无刷双馈同步电机变频调速系统节能技术应用

无刷双馈同步电机变频调速系统节能技术应用
孙明奇;刘紫玉
【摘要】根据风机、水泵的轴功率与转速平方成正比的特点,阐述了无刷双馈同步电机变频调速系统节能的原理,无刷双馈电动机变频调速系统中变频绕组只承担部分电功率,电动机所需的电功率大部分来自直接固定工频电源的电动机工频绕组,且无论工频绕组电压等级,变频绕组可通过特殊设计,实现低压供电,因此,无刷双馈电动机变频调速系统可由低压小功率变频器实现对高压容量电动机的变频调速控制,从而降低成本提高效率.
【期刊名称】《防爆电机》
【年(卷),期】2016(051)003
【总页数】4页(P26-28,35)
【关键词】无刷双馈同步电机;变频器;节能;风机;水泵
【作者】孙明奇;刘紫玉
【作者单位】吉林吉恩镍业股份有限公司,吉林吉林132000;佳木斯电机股份有限公司,黑龙江佳木斯154002
【正文语种】中文
【中图分类】TM301.2
风机和水泵在实际应用中数量众多，分布广泛，耗电量巨大。

据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约40 000MW，耗电量约占全国电力消耗总量的40%左右。

目前，靠节流调节变负荷运行的定速风机和水泵还有很大的节电潜
力，其潜力挖掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。

风机和水泵基本上都采用定速驱动，这种定速驱动的风机和水泵，如果需要调节服务点的压力或流量，一般采用节流阀或风门调节流量，这样就存在严重的节流损耗。

尤其在机组变负荷运行时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，降低了运行效率。

调查表明，我国风机运行效率低于70%的占1/2以上，低于50%的占1/5左右，有的甚至不到30%，结果是白白地浪费了大量的电能，因此，变频调速系统已经
到了非改不可的地步。

TWS系列无刷双馈同步电动(发电)机变频调速系统是由高压无刷双馈同步电动(发电)机和低压变频器组成，电机定子功率绕组分别由高压工频电源和低压变频电源
两路供电，通过调节低压电源频率来改变电机转速，可实现低压变频调速装置控制高压电动(发电)机，小容量变频调速装置控制大容量电动机的效果。

特别适用于调速范围50%以内的风机、水泵、压缩机等风机、泵用负载的变频节能应用，具有
明显的成本优势和节能效果。

无刷双馈同步电动(发电)机变频调速系统配置图见图1。

1.1 无刷双馈同步电动(发电)机变频调速系统原理
无刷双馈同步电动(发电)机变频调速系统:传统交流电动机变频调速系统中电动机变频电源完全由变频器提供，变频器承受电网电压并传输电动机所需的全部功率。

而无刷双馈电动机变频调速系统中变频绕组只承担部分电功率，电动机所需的电功率大部分来自于连接固定工频电源的电动机工频绕组，且无论工频绕组电压等级，变频绕组均可通过特殊设计实现低压供电。

因此，无刷双馈电动机变频调速系统可实现由低压小功率变频器对高压容量电动机的变频调速控制。

变频控制系统是一种配套无刷双馈电动机运行的新型变频调速装置，该装置利用工频绕组和变频绕组所产生的旋转磁场相互作用原理，通过同时检测无刷双馈电动机两套定子绕组的电压、电流，并进行傅立叶分解和矢量运算，对变频绕组进行变频
变压控制，进而实现变频调速运行。

无刷双馈电动机有两套定子绕组，分别提供不同电压、不同频率的工作电源，其输出转速满足
式中，fp—工频绕组频率；fc—变频绕组频率；Pp—工频绕组极对数；Pc—变频绕组极对数。

当fp和fc均为+50Hz时，电动机的理想转速为额定转速。

当fp为50Hz，fc为0Hz时，电动机的理想转速为自然同步转速。

那么当fc为负频率时，电动机运行在次同步速状态，fc为正频率时，电动机运行在超同步速，由无刷双馈电动机的特性决定；当fc为正频率时，变频绕组向电网吸收功率，当fc为负频率时变频绕组向电网输送功率，可见只有在超同步速运行时，电动机才具有高效特性，也就是从50%到100%额定转速的调速范围内，其电功率分别从工频绕组和变频绕组向电动机输送，效率很高。

无刷双馈电机绕组示意图见图2，无刷双馈调速系统框图见图3。

2.1 直接经济效益
900kW无刷双馈同步电动(发电)机变频调速系统应用，年节约达63万元。

一年度节省的电费可抵设备投资成本。

2.2 高效节能
传统变频调速系统中变频器效率约为95%左右，即变频器本身会产生45kW的损耗并承受10kV电压，而一台900kW的无刷双馈同步电动机只有约300kW经过变频绕组由380V低压变频器驱动控制，该变频器效率为96%，则该变频器的损耗为12kW。

由此可见，无刷双馈电动机变频调速系统不仅可以由成本更低的低压变频器供电，还可以节约电能33kW，同比节能3.6%。

2.3 投资成本低
传统交流电动机变频调速系统中电动机变频电源完全由变频器提供，变频器承受电网电压并传输电动机所需的全部功率。

而无刷双馈同步电动(发电)机变频调速系统
中变频绕组只承担部分电功率，电动机所需的电功率大部分来自直接固定高压工频电源的电动机工频绕组，且无论工频绕组电压等级，变频绕组可通过特殊设计，实现低压供电，因此无刷双馈电动(发电)机变频调速系统可由低压小功率变频器实现对高压大容量电动机的变频调速控制。

众所周知采用高压变频器的交流变频调速系统的高压变频器的造价较高，特别是在大容量电动机调速系统中，所使用的高压变频器价格极其昂贵，而我们采用低压变频器小功率价格便宜，且国内产品技术非常成熟，使投资成本大大的降低。

2.4 系统可靠性高
高压变频器的可靠性目前还是远远低于低压变频器，传统的高压变频调速系统是完全由高压变频器控制，而无刷双馈同步电动(发电)机变频调速系统是由工频电源和低压变频器配合控制。

当变频器故障时，传统的高压控制系统控制电动机将不能运行，而无刷双馈同步电动(发电)机具有自然同步转速运行功能，可不停机自动切换到自然同步速度下运行，在一定程度上保证了运行需要。

2.5 控制简单、维护费用低
高压变频器的交流变频调速系统其控制系统很复杂，操作维护费用很高，而无刷双馈电动(发电)机变频调速系统可实现由低压小功率变频器对高压大容量电动机的变频调速控制，控制过程简单，技术成熟，大大提高了系统的可靠性、稳定性，并且大大降低了系统使用维护成本。

同时，无刷双馈电动(发电)机结构简单、坚固耐用，转子上取消了电刷和滑环，运行安全可靠，维护成本更低，且具有良好的起动和运行性能，能方便的实现变频、起动和运行。

2.6 便于改造，投资成本低
由于无刷双馈电动(发电)机变频调速系统是低压变频器控制，低压变频器的体积要远远小于高压变频器，设备占地面积小，非常适合改造项目，可在原有的空间进行设备更换，不用增加厂房，大大节约了投资成本。

2.7 减少了对电网的冲击
采用无刷双馈同步电动(发电)机变频调速系统改造后，电机实现软启软停，启动电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。

在整个运行范围内，电机确保了运行平稳，损耗减小，温升正常，无任何附加的异常振动和噪音。

2.8 提高功率因数
变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近l，工作电流比电机额定电流值要低许多,这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用,为电网节约容量。

2.9 增强电机的保护功能
具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电机。

2.10 实现高度自动化
调速系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由手动转变为监控，完全实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。

2.11 增强系统运行的可靠性
无刷双馈同步电动(发电)机变频调速系统适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-35%～+15%之间波动时，系统均可正常运行。

通过对无刷双馈同步电动(发电)机变频调速系统的用电情况分析，按照当前的运行环境，一次、二次风机采用无刷双馈变频调速系统运行方式。

如果进行变频改造，每年可以节约大量电能。

实践证明，无刷双馈同步电动(发电)机变频调速系统改造具有显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。

既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，同时还大大减少了设备维护、维修费用，另外能很好地改善功率因数，也可以为电网节约容
量，直接和间接经济效益十分明显。

【相关文献】
[1] 王雪帆.一种转子绕组采用变极法设计的新型无刷双馈电机.中国电机工程学报，2003.
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