山東科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系 王德彬

無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)淺析

山東科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系 王德彬

無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)是一種新型的電動(dòng)機(jī)，具有運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；它不但具有繞線式感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，還具有鼠籠型感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且具有永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的無(wú)刷可靠性。能夠進(jìn)行頻率和電壓保持不變而轉(zhuǎn)速改變的運(yùn)行,非常適合應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電或水力發(fā)電行業(yè)。

無(wú)刷雙饋電機(jī)；數(shù)學(xué)模型；矢量控制

本課題對(duì)現(xiàn)有的灌溉設(shè)備及機(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，現(xiàn)有的灌溉動(dòng)力系統(tǒng)多是直流電動(dòng)機(jī)，雖然直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能、良好的調(diào)速性能和控制性能，并因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)在需要調(diào)速的高性能拖動(dòng)系統(tǒng)中曾經(jīng)得到了很多很廣的應(yīng)用。但是普通的直流電動(dòng)機(jī)具有它本身無(wú)法克服的因素-----機(jī)械換向裝置，也就是換向器和電刷。所以直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花和電磁干擾，而且電刷易磨損,需定期維護(hù)和更換。而無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)則不存在機(jī)械換向和電刷的問(wèn)題。

1.背景情況

隨著工業(yè)化建設(shè)和農(nóng)產(chǎn)品生成規(guī)模進(jìn)程的不斷推進(jìn)，利用傳統(tǒng)的泵機(jī)設(shè)備抽水灌溉，大功率、低效率的電動(dòng)泵機(jī)使得電力資源耗費(fèi)嚴(yán)重。

盡管灌溉用的直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，具有良好的調(diào)速性能和良好的控制性能的特點(diǎn)，但“高耗低效”的問(wèn)題也比較突顯，“十二五”規(guī)劃的指示精神和科學(xué)發(fā)展觀的理論思想都強(qiáng)調(diào)了我們要高效循環(huán)利用不可再生能源。

2.課題研究目的

本課題通過(guò)引進(jìn)無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力設(shè)施，變直流電機(jī)為交流電機(jī)?，F(xiàn)在泵站機(jī)組電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行方案有變級(jí)調(diào)速和變頻調(diào)速。變級(jí)調(diào)速是有極調(diào)速，級(jí)差較大，得不到平滑調(diào)速，調(diào)速不太理想。而變頻調(diào)速，因功率損耗大而且不適合在頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合下使用，同時(shí)購(gòu)買(mǎi)變頻器投資大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。鑒于變級(jí)調(diào)速和變頻調(diào)速的缺點(diǎn)，有效地解決泵站系統(tǒng)的調(diào)速問(wèn)題刻不容緩。最先實(shí)踐應(yīng)用的是串級(jí)調(diào)速，由于不能很好地調(diào)節(jié)電機(jī)的功率因數(shù)，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(jià)格昂貴，導(dǎo)致這種方案由于使用成本在很大程度地制約了推廣應(yīng)用。

3.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

最初，串級(jí)調(diào)速控制系統(tǒng)在企業(yè)中廣泛運(yùn)用,并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1]。美國(guó)、英國(guó)等國(guó)相繼開(kāi)展了對(duì)雙饋電機(jī)的研究。其中以美國(guó)的Wisconsin大學(xué)、Ohio州立大學(xué)、Oregon 州立大學(xué)為代表的高等院校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)進(jìn)行的研究較為深入,其研究?jī)?nèi)容涉及電機(jī)結(jié)構(gòu)的分析、數(shù)學(xué)模型的建立、控制策略的探討，時(shí)至今日為止,已經(jīng)對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的控制方法進(jìn)行了比較深的研究[2]。

（1）20世紀(jì)30年代，日本、前蘇聯(lián)等國(guó)家開(kāi)展雙饋控制技術(shù)的研究開(kāi)始地較早，其中最早開(kāi)展的是日本。日本剛開(kāi)始對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)的負(fù)載傳動(dòng)調(diào)速控制進(jìn)行了初步研究[3-6]，最近幾年，著力推廣飛輪儲(chǔ)能發(fā)電，來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)電網(wǎng)無(wú)功功率，還有在揚(yáng)水電站發(fā)電機(jī)組進(jìn)行恒定頻率發(fā)電，吸收負(fù)荷沖擊[7-10]。

（2）1981年就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行變頻調(diào)速抽水儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)組的研究，主要采用轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速，轉(zhuǎn)子鐵芯置有三相交流勵(lì)磁繞組(隱極結(jié)構(gòu))，轉(zhuǎn)子變頻器裝置采用 GTO 元件構(gòu)成交－直－交電流型逆變器或者循環(huán)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(chǔ)能發(fā)電機(jī)組，并投入運(yùn)行，它的發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量可達(dá)到345MW，轉(zhuǎn)速為 407-450 轉(zhuǎn)/分，流量為 154 立方米/秒。由此可以看出日本是世界上當(dāng)時(shí)在雙饋應(yīng)用上研究較早、機(jī)組較多以及容量較大的國(guó)家之一[11-14]。前蘇聯(lián)研發(fā)并生產(chǎn)出應(yīng)用于火力發(fā)電站的雙饋電動(dòng)機(jī)及控制系統(tǒng)，其容量在325KW～2200KW 之間。

（3）上世紀(jì)80年代末，我國(guó)對(duì)雙饋電動(dòng)機(jī)開(kāi)始研究，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首先開(kāi)展了無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究工作并獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持，隨后的浙江大學(xué)、重慶大學(xué)、西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、太原理工大學(xué)也相繼開(kāi)展了該種電機(jī)的相關(guān)研究工作。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究?jī)?nèi)容主要集中于電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)的等效電路模型及參數(shù)計(jì)算等方面[15-17]。

（4）90年代末，冶金部自動(dòng)化研究院在冷撥機(jī)上做了大量雙饋調(diào)速的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)。該裝置中，電動(dòng)機(jī)采用額定功率 80kW，其同步轉(zhuǎn)速為 1000r/min，調(diào)速范圍在 800～12r/min 之間，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器接線方式采用三相零式接線方式，使得該系統(tǒng)功率因數(shù)由自然接線時(shí)的 0.7 左右提高到 0.9 以上，并可進(jìn)行調(diào)節(jié)[18-21]。目前的研究主要也集中在蓄能電站風(fēng)能雙饋發(fā)電機(jī)和無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)、大型汽輪雙饋發(fā)電機(jī)[22-23]。在泵類(lèi)設(shè)備以及新型無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)研制方面。在國(guó)內(nèi)高校中，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)，清華大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等都有研究成果。其中沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研制出一臺(tái)無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并已掌握了高達(dá)3 兆瓦雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)[24-29]。目前有重慶大學(xué)、湖南大學(xué)、福州大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、湖北工業(yè)大學(xué)等對(duì)此技術(shù)有一定研究[30-31]。

4.發(fā)展動(dòng)態(tài)

無(wú)刷雙饋電機(jī)具有良好的調(diào)速性能、可調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無(wú)功和有功功率、效率高、可改善功率因數(shù)和提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性等特點(diǎn),所以是有其廣闊的發(fā)展前途的高新技術(shù)產(chǎn)品,特別適合于風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等機(jī)械的調(diào)速傳動(dòng),并可很好的解決水電站水頭變化大和我國(guó)江河泥沙含量大帶來(lái)的水輪機(jī)發(fā)電問(wèn)題[32-35]。

隨著科技的不斷進(jìn)步,電動(dòng)機(jī)異步、同步對(duì)定子繞組線圈、極數(shù)、轉(zhuǎn)速和頻率等條件的要求進(jìn)一步成熟，無(wú)刷雙饋電機(jī)必將在我國(guó)得到很好的推廣應(yīng)用：

（1）風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)機(jī)械調(diào)速節(jié)能是當(dāng)務(wù)之急，由于無(wú)刷雙饋電機(jī)是其較合理的調(diào)速方案，因而預(yù)計(jì)該項(xiàng)目首先會(huì)在該類(lèi)機(jī)械交流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用[36-38]；

（2）水電開(kāi)發(fā)量大,而河流含泥沙量高,在水電站采用無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)對(duì)提高機(jī)組效率,減輕氣蝕和泥沙磨損有很大價(jià)值,預(yù)計(jì)其在水電上也將得到廣泛應(yīng)用[39]；

（3）我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量大,在風(fēng)能電站采用無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)可做到變速恒壓發(fā)電。因此,其在風(fēng)力發(fā)電方面也具有廣泛應(yīng)用前景[40]。

5.工程應(yīng)用價(jià)值

江蘇省鎮(zhèn)江地區(qū)是比較有名的“魚(yú)米之鄉(xiāng)”，有不少的排灌站在設(shè)計(jì)時(shí)采用的是固定的揚(yáng)程,而省內(nèi)湖泊眾多，雨水量豐富，如果一旦發(fā)生洪澇災(zāi)害，被檢測(cè)的水位超過(guò)設(shè)計(jì)的揚(yáng)程時(shí)，電機(jī)就會(huì)被迫的停機(jī)，如果能使電機(jī)超同步運(yùn)行,則可以解決泵站因水位過(guò)高而被迫停機(jī)的問(wèn)題，但到了秋、冬季節(jié)江河湖泊的水位偏低，若感應(yīng)電機(jī)能次同步運(yùn)行,則可以提高節(jié)能的效果,增加經(jīng)濟(jì)效益。省內(nèi)大中型泵站的電機(jī)絕大部分是恒速運(yùn)行的同步電機(jī)或異步電機(jī)。對(duì)泵站中的電機(jī)采用變速運(yùn)行這一要求,其主要目的是緩解機(jī)組的效率與水泵的揚(yáng)程之間的矛盾。無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)矢量解耦控制方案,繼承了串級(jí)調(diào)速效率高的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)克服了變頻器選擇方面帶來(lái)的高昂成本的困難,又能實(shí)現(xiàn)電機(jī)超/低同步無(wú)極調(diào)速,成為了解決泵站電機(jī)調(diào)速難題的一個(gè)好辦法。

該課題的研究和應(yīng)用可以對(duì)無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)矢量解耦控制性能，將調(diào)速技術(shù)的理論研究與泵機(jī)電動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有機(jī)地融合起來(lái)，解決實(shí)際問(wèn)題，豐富自己的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，也使得在以后教授電動(dòng)機(jī)的時(shí)候能讓學(xué)生直接受益。

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