無(wú)刷雙饋電機(jī)在石化行業(yè)的應(yīng)用

陶 駿

（中石化工程建設(shè)公司電氣室，北京 100101）

能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，依靠技術(shù)進(jìn)步降低能源消耗是實(shí)施“可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”的必要措施和國(guó)策。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機(jī)變頻控制系統(tǒng)以其優(yōu)異的調(diào)速節(jié)能特性在石化行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，采用交流變頻調(diào)速控制的電機(jī)比工頻狀態(tài)運(yùn)行的電機(jī)可節(jié)約電能30%～50%，節(jié)能效果顯著。

1 無(wú)刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行原理及基本結(jié)構(gòu)

近年來(lái)一種新型變頻調(diào)速電機(jī)—無(wú)刷雙饋電機(jī)（Brushless Doubly-fed Machine，簡(jiǎn)稱BDFM）正在被眾多的國(guó)內(nèi)外科研工作者關(guān)注和研究。我國(guó)對(duì)繞線式轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究目前任處于樣機(jī)試運(yùn)行階段，一些高校和研究機(jī)構(gòu)正在加大研制力度，爭(zhēng)取早日市場(chǎng)化。

無(wú)刷雙饋電機(jī)的雛形源于串級(jí)感應(yīng)電機(jī)，即將兩臺(tái)繞線式異步電機(jī)同軸連接，轉(zhuǎn)子繞組反相序相接，通過(guò)調(diào)節(jié)第二臺(tái)電機(jī)定子繞組所串電阻來(lái)調(diào)速，如圖1所示。級(jí)聯(lián)電機(jī)系統(tǒng)從第一臺(tái)電機(jī)的定子側(cè)輸入電功率，通過(guò)轉(zhuǎn)子傳遞給第二臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組側(cè)，第二臺(tái)電機(jī)的定子繞組外接電阻短接。省去了滑環(huán)，系統(tǒng)通過(guò)改變外接電阻大小就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種特殊結(jié)構(gòu)可以使電機(jī)以較低速度運(yùn)行，并可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的平滑調(diào)速。后來(lái)經(jīng)過(guò)學(xué)者們的不斷改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)刷化。到 20世紀(jì)70年代后期，伴隨著電子器件的日新月異，使交流電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)獲得了很大的發(fā)展。無(wú)刷雙饋電機(jī)的發(fā)展也非常迅速，由于定子繞組可以雙饋，當(dāng)作為交流調(diào)速電機(jī)時(shí)，僅需控制繞組提供滑差功率，大大減小變頻器的容量，降低系統(tǒng)成本。選擇合適的定轉(zhuǎn)子極數(shù)可以使同步轉(zhuǎn)速非常低，特別適合風(fēng)力、水力發(fā)電等行業(yè)，在石化行業(yè)也有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。

圖1 無(wú)刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)原理圖

無(wú)刷雙饋電機(jī)與兩臺(tái)極聯(lián)的感應(yīng)電機(jī)的工作原理相同。

如果第一臺(tái)電機(jī)的定子輸入的電功率是PN，當(dāng)運(yùn)行于某一轉(zhuǎn)速時(shí)的兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)差分別是 Sp和Sc?？梢缘玫降谝慌_(tái)電機(jī)的機(jī)械功率：

忽略了電機(jī)的其他損耗，SpPN就成為第一臺(tái)電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)子傳給第二臺(tái)電機(jī)的電功率，由于第二臺(tái)電機(jī)的功率來(lái)源于它的轉(zhuǎn)子，第二臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)子按變壓器原理為原邊，而第二臺(tái)電機(jī)的定子為副邊。第二臺(tái)電機(jī)軸上產(chǎn)生的機(jī)械功率就是

整個(gè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)軸上的輸出機(jī)械功率為

上式的SpScPN就是第二臺(tái)電機(jī)定子外接電阻上消耗的電功率。如果改變第二臺(tái)電機(jī)副邊電阻的阻值，則消耗在其上的功率SpScPN將發(fā)生變化。在PN一定的前提下，SpSc將發(fā)生變化，即等效滑差S=SpSc變化，相應(yīng)的第二臺(tái)電機(jī)的副邊電流頻率也會(huì)隨之變化。因此，如果我們能夠改變第二臺(tái)電機(jī)副邊的電流頻率，就會(huì)反過(guò)來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

無(wú)刷雙饋電機(jī)即用變頻器來(lái)替代原理電機(jī)中的外接電阻來(lái)，通過(guò)對(duì)第二臺(tái)副變電流頻率的調(diào)節(jié)來(lái)改變整個(gè)等效滑差。目前成熟的BDFM結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，定子鐵心中安放兩套對(duì)稱分布的交流繞組，分別為功率繞組和控制繞組。

功率繞組Pp對(duì)極接入工頻電源（fp）、控制繞組Pc對(duì)極接變頻器（fc），兩套繞組同時(shí)通電，在氣隙中產(chǎn)生兩種不同的磁場(chǎng)，通過(guò)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)能量傳遞。

圖2 無(wú)刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)示意圖

當(dāng)其雙饋運(yùn)行時(shí)，功率繞組接工頻電源，控制繞組接變頻器，通過(guò)改變變頻器的輸出頻率fc調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

無(wú)刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行情況相當(dāng)于一臺(tái) Pp+Pc對(duì)極繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)，其功率繞組和控制繞組分別相當(dāng)于繞線式感應(yīng)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。該種電機(jī)具有自起動(dòng)能力，可實(shí)現(xiàn)異步運(yùn)行、同步運(yùn)行和雙饋調(diào)速等多種電動(dòng)運(yùn)行方式；當(dāng)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，可實(shí)現(xiàn)變速恒頻恒壓發(fā)電。

2 采用無(wú)刷雙饋電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)

BDFM作為電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，最佳工作范圍在同步轉(zhuǎn)速附近，此時(shí)帶負(fù)載能力強(qiáng)，所需變頻器的容量較小。定子控制繞組提供的電磁功率與控制頻率成正比。為了降低控制繞組變頻器的容量，此種電機(jī)適合拖動(dòng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小的風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，變頻器的容量可以根據(jù)系統(tǒng)的速度變化范圍來(lái)設(shè)計(jì)。采用無(wú)刷雙饋電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

1）由于電機(jī)采用定子雙饋方法，沒(méi)有電刷和滑環(huán)等裝置，增加了運(yùn)行的可靠性，降低了維護(hù)成本。

2）變頻電源只需給控制繞組供電，其容量遠(yuǎn)小于電機(jī)的額定容量，可以大大降低變頻器的容量，從而降低整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的成本。

3）電機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)。

4）當(dāng)變頻器故障時(shí)，可以斷開(kāi)控制繞組電源，僅由功率繞組提供電能，進(jìn)行異步運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

5）可以方便的實(shí)現(xiàn)異步、同步、雙饋和變速恒頻發(fā)電等多種運(yùn)行方式，被認(rèn)為在調(diào)速驅(qū)動(dòng)（ASD）和變速恒頻發(fā)電（VSG）中有廣泛引用。

3 采用無(wú)刷雙饋電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)在石化行業(yè)的應(yīng)用前景分析

由于工藝流程的行業(yè)特殊性，石化行業(yè)內(nèi)一般用電負(fù)載均根據(jù)滿負(fù)荷工作來(lái)選則電動(dòng)機(jī)，實(shí)際應(yīng)用大部分機(jī)泵類負(fù)荷均運(yùn)行在輕載狀態(tài)，電能的消耗占整個(gè)能耗指標(biāo)的首位，因此節(jié)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用成為行業(yè)發(fā)展優(yōu)先重視考慮的問(wèn)題。隨著變頻技術(shù)在石化行業(yè)內(nèi)的快速推廣應(yīng)用，電機(jī)的調(diào)速方式發(fā)生了根本性的變化。電動(dòng)機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變動(dòng)狀況實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，由于電動(dòng)機(jī)的軸功率輸出 P與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的立方成正比，因此轉(zhuǎn)速的變化可以獲得巨大的節(jié)能效果。

盡管采用變頻調(diào)速控制方式的節(jié)能效果顯著，但是因?yàn)樽冾l控制方式也存在許多問(wèn)題：①高壓變頻器的造價(jià)太高，受電力電子器件電壓及電機(jī)允許的dv/dt限制；6kV/10kV變頻器必須采用多器件的串并聯(lián)，造成線路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，系統(tǒng)的可靠性差。②低壓變頻器容量選擇通常需考慮比其所帶電機(jī)功率高一檔。由此造成初期投資巨大，回收成本周期過(guò)長(zhǎng)。所以如何能夠有效降低變頻器容量，從而達(dá)到降低整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的投資成為行業(yè)內(nèi)大力推廣變頻節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵。

以中石化集團(tuán)下屬某500萬(wàn)噸煉廠為例：2萬(wàn)標(biāo)立循環(huán)水廠的5座冷卻塔所配風(fēng)機(jī)負(fù)載需要5臺(tái)220kW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通常風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在冬夏季的變化范圍為30%～50%；加氫裂化工藝生產(chǎn)裝置中加熱爐通、引風(fēng)機(jī)功率為132kW/臺(tái)，其轉(zhuǎn)速的變化范圍為30%～50%，為了節(jié)能減排需要采用變頻調(diào)速控制方案。

方案一：160～1000kW 的電動(dòng)機(jī)可采用6kV或0.66kV變頻器調(diào)速，以 220kW 電動(dòng)機(jī)為例，6kV變頻器造價(jià)80萬(wàn)/臺(tái)，總投資400萬(wàn) ；0.66kV變頻器25萬(wàn)，總投資100萬(wàn)。160kW以下的電動(dòng)機(jī)采用 0.38kV變頻器調(diào)速，以 132kW 電動(dòng)機(jī)為例。0.38kV變頻器造價(jià)18萬(wàn)/臺(tái)，總投資36萬(wàn)。

方案二：采用無(wú)刷雙饋電機(jī)配合低壓變頻器的方式，220kW電動(dòng)機(jī)的定子功率繞組為165kW，控制繞組為55kW，對(duì)應(yīng)的控制繞組可采用0.38kV變頻器控制，每臺(tái)變頻器造價(jià) 6～8萬(wàn)，總投資 30～40萬(wàn)。132kW電動(dòng)機(jī)的定子功率繞組為100kW，控制繞組為32kW，控制繞組對(duì)應(yīng)的0.38kV變頻器單臺(tái)造價(jià)5～6萬(wàn)，總投資10～12萬(wàn)。

由此可見(jiàn)，無(wú)刷雙饋電機(jī)可以使一部分需要變頻調(diào)速的高壓電機(jī)選用低壓變頻器，也可以使一部分需要變頻調(diào)速的低壓電機(jī)選用容量較小的低壓變頻器，從而大大節(jié)省一次性投資。無(wú)刷雙饋電機(jī)因其特殊的結(jié)構(gòu)形式其造價(jià)要比同類普通電機(jī)的造價(jià)高50%左右，因而在大功率的中壓電機(jī)市場(chǎng)更具有應(yīng)用推廣前景。

4 結(jié)論

煉油企業(yè)內(nèi)常減壓、催化裂化、連續(xù)重整、加氫裂化等大型裝置中的空冷風(fēng)機(jī)、加熱爐鼓、引風(fēng)機(jī)和部分工藝機(jī)泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)普遍需要采用變頻調(diào)速的節(jié)能方式，因而無(wú)刷雙饋電機(jī)非常適合應(yīng)用在此類場(chǎng)所。

截至2010年中石化煉油綜合能力為2.24億 t/年，相當(dāng)于44.8套同處理量的此類煉廠，由于6kV變頻設(shè)備前期投資巨大，回收成本相對(duì)較長(zhǎng)，大部分現(xiàn)有此類裝置只能采用工頻控制方案，長(zhǎng)期處于高耗能狀態(tài)，如果采用無(wú)刷雙饋電機(jī)配合0.38kV變頻器的方案，僅變頻器一次性投資就可節(jié)省約60%甚至更多，每年還能節(jié)約大量的電能，可以較快的收回成本。資料顯示，2015年底我國(guó)的煉油處理能力有望達(dá)到 6.9億噸以上的規(guī)模，如此巨大的市場(chǎng)如果能夠合理推廣運(yùn)用無(wú)刷雙饋電機(jī)不僅會(huì)大大節(jié)約投資，還能發(fā)揮更好的經(jīng)濟(jì)效益。

目前籠型和磁阻型BDFM的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行情況看還存在著以下的幾個(gè)問(wèn)題：①BDFM的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)熱量較普通感應(yīng)電機(jī)大；②結(jié)構(gòu)形式單一，如石化企業(yè)普遍適用的防爆結(jié)構(gòu)還在研究中。如果能夠進(jìn)一步解決了上述問(wèn)題，將會(huì)在石化行業(yè)有著更加廣闊的市場(chǎng)意義和前景。

參考資料

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