SINAMICS G130變頻器在無刷雙饋電機中的應用

1、概述

11.1引言：

近些年，隨著變頻調速技術的日趨成熟，也促進了無刷雙饋電機技術的發展；國內的專家學者，對無刷雙饋電機的理論研究也達到了的水平，而且大功率的無刷雙饋電機已經在工業現場穩定運行。有關無刷雙饋電機設計機理方面的內容不作詳細介紹，本文僅僅從工程應用及變頻驅動方面進行分析。

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場應用環境，某高校和某電機廠提供無刷雙饋電機的設計和生產，西門子（中國）有限公司提供G130變頻器系統集成，及現場調試，實現了西門子變頻器與無刷雙饋電機的完美結合，并且實現了真正的工業現場運行。

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產品家族中，高性能單機傳動產品，采用模塊化設計，結構緊湊，大功率達到800KW，適用于所有單電機傳動的應用，滿足多種負載特性的要求，包括平方轉矩、恒轉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、冶金等行業標準。隨著控制軟件版本和調試軟件Starter的不斷升級，G130變頻器有了很多更直觀更方便的調試方法及新功能，用戶可以輕松利用這些功能實現各種復雜的應用。

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接，主要特點就是沒有滑環和電刷（無刷），既有異步機特點也有同步機特點，結構緊湊，運行可靠，可以實現低壓小功率變頻器控制高壓大功率電機調速，還可以調整高壓側功率因數。

2、驅動系統構成

2.1系統單線圖（見圖1）

2.2本系統控制邏輯：

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，實現高壓電機串電阻啟動；延時30秒（需要根據負載功率設置），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的變化，逐步將無刷雙饋電機，由異步運行狀態，牽入同步運行狀態。

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

2.2.4、無刷雙饋電機的停止過程：首先由中控室調整模擬量，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，分斷高壓側斷路器，電機自由旋轉，直至完全停車。

2.2.5、系統故障處理邏輯：當變頻器發生故障時，由內部控制軟件，發出報警信號，同時將Q2閉合，將控制繞組封星，使無刷雙饋電機異步運行，確保生產的連續性。

3、MVBDFM控制算法基于G130變頻器驅動系統的實現

3.1.速度控制原理介紹：

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

n0–雙饋電機轉速，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，即fc=0Hz，n0=60f/P＝60*50/4＝750rpm

變頻同步運行狀態，即fc為0-16Hz，n0=60f/P＝60*50/3＝750－1000rpm

所以調整變頻器的輸出頻率即可以調整電機轉速。

3.2.算法邏輯框圖：（見圖2）

3.3.功率因數調節原理：

以功率繞組定子側磁鏈為定向,建立的d-q坐標系.這里忽略的定子電阻的壓降,考慮穩態的三種情況：

A、功率因數=1，表現為阻性負載。（圖3）

B、功率因數滯后,表現為感性負載。（圖4）

C、功率因數超前,表現為容性負載。（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，此時會產生一個大的沖擊電流，通?？梢约尤腚娍蛊飨拗齐娏魍蛔儯瑫r還要考慮調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，還有可能導致牽入同步過程變得困難，需要根據實際負載情況調整。

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，為保證變頻器不發生過電壓故障，需要選配制動單元和制動電阻。

4.3系統除了常規變頻器、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、系統優劣對比及應用前景展望

無刷雙饋電機與通用低壓變頻器組成的傳動系統，與高壓變頻器與高壓電機組成的傳動系統相比，有很多優點：

5.1價格優勢，與高壓變頻器和高壓電機驅動配置，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安裝優勢，與高壓變頻器相比，低壓變頻柜體積相當于高壓變頻柜體積的1/2。

5.3系統運行可靠性高，當變頻器發生故障時，可以將低壓繞組直接短封，使得高壓電機在異步狀態下運行，確保設備不停機，不影響生產。

5.4系統構成簡單，與高壓變頻柜相比，沒有復雜的冷卻系統。

對于低壓變頻柜，包含進線柜，全部采用低壓器件，無須高壓系統的運行維護條件，降低了系統維護費用。

SINAMICSG130變頻器的軟件功能，使用方便，可以編制復雜的控制邏輯，系統無需額外增加PLC等控制器。

無刷雙饋電機變頻系統，可用于過去采用液力耦合器調速的風機泵類改造，以及過去靠閥門調節流量的定速運行的風機泵類進行改造，其操作方便，而且有明顯的節能效果。

當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：無刷雙饋電機調速范圍比較窄，外圍的開關器件復雜，存在失步的風險，無論是籠型轉子結構還是磁阻型轉子結構，制造工藝比較復雜。

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，與高壓傳動系統相比，有明顯特點和優勢，值得推廣。

6、結束語

中國某石化公司，烷循水泵驅動系統由G130變頻器和無刷雙饋電機組成，已經穩定運行一年多的時間，其“靜音、高效、穩定、節能”的品質受到了用戶的肯定和好評，此次西門子SINAMICSG130變頻器驅動無刷雙饋電機的成功應用，在國內屬首例，另外此功率段無刷雙饋電機從實驗室到真正工業現場運行，在國際上也是首例，目前國內已經生產出1.2MW的無刷雙饋電機，而且已經通過了出廠測試實驗；G130變頻器驅動無刷雙饋電機的成功應用，為今后西門子驅動產品的推廣以及無刷雙饋電機驅動技術的發展和應用奠定了基礎，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習。