SINAMICS G130变频器在无刷双馈电机中的应用

1、概述

11.1引言：

近些年，随着变频调速技术的日趋成熟，也促进了无刷双馈电机技术的发展；国内的专家学者，对无刷双馈电机的理论研究也达到了的水平，而且大功率的无刷双馈电机已经在工业现场稳定运行。有关无刷双馈电机设计机理方面的内容不作详细介绍，本文仅仅从工程应用及变频驱动方面进行分析。

1.2项目背景：

中国某石化公司、中国某高校、中国某电机厂、西门子（中国）有限公司合作，由中国某石化公司提供现场应用环境，某高校和某电机厂提供无刷双馈电机的设计和生产，西门子（中国）有限公司提供G130变频器系统集成，及现场调试，实现了西门子变频器与无刷双馈电机的完美结合，并且实现了真正的工业现场运行。

1.3西门子G130变频器简介

西门子新一代SINAMICSG130变频器是西门子SINAMICS产品家族中，高性能单机传动产品，采用模块化设计，结构紧凑，大功率达到800ＫＷ，适用于所有单电机传动的应用，满足多种负载特性的要求，包括平方转矩、恒转矩及恒功率负载类型。满足电力、水及污水处理、石油化工、水泥、矿山、造纸、制药、冶金等行业标准。随着控制软件版本和调试软件Starter的不断升级，G130变频器有了很多更直观更方便的调试方法及新功能，用户可以轻松利用这些功能实现各种复杂的应用。

1.4无刷双馈电机简介

无刷双馈电机是一种新型交流电机，早在上个世纪70年代欧美等一些国家开始研究，无刷双馈电机源于两台绕线电机的串级联接，主要特点就是没有滑环和电刷（无刷），既有异步机特点也有同步机特点，结构紧凑，运行可靠，可以实现低压小功率变频器控制高压大功率电机调速，还可以调整高压侧功率因数。

2、驱动系统构成

2.1系统单线图（见图1）

2.2本系统控制逻辑：

2.2.1、无刷双馈电机异步启动过程：中控室向G130变频器发出启动命令，变频器控制Q1闭合，接入启动电阻，同时输出高压合闸指令，闭合高压断路器，实现高压电机串电阻启动；延时30秒（需要根据负载功率设置），绕组封星接触器Q2闭合，同时断开启动电阻接触器Q1，电机启动完成，电机异步运行。

2.2.2、无刷双馈电机牵入同步过程：Q2断开，Q3闭合，变频器启动，运行给定速度，随着变频器斜坡函数的变化，逐步将无刷双馈电机，由异步运行状态，牵入同步运行状态。

2.2.3、无刷双馈电机的运行过程：达到同步运行后，根据中控室发出的模拟量信号进行调速，无刷双馈电机可以运行在自然同步运行状态、超同步运行状态、亚同步运行状态。

2.2.4、无刷双馈电机的停止过程：首先由中控室调整模拟量，逐步减小变频器的输出频率，直到输出频率为0，电机逐渐降速，断开启动命令，停止变频器，同时输出高压分闸指令，分断高压侧断路器，电机自由旋转，直至完全停车。

2.2.5、系统故障处理逻辑：当变频器发生故障时，由内部控制软件，发出报警信号，同时将Q2闭合，将控制绕组封星，使无刷双馈电机异步运行，确保生产的连续性。

3、MVBDFM控制算法基于G130变频器驱动系统的实现

3.1.速度控制原理介绍：

这里无刷双馈电机调速公式不作具体推导，将电机转子理解为一个“磁极转换器”，类比异步电机转速公式，n0=60f/P,即无刷双馈电机转速公式为：

n0–双馈电机转速，fp-功率绕组频率，fc-控制绕组频率，pp-功率绕组磁极，pp-控制绕组磁极，

以一台2、6极无刷双馈电机为例：功率绕组为6极，控制绕组为2极；

工频异步运行状态，即fc=0Hz，n0=60f/P＝60*50/4＝750rpm

变频同步运行状态，即fc为0-16Hz，n0=60f/P＝60*50/3＝750－1000rpm

所以调整变频器的输出频率即可以调整电机转速。

3.2.算法逻辑框图：（见图2）

3.3.功率因数调节原理：

以功率绕组定子侧磁链为定向,建立的d-q坐标系.这里忽略的定子电阻的压降,考虑稳态的三种情况：

A、功率因数=1，表现为阻性负载。（图3）

B、功率因数滞后,表现为感性负载。（图4）

C、功率因数超前,表现为容性负载。（图5）

3.3.1、变量说明：

4、过程中的问题及注意事项

4.1启动时大电流冲击问题：当绕组封星接触器Q2断开后，Q3闭合，然后变频器输出，此时会产生一个大的冲击电流，通常可以加入电抗器限制电流突变，同时还要考虑调整变频器的低频电压提升值，通常将低频电压提升减小，但是提升值过小，还有可能导致牵入同步过程变得困难，需要根据实际负载情况调整。

4.2牵入同步过程中的扰动问题：对于牵入同步过程，速度扰动，可能会将变频器的直流母线电压拉高，为保证变频器不发生过电压故障，需要选配制动单元和制动电阻。

4.3系统除了常规变频器、电机的保护之外，鉴于无刷双馈电机还兼有同步机的特点，还需要注意欠励磁、过励磁的保护、失步保护。

5、系统优劣对比及应用前景展望

无刷双馈电机与通用低压变频器组成的传动系统，与高压变频器与高压电机组成的传动系统相比，有很多优点：

5.1价格优势，与高压变频器和高压电机驱动配置，同功率等级，价格要低20%-30%左右，原因是低压交流变频器比高压变频器价格低，低压交流变频器的功率约占电机功率的1/3，可以用一台小功率变频器来控制大功率电机。

5.2安装优势，与高压变频器相比，低压变频柜体积相当于高压变频柜体积的1/2。

5.3系统运行可靠性高，当变频器发生故障时，可以将低压绕组直接短封，使得高压电机在异步状态下运行，确保设备不停机，不影响生产。

5.4系统构成简单，与高压变频柜相比，没有复杂的冷却系统。

对于低压变频柜，包含进线柜，全部采用低压器件，无须高压系统的运行维护条件，降低了系统维护费用。

SINAMICSG130变频器的软件功能，使用方便，可以编制复杂的控制逻辑，系统无需额外增加PLC等控制器。

无刷双馈电机变频系统，可用于过去采用液力耦合器调速的风机泵类改造，以及过去靠阀门调节流量的定速运行的风机泵类进行改造，其操作方便，而且有明显的节能效果。

当然作为一种新型交流电机，无刷双馈电机目前还存在一些不足，比如：无刷双馈电机调速范围比较窄，外围的开关器件复杂，存在失步的风险，无论是笼型转子结构还是磁阻型转子结构，制造工艺比较复杂。

总体看，无刷双馈电机自身还有一些不足，但是无刷双馈电机与低压变频器组成的系统，与高压传动系统相比，有明显特点和优势，值得推广。

6、结束语

中国某石化公司，烷循水泵驱动系统由G130变频器和无刷双馈电机组成，已经稳定运行一年多的时间，其“静音、高效、稳定、节能”的品质受到了用户的肯定和好评，此次西门子SINAMICSG130变频器驱动无刷双馈电机的成功应用，在国内属首例，另外此功率段无刷双馈电机从实验室到真正工业现场运行，在国际上也是首例，目前国内已经生产出1.2MW的无刷双馈电机，而且已经通过了出厂测试实验；G130变频器驱动无刷双馈电机的成功应用，为今后西门子驱动产品的推广以及无刷双馈电机驱动技术的发展和应用奠定了基础，也希望就其启动方式、控制控制方式、算法等等和各位同仁探讨学习。