娍蛊飨拗齐娏魍蛔?，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)實際負載情況調(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、電機的保護之外，鑒于無刷雙饋電機還兼有同步機的特點，還需要注意欠勵磁、過勵磁的保護、失步保護。

5、系統(tǒng)優(yōu)劣對比及應(yīng)用前景展望

    無刷雙饋電機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組成的傳動系統(tǒng)相比，有很多優(yōu)點：

    5.1價格優(yōu)勢，與高壓變頻器和高壓電機驅(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功率的1/3，可以用一臺小功率變頻器來控制大功率電機。

    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，使得高壓電機在異步狀態(tài)下運行，確保設(shè)備不停機，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，包含進線柜，全部采用低壓器件，無須高壓系統(tǒng)的運行維護條件，降低了系統(tǒng)維護費用。

    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。

    無刷雙饋電機變頻系統(tǒng)，可用于過去采用液力耦合器調(diào)速的風(fēng)機泵類改造，以及過去靠閥門調(diào)節(jié)流量的定速運行的風(fēng)機泵類進行改造，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，無刷雙饋電機目前還存在一些不足，比如：無刷雙饋電機調(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，無刷雙饋電機自身還有一些不足，但是無刷雙饋電機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組成，已經(jīng)穩(wěn)定運行一年多的時間，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從實驗室到真正工業(yè)現(xiàn)場運行，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，而且已經(jīng)通過了出廠測試實驗；G130變頻器驅(qū)動無刷雙饋電機的成功應(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)。

參考文獻

[1]高性能單機傳動變頻調(diào)速器產(chǎn)品目錄[M].D11.CN.西門子（中國）有限公司，2011.

[2]SINAMICSG130變頻調(diào)速柜75kw-800kw操作說明[M].西門子（中國）有限公司，2008.

[3]SINAMICS-LowVoltageEngineeringManualSINAMICSG130,G150,S120Chassis,S120CabinetModules,S150[M].6.1.SIEMENS,2011

[4]王雪帆，一種轉(zhuǎn)子繞組采用變級法設(shè)計的新型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機[J].中國電機工程學(xué)報，2003，23（6）：108-111