無刷雙饋電機(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。而無刷雙饋電動(dòng)機(jī)則不存在機(jī)械換向和電刷的問題。

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

本課題通過引進(jìn)無刷雙饋電動(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)的場合下使用，同時(shí)購買變頻器投資大、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、英國等國相繼開展了對(duì)雙饋電機(jī)的研究。其中以美國的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)無刷雙饋電機(jī)進(jìn)行的研究較為深入,其研究內(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)等國家開展雙饋控制技術(shù)的研究開始地較早，其中最早開展的是日本。日本剛開始對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵類的負(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，來進(jìn)行調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率，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，我國對(duì)雙饋電動(dòng)機(jī)開始研究，沈陽工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首先開展了無刷雙饋電機(jī)的研究工作并獲得了國家自然科學(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)也相繼開展了該種電機(jī)的相關(guān)研究工作。目前國內(nèi)外對(duì)無刷雙饋電機(jī)的研究內(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)和無刷雙饋發(fā)電機(jī)、大型汽輪雙饋發(fā)電機(jī)[22-23]。在泵類設(shè)備以及新型無刷雙饋電動(dòng)機(jī)研制方面。在國內(nèi)高校中，沈陽工業(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。其中沈陽工業(yè)大學(xué)研制出一臺(tái)無刷雙饋電動(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江河泥沙含量大帶來的水輪機(jī)發(fā)電問題[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，無刷雙饋電機(jī)必將在我國得到很好的推廣應(yīng)用：

（1）風(fēng)機(jī)、泵類機(jī)械調(diào)速節(jié)能是當(dāng)務(wù)之急，由于無刷雙饋電機(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)在該類機(jī)械交流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用[36-38]；

（2）水電開發(fā)量大,而河流含泥沙量高,在水電站采用無刷雙饋發(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）我國風(fēng)能儲(chǔ)量大,在風(fēng)能電站采用無刷雙饋發(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，被檢測的水位超過設(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高而被迫停機(jī)的問題，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的高昂成本的困難,又能實(shí)現(xiàn)電機(jī)超/低同步無極調(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，解決實(shí)際問題，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。

[1]羅杰.無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性研究[D].重慶大學(xué),2012.

[2]胡堃,樊貝,薛冰.不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機(jī)的電磁和動(dòng)態(tài)特性分析[J].微特電機(jī),2012.

[3]韓力,羅杰,李景燦,潘紅.廣無刷雙饋電機(jī)穩(wěn)定性分析及其影響因素探討[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2013.

[4]潘紅廣.無刷雙饋電機(jī)無源性控制方法研究[D].重慶大學(xué),2012.

[5]程源.繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)特性研究[D].華中科技大學(xué),2012.

[6]韓力,潘紅廣,劉航航,羅杰,王華.無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的無源性控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2011.

[7]王華.無刷雙饋電機(jī)諧波損耗數(shù)值分析與電磁方案優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué),2012.

[8]林健華,楊俊華,張有松,呂惠子.基于模型參考自適應(yīng)的無刷雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2008.

[9]王秀平,張鳳閣.新型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)電磁設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2012.

[10]焦衛(wèi)星,程小華.無刷雙饋電機(jī)智能控制策略綜述[J].微電機(jī),2011.

[11]吳聶根,程小華.無刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型研究(第一部分:數(shù)學(xué)建模)[J].防爆電機(jī),2010.

[12]羅杰,韓力,王華,潘紅廣.無刷雙饋電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行特性研究[J].重慶市電機(jī)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議,2012.

[13]王樂英.無刷雙饋電機(jī)直接反饋控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法的研究[D].天津大學(xué),2011.

[14]薛冰,胡堃,樊貝.深槽式凸極轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)有限元分析[J].微特電機(jī),2012.

[15]姜文強(qiáng).基于TMS320F2812的級(jí)聯(lián)無刷雙饋電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].天津大學(xué),2011.

[16]焦衛(wèi)星,程小華.無刷雙饋電機(jī)工作原理和數(shù)學(xué)模型的研究[J].微電機(jī),2012.

[17]羅杰,韓力,王華,潘紅廣.無刷雙饋電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行特性研究[J].重慶市電機(jī)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議,2012.

[18]王樂英.無刷雙饋電機(jī)直接反饋控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法的研究[D].天津大學(xué),2011.

[19]陳堅(jiān),許建中.無刷雙饋電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在泵站中的應(yīng)用優(yōu)勢及前景[J].中國水利,2012.

[20]紀(jì)梁洲,楊向宇.無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].微電機(jī),2011.

[21]韓力,焦曉艷,李景燦,王華.無刷雙饋電機(jī)全域多工況溫度場的分析與計(jì)算[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2013.

[22]焦衛(wèi)星,程小華.無刷雙饋電機(jī)智能控制策略綜述[J].微電機(jī),2011.

[23]吳聶根,程小華.無刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型研究(第一部分:數(shù)學(xué)建模)[J].防爆電機(jī),2010.

[24]趙榮理,王昕,張愛玲.無刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型的研究和分析[J].微特電機(jī),2013.

[25]闞超豪.繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計(jì)和運(yùn)行特性研究[D].華中科技大學(xué),2010.

[26]樊貝,胡堃,薛冰.不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機(jī)磁場調(diào)制的分析[J].防爆電機(jī),2012.

[27]趙錚,劉慧娟,張千.徑向疊片磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的電磁場及溫度場分析[J].微電機(jī),2011.

[28]王秀平,郭瑞,王東瑞.無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用前景[J].硅谷,2012.

[29]姜文強(qiáng),吳慶勛,孫紅飛,蔣波.基于TMS320F2812的無刷雙饋電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011.

[30]劉航航,王華,羅杰.無刷雙饋電機(jī)功率流向分析[J].微特電機(jī),2011.

[31]鄧先明,方榮惠,王抗,張曉.等距籠型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的有限元分析[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2009.

[32]焦衛(wèi)星,程小華.無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行特性的研究與仿真[J].防爆電機(jī),2011.

[33]龔晟,楊向宇,紀(jì)梁洲.凸極轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的電感參數(shù)計(jì)算及轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2013.

[34]邵宗凱.無刷雙饋電機(jī)建模及智能控制策略研究[D].華中科技大學(xué),2010.

[35]姚興佳,石磊,郭慶鼎.基于模糊控制的無刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電源學(xué)報(bào),2011.

[36]侯春.綜述無刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理[J].考試周刊,2011.

[37]靳雷,陸曉強(qiáng).無刷雙饋電機(jī)的建模與仿真[J].電機(jī)技術(shù),2011.

[38]韓力,高強(qiáng),羅辭勇,謝李丹.無刷雙饋電機(jī)籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)磁場調(diào)制的影響[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2009.

[39]周贊強(qiáng).基于DSP的無刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].太原理工大學(xué),2010.

[40]劉航航,韓力.無刷雙饋電機(jī)控制策略發(fā)展綜述[J].微特電機(jī),2010.