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一种新型变频调速电机 |
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类别：国际水泥|实用技术
日期：2012-5-7
来源：武汉金路达电机有限公司
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交流无刷双馈电机是一种新型变频调速电机，采用电网电源和变频电源同时供电的方式，具有运行可靠，动态特性好，并只要求由变频器为电机提供 “转差功率”，所要求的变频器容量小且可采用较低电压等级等特点。
作为无刷双馈电机早在半个世纪之前，世界上工业发达国家已投入研发，特别是近几年又有较大发展。例如2009年 英国剑桥大学工程系研发出世界首台20kw特种笼型转子无刷双馈风力发电机。2010年 美国俄亥俄大学研发出200kw磁阻型转子无刷双馈电机。但他们的产品至今均未能进入工业实用，因为电机本身还存在问题，电机气隙磁场谐波含量大且随负荷的变化而变化，转子电磁材料利用率低，电机效率低，噪音振动大，这些问题的瓶颈在于它们的转子结构所决定。华中科技大学王雪帆教授主导研发的“绕线转子无刷双馈电机”摆脱了“特种笼型转子”或“磁阻型转子”的束缚，转子采用绕线式结构，突破了无刷双馈电机的技术瓶颈，成功研发出世界首台绕线转子无刷双馈电机，并在工业领域得到实际应用，取得良好效果。最近通过了湖北省科技厅主持的鉴定，与会的院士专家一致认为，该电机技术属国际首创，达到国际先进水平，在节能减排领域具有巨大的推广应用价值，在国内外有着不可估量的潜在市场。
绕线转子无刷双馈调速电机的结构特点是：转子绕组是绕线式且为闭合回路，定子线圈有两套绕组，其中一套绕组是功率绕组，直接同电网连接，电压等级为380V，3kV，6 kV，10 kV。另一套绕组是控制绕组，它通过低压变频控制器同电网连接，两套绕组同时向电机馈电，根据电机的负荷变化，控制绕组在线改变馈电频率，使高压电机的转速满足负荷的要求，达到节能减排的目的。而变频控制器的容量可根据电机的调速范围来选型，其功率分配可由所选变频器的频率来决定，设变频器频率为f，则变频器功率分配应为f/(f+50)，例如变频器的频率为10HZ，则其功率分配为：10/(10+50)=16.67％，变频器最大容量小于电机容量的1/2，电机转速为：n=60(f +50)/p1+p2。
一、绕线转子无刷双馈调速电机的创新点
1. 提出具有低谐波含量的“双正弦”概念的高效绕线转子绕组，它完全消除了目前国内外研究的磁阻型转子和特殊笼型转子结构谐波含量高的固有缺陷。
2. 提出绕线式无刷双馈电机转子绕组“齿谐波”磁势法和“变极法”设计的理论和方法，在此基础上，根据绕线转子绕组的特点，进一步提出扩展转子槽数法，利用线圈的分布和短矩效应及“不等匝线圈”等技术控制绕组磁势谐波，提高了线圈导体利用率。
3. 提出无刷双馈电机转子合成磁势等驻波运行概念，由此选择了无刷双馈电机所具有的不同于有刷双馈电机以及级联式双馈电机的特性。
二、绕线转子无刷双馈调速电机的技术优势
1. 电机的转子是绕线式的，它无滑环无电刷，因此使用的成本低，无需维护和更换电刷，成本更低，机体更小，使用范围宽，环境适应能力更强，特别适合环境恶劣的场合，例如易燃易爆和多尘的地方。
2. 高可靠性.当变频控制器发生故障时，系统可不停机而自动切换到自然同步转速下运行，此时电机变成了无调速功能的感应定速电机，使其在工频高电压下运行，维持负荷稳定运行，特别是调速范围小的场合更是如此。
3. 小马拉大车.如前所述，该电机的变频控制器是低电压(380V)变频.而变频器的容量又是由电机的差转范围所决定，对于一般的泵或风机之类的通用机械.变频器的容量取电机容量的10％，已能满足调速要求，最大容量也不会大于电机容量的50％，此为典型的小马拉大车.
4. 低速大转矩输出.在较低输入电流的情况下，能获得很大的起动转矩，电机可恒功率输出，起动特性好.
5. 该电机运行特性为同步运行.
6. 由于转子绕组是无刷闭合回路，因此其机械特性为硬.
7. 电机动态特性好，调速范围宽，且效率较高.
8. 该电机调速系统同高电压变频调速系统相比，其节能效果还要高出三个百分点，系统的节电率一般在30％以上，而用户的资金投入又很低，对于1000kW/10kV的高压电机来说，若采用高压变频调速系统，仅购入高压变频器就需资金投入百万元，而采用绕线转子无刷双馈调速方案仅需投入50万元以下即可。
三、 绕线转子无刷双馈电机应用范围
绕线转子无刷双馈电机，除用作变频调速系统外，还可以用作发电机进行变速恒频发电，如船舶用轴带发电机、风力发电机、水力发电机等，不管原动机转速如何变化，只需在线改变频器的频率(即改变励磁电源频率)其发电机总处于恒频(50Hz)发电状态，且有着良好的低电压穿透能力.船舶轴带发电机已在中国长江航运集团公司的长江船舶上投入运行，使用效果优良，与传统的柴油发电机组相比，可节油百分之三十二。
综上所述，无刷双馈变频调速系统，产品技术成熟，性能稳定，可靠性高，使用方便，已在实践中应用，在相同调速范围内，对比任何一种交流调速系统，均具有性能指标优势，成本价格优势，安全可靠性优势，维护使用方便优势，节能效果明显，多项技术属国际首创，国际领先。该项目的推广应用将会大大提高当前电气传动技术水平，大规模降低能耗，爲我国低碳经济发展作出贡献。
武汉金路达电机有限公司拟组织量产绕线转子无刷双馈调速电机，具体安排正在进行中。希望能得到有关部门和单位的支持和关照，共同为我国节能减排作贡献。
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