異步電動(dòng)機(jī)回饋節(jié)能的研究與實(shí)現(xiàn)

孫增華

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系, 青島 266404）

節(jié)油降耗，能源回收，是當(dāng)今船舶節(jié)能技術(shù)研究的主要方向[1]。船舶軸帶發(fā)電和主機(jī)廢氣透平發(fā)電是實(shí)現(xiàn)船舶能量回饋節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)。軸帶發(fā)電機(jī)和廢氣透平發(fā)電機(jī)都從主機(jī)獲取盡可能多的富余能源，為船舶電站的主要組成部分。由于其轉(zhuǎn)速很不平穩(wěn)，又要將機(jī)械損耗和疲勞導(dǎo)致的損壞最小化，按照船舶發(fā)電機(jī)以最佳負(fù)荷率輸出功率，成為船舶電站控制的難點(diǎn)和熱點(diǎn)[2]。

另一方面，船舶主機(jī)試驗(yàn)設(shè)備多使用水力測(cè)功器為模擬負(fù)載，船舶電站試驗(yàn)設(shè)備多使用水電阻和電抗器為模擬負(fù)載，它們都體積大，安裝麻煩，成本高，負(fù)荷調(diào)節(jié)不精確，數(shù)據(jù)采集不便，難以進(jìn)行負(fù)荷特性試驗(yàn)，并且試驗(yàn)產(chǎn)生的能量以熱的形式散失掉，損耗嚴(yán)重。

變頻調(diào)速及其優(yōu)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“按需供能”，能量回饋節(jié)能技術(shù)將廢熱和機(jī)械能轉(zhuǎn)換而來的電能及時(shí)、高效地“回收”到電網(wǎng)，是提高效率的重要途徑。能量回饋節(jié)能技術(shù)采用有源逆變技術(shù)，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電，供周邊其它用電設(shè)備使用，節(jié)電效果十分明顯[3]。因此，研究異步電動(dòng)機(jī)回饋節(jié)能技術(shù)，提高能源回收利用具有重要現(xiàn)實(shí)意義！

1 回饋節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀

變頻調(diào)速系統(tǒng)的能量回饋解決方案中，因頻率突減或機(jī)械慣性，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)或減速狀態(tài)時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，通過逆變器回送到變頻器的直流回路中，利用中間直流環(huán)節(jié)電容兩端并聯(lián)電阻消耗再生能量。該方法成本低廉、構(gòu)造簡(jiǎn)單、對(duì)電網(wǎng)無污染，但制動(dòng)慢、運(yùn)行效率低，頻繁制動(dòng)時(shí)將消耗大量的能量且制動(dòng)電阻的容量也將增大。

只有能量回饋節(jié)能技術(shù)才能把這部分能量回收到電網(wǎng)，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)和電機(jī)的四象限運(yùn)行，提高系統(tǒng)的效率。其缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，成本較高且對(duì)電網(wǎng)有諧波污染。只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下才可采用這種回饋制動(dòng)方式。否則易發(fā)生換相失敗，損壞器件。

本文研究的能量回饋節(jié)能技術(shù)，不同于上述靜止變流技術(shù)，而是旋轉(zhuǎn)變流技術(shù)，將兩臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的輸出軸相聯(lián)接，一臺(tái)為電動(dòng)狀態(tài)，另一臺(tái)為發(fā)電狀態(tài)，由 Sinamics硬件系統(tǒng)和 SCOUT軟件進(jìn)行編程與監(jiān)控，讓這兩臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)對(duì)拖，回饋的電量又被用于電動(dòng)。該系統(tǒng)應(yīng)用于船舶電站的模擬負(fù)載，把機(jī)組輸出的功率回饋到局部電網(wǎng)，回饋的電量又用于電站系統(tǒng)加載，明顯的節(jié)能省電。

2 異步電動(dòng)機(jī)回饋節(jié)能技術(shù)的設(shè)計(jì)

利用 SIEMENS最新技術(shù) Sinamics 和SCOUT進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用圖形化編程語言，實(shí)現(xiàn)邏輯和運(yùn)算功能、工藝控制、運(yùn)動(dòng)控制于一體的異步電動(dòng)機(jī)回饋節(jié)能系統(tǒng)[1]，如圖1所示。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)能量回饋節(jié)能系統(tǒng)

主控部分以新一代 Sinamics S120[4,5]系列驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)，作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，CU320不僅要完成驅(qū)動(dòng)部分的控制還要負(fù)責(zé)通訊部分的功能，端子模塊可以通過 DRIVE-CLiQ 連接，也可通過 PROFIBUS 分配的 I/O 擴(kuò)展接口完成相應(yīng)的功能，同時(shí)，控制單元和其它驅(qū)動(dòng)組件通過 DRIVE-CLiQ進(jìn)行通訊完成數(shù)據(jù)的傳輸及處理?？刂茊卧狢U320控制和協(xié)調(diào)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的所有模塊，完成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的控制。

采用異步電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是籠型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固，無集電環(huán)和碳刷，可靠性高，不受使用場(chǎng)所限制。由于無轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)，不需要同期及電壓調(diào)節(jié)裝置，電站設(shè)備簡(jiǎn)化，負(fù)荷控制十分簡(jiǎn)單，異步電機(jī)盡管可能出現(xiàn)功率搖擺現(xiàn)象，但無同步發(fā)電機(jī)類似的振蕩和失步問題，并網(wǎng)操作簡(jiǎn)便。但是，異步電機(jī)的主要缺點(diǎn)是需要電網(wǎng)提供自身所需的勵(lì)磁無功功率，因此異步電機(jī)是電網(wǎng)的無功負(fù)載。

SIEMENS最新推出高可靠性 Sinamics，集V/f、矢量控制及伺服控制于一體的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，能控制普通的三相異步電機(jī)、同步電機(jī)、扭矩電機(jī)及直線電機(jī)[4,5]。帶升壓變頻自整流的供電/饋電裝置ALM產(chǎn)生可升高的、可調(diào)節(jié)型直流母線電壓，從而使連接的電機(jī)模塊不受電源波動(dòng)誤差的影響。調(diào)節(jié)型電源模塊可將 100%的電源功率反饋給供電系統(tǒng)。必要時(shí)調(diào)節(jié)型電源模塊也執(zhí)行無功功率補(bǔ)償?shù)墓δ?。異步電?dòng)機(jī)回饋節(jié)能系統(tǒng)不再局限于再生制動(dòng)過程，能實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)和電源質(zhì)量管理，具有很高的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

3 異步電動(dòng)機(jī)回饋節(jié)能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

利用Sinamics S120硬件和SCOUT V4.1軟件建立實(shí)物平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)能量回饋節(jié)能技術(shù)。應(yīng)用SCOUT模塊化編程[6]，在線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析方便?？蓪?duì)電機(jī)進(jìn)行辨識(shí)，獲得電機(jī)參數(shù)，如圖2所示。

圖2 異步電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)

消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染并提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行以成為變頻技術(shù)不可回避的問題。為此，PWM 整流技術(shù)的研究，新型單位功率因數(shù)變流器的開發(fā)，在國(guó)內(nèi)外引起廣泛的關(guān)注。整流電路中采用自關(guān)斷器件進(jìn)行PWM控制，可使電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波并且功率因數(shù)接近1，可徹底解決對(duì)電網(wǎng)的污染問題。

由PWM整流器和PWM逆變器無需增加任何附加電路，就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率因數(shù)近似等于1，消除網(wǎng)側(cè)諧波污染，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，使電機(jī)很快達(dá)到速度要求，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短。雙PWM控制技術(shù)打破了過去變頻器的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，采用PWM整流器和 PWM 逆變器提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，形成了高質(zhì)量能量回饋技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。PWM變頻器如圖3所示。

圖3 PWM變頻器在線監(jiān)控界面

異步電動(dòng)機(jī)回饋節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于船舶電站和柴油機(jī)的調(diào)試與實(shí)操訓(xùn)練，能進(jìn)行精確的、全面的負(fù)荷特性試驗(yàn)，解決不能進(jìn)行負(fù)荷特性分析的難點(diǎn)，提高了輪機(jī)員的培訓(xùn)質(zhì)量和訓(xùn)練效果。實(shí)現(xiàn)了可再生能源的利用，降低成本，滿足節(jié)能型與節(jié)約型實(shí)訓(xùn)室建設(shè)的要求。

4 結(jié)果分析

通過上位機(jī)監(jiān)控電機(jī)的電壓、電流、頻率、電機(jī)溫度、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速、有功功率與無功功率、功率因數(shù)、磁通等。設(shè)定負(fù)荷大小通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，可按照預(yù)定的負(fù)載曲線自動(dòng)運(yùn)行[7]。負(fù)載電機(jī)被剛性連接，處于被帶動(dòng)的再生狀態(tài)，通過不斷的改變電機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速，模擬出各類負(fù)荷特性的實(shí)際情況。

本系統(tǒng)集成的逆變器及整流回饋單元，使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，通過整流回饋單元，把產(chǎn)生的電能回饋到供電母線中，供母線上的其它用電設(shè)備使用，且長(zhǎng)期運(yùn)行不出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，達(dá)到節(jié)約了成本，降低能源浪費(fèi)的目的。

圖4為電機(jī)運(yùn)行部分參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖4 電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4中，a段空載加速時(shí)，a′ 段轉(zhuǎn)差率增加、功率因數(shù)減小，功率基本不變。在b點(diǎn)負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩突然增大時(shí)，b′所示的值都增大，所需功率增多。c和c′ 轉(zhuǎn)速增大、負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，轉(zhuǎn)差率、功率因數(shù)和功率均增大；c″轉(zhuǎn)速不變、負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小時(shí)的情形。d轉(zhuǎn)速不變，d′ 負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小時(shí)，轉(zhuǎn)差率、功率因數(shù)和功率均減小。e、f轉(zhuǎn)速不變，e′、f′ 突然增大負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)差率、功率因數(shù)和功率均增加。

如圖4所示：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩頻繁變化時(shí)，實(shí)際功率與功率因數(shù)的曲線光滑、變化平穩(wěn)，而轉(zhuǎn)差率曲線變動(dòng)頻繁，這是由于PWM控制的結(jié)果。

異步電動(dòng)機(jī)和逆變器轉(zhuǎn)換成直流電能儲(chǔ)存在直流回路中的電容中，回送到電容中的電能越多，電容電壓就越高，當(dāng)電壓超過600 V時(shí)，能量回饋單元(Infeed)的作用就是能有效的將電容中儲(chǔ)存的電能回送給交流電網(wǎng)供周邊其它用電設(shè)備使用。能量回饋單元根據(jù)逆變器直流回路電壓的大小來決定是否回饋電能[7]。無論電網(wǎng)電壓如何波動(dòng)，能及時(shí)將電容中的儲(chǔ)能回送電網(wǎng)。

6 結(jié)束語

異步電動(dòng)機(jī)回饋節(jié)能系統(tǒng)采用的硬件Sinamics和軟件 SCOUT設(shè)計(jì)新穎、技術(shù)先進(jìn)，操作界面友好，控制方便。運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)曲線豐富，便于教學(xué)、系統(tǒng)監(jiān)控和結(jié)果分析。該系統(tǒng)能替代水電阻、電抗器及水力測(cè)功器設(shè)備，能最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保和降低運(yùn)行費(fèi)用。

[1]張桂臣. 復(fù)合誤差模型自適應(yīng)船舶控制系統(tǒng)的研究[D]. 大連：大連海事大學(xué),2009,1.

[2]Zhang Guichen. Augmented LQG Optimal Control of Dynamic Performance for ETG System[J]. 2009 International Conference on Artificial Intelligence and Computational Intelligence (AICI’09), Vol.4:446-450.

[3]陳道煉. AC-AC變換技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009.

[4]SINAMICS S120 AC驅(qū)動(dòng)設(shè)備手冊(cè)[M]. SIEMENS A&D, 2006.

[5]SINAMICS S120快速入門 [M]. SIEMENS A&D,2005.

[6]SIMOTION SCOUT basic functions [M]. SIEMENS A&D, 2007.

[7]SINAMICS S120調(diào)試手冊(cè) [M]. SIEMENS A&D,2006.