變頻發(fā)電機創(chuàng)新技術的研究開發(fā)

葉章梅

摘 要：將電子控制技術應用于新型發(fā)電機的制造，其主要性能是采用永磁發(fā)電機做為基礎電源，經電子整流、濾波、逆變器逆變、變頻器變頻、形成供電平穩(wěn)、頻率穩(wěn)定、帶負載能力強的標準無污染工頻交流電源，同時增加智能化遠動控制，以適應遠程集中控制的目的。

關鍵詞：變頻；發(fā)電機；技術；永磁發(fā)電機

中圖分類號：TM313 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）29-0021-02

1 變頻發(fā)電機創(chuàng)新技術的研究開發(fā)背景

隨著電子的高速發(fā)展，新材料、新工藝、新技術的不斷完善，使該行業(yè)更好地向各行業(yè)、各領域拓展?jié)B透，本項目就是采用新型的電子控制技術用于開發(fā)研究目前先進的、科技含量較高的，具有小型輕便化，能節(jié)約大量生產原材料，節(jié)約能源降低消耗的、新型變頻發(fā)電機。該發(fā)電機是以永磁發(fā)電機作為基礎能源，將永磁發(fā)電機發(fā)出的中頻、中壓交流電源，經電子電路的整流，變頻、逆變形成標準的、無污染的工頻正弦交流電源，使供電系統(tǒng)的性能指標好，電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、波形失真小，容易實現(xiàn)多臺并機運行。其控制電路采用專用芯片控制，易于實現(xiàn)整機的智能化控制，有利于小型化設計、軟件版本、功能擴展等升級設計。這種較為全面的方案設計，還需確保整機有較好的產品性價比，有較低的生產成本，既保證適宜的產品價格，還能節(jié)約大量的銅、鋁、硅鋼片等有色金屬材料的消耗，有著良好市場潛力，不適為一種新型的能源產品。其主要技術要求如下：

變頻發(fā)電機創(chuàng)新技術的研發(fā)方案，就是采用與目前普通發(fā)電機根本不同的磁電轉換方式，省去了普通發(fā)電機的勵磁繞組部分，因此也防止了普通發(fā)電機勵磁部分常常發(fā)生的短路、斷路、接觸不良、絕緣擊穿等方面問題，不但節(jié)約了大量的漆包銅線和硅鋼片等，而且大大減輕了整機重量和制造工藝難度，消除了發(fā)電過程其勵磁部分所消耗的激勵能源，減少了能源消耗，減少了排放噪聲和污染。取而代之的用小型輕便化、可靠性高的永磁發(fā)電機作為電源，用電子技術將永磁發(fā)電機發(fā)出的中頻、中壓交流電流，進行整流、濾波、逆變器逆變與變頻器變頻形成的標準正弦電流進行控制合成，形成穩(wěn)定、可靠、無污染、標準的、輸出能力強的工頻正弦交流電源，以達到適應各種設備、各種負載的使用要求。

經上述方案研發(fā)的新型變頻發(fā)電機，在增加了許多控制和遠動智能化技術后，其總成本比同類的普通機型略高10%，但就其很好的過載能力（比普通機型高30%的過載能力），和所運行中節(jié)約的燃料消耗，從使用成本上將大大低于目前普通發(fā)電機的使用成本。按目前普通機型5kW以下機組，年貿易量以國內制造水平500萬臺計算，按年替代率5%的水平更新，其年改造量在30萬臺水平，按單臺價格1000元估算，可實現(xiàn)3億元的產值，如加上油機和機組價值，其交易水平在10個億上下，這算是不少的數(shù)字。為了更好地推進目標的實現(xiàn)，公司已組成了專項的研發(fā)小組，其人員除專業(yè)的電子控制技術人才，還包括了機電、材料、工藝方面的技術人才，以及與相關實驗、檢測的專業(yè)機構人員配合，經過了近三年的研發(fā)努力，已基本形成了產品樣機和前期的試驗檢測。從產品的產業(yè)鏈上，上游還能節(jié)約大量的銅、硅鋼片及鋁材等，經目前樣機的比較，電機制造消耗（按同類機對比），銅材可節(jié)約75%以上，硅鋼片可節(jié)約70%左右，還能減少60%以上的制造費用。從下游的機組使用上，能節(jié)省10%-15%的燃油消耗，其經濟效益和節(jié)約上述材料、燃油所帶來的社會效益，更是不可小視的數(shù)字。

2 變頻發(fā)電機創(chuàng)新技術的研究開發(fā)主要技術及創(chuàng)新點

關鍵技術是如何將永磁發(fā)電機發(fā)出的非工頻的高電壓，轉換成可自行控制，適應負載使用要求，節(jié)能、降耗、輕便、可靠的新型供電電源，其主要技術：

（1）解決能適應交變調制，帶載能力平穩(wěn)，轉換效率高的永磁發(fā)電機。

（2）采用新型的電子應用技術，對永磁發(fā)電機發(fā)出的中頻、中壓電源進行整流、變頻、逆變形成適應負載能力的高適應性能源。

其創(chuàng)新點：

（1）從永磁發(fā)電機的選用和制造角度，采用具有剩磁感應強度和矯頑力大，最大磁能積高，在規(guī)定的溫度下退磁曲線接近直線，能保證電機氣隙中有足夠大的氣隙磁場和標準規(guī)定的性能指標。由于永磁發(fā)電機取消了勵磁繞組，不存在普通發(fā)電機的勵磁短路、斷路、絕緣損壞等一系列可能故障，也沒有勵磁繞組的損耗和雜散損失，因此永磁發(fā)電機的節(jié)能比普通同功率發(fā)電機小40%以上。

（2）采用電子應用技術，對永磁發(fā)電機發(fā)出的中頻、中壓電源，進行交——直——交的轉換，從整流、逆變和變頻，轉換為電壓、頻率穩(wěn)定的、標準無污染的工頻電源。為達到這一要求，需要對逆變控制信號的SPWM脈寬調制波為20KHz的信號調制進行防干擾處理，以防止系統(tǒng)發(fā)生崩潰，同時又應消除其信號對其他電路的影響，防止對其他回路信號產生次干擾，引起誤判斷，誤控制和誤動作。

（3）系統(tǒng)采用集中控制電路，實現(xiàn)對逆變、脈沖發(fā)送、顯示功能、逆變保護和遠程通訊控制的功能，使輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度高，動態(tài)響應速度快，而且波形畸變率低，可以對系統(tǒng)的各個運行狀態(tài)，即過電流、過電壓、短路、過載等故障實行自診斷，實現(xiàn)對逆變過程的自保護、自恢復，從而達到保護設備、提高壽命的目的。

3 社會經濟效益

變頻發(fā)電機與普通發(fā)電機對比，省去了普通發(fā)電機的勵磁繞組，這樣既沒有普通發(fā)電機存在的勵磁短路、斷路、絕緣損壞等故障發(fā)生，而且結構簡單，緊湊，可靠性高。就電機部分而言，主要材料漆包銅線和硅鋼片的用量僅分別占同類普通型發(fā)電機的25%和30%，其制造的材料成本只占原同類普通發(fā)電機的30%，而且永磁發(fā)電機的制造工藝簡單，制造工時也只有原發(fā)電機的20%。按總成本平均永磁發(fā)電機的生產總投入只有原來同類普通發(fā)電機的25%。雖然發(fā)電機增加逆變器部分，但因本項目產品的發(fā)電效率高，在輸出相同功率時的油耗降低了5%-8%，加上減少激勵勵磁所消耗的油耗，總體可節(jié)約燃料10%-15%，而且過載能力可達20%以上，這在許多配套場合，可替代高一個檔次的機組使用。endprint

從經濟角度，目前項目測算的價值是以變頻部分的價值狀況進行計算的，不包括機組的總體價值，其總量只占總體的四分之一。從市場角度，其產業(yè)規(guī)模按小型發(fā)電機組的應用市場情況分析，替代的比例按總銷量的20%估算，年銷量可達數(shù)十萬臺以上的空間（以5kW以下而言），再者從節(jié)能降耗的角度，由于國際市場的油價逐年上升，節(jié)能降耗的產品將進一步受到用戶歡迎，雖然目前的產品市場主要在歐美等發(fā)達國家，但隨著經濟的發(fā)展和市場的進步，其領域將進一步延伸。

社會效益，從節(jié)約燃油所產生的對空間的排放噪聲和排放污染，就是一筆相當可觀的社會效益。再加上節(jié)約有色金屬材料所帶來的資源消耗，開采消耗，資源生產過程的燃料，環(huán)境的污染和損耗等等，均為不可小視的社會效益。

4 變頻發(fā)電機創(chuàng)新技術的研究開發(fā)完成情況

4.1 項目產品特性

項目的完成情況已實現(xiàn)合同提出的要求。產品的主要使用對象為軍工行業(yè)的通訊車載系統(tǒng)等設備，產品性能完全達到用戶要求。從用戶的評價角度，項目的技術水平達到國內領先水平。

4.2 主要技術與性能指標

完成技術指標

（1）額定功率： 3kW

（2）額定頻率： 50Hz

（3）額定電壓： 230V

（4）額定電流： 14.5A

（5）電壓整定范圍（%）： 92.9-107.4

（6）穩(wěn)態(tài)電壓調整率（%）： +0.16

（7）穩(wěn)態(tài)頻率調整率（%）： 0.78

（8）電壓波動率（%）： 0.04

（9）頻率波動率（%）： 0.19

（10）瞬態(tài)頻率調整率（%）： +2.0

（11）電壓穩(wěn)定時間（s）： 0.5

（12）頻率穩(wěn)定時間（s）： 1.0

4.3 經濟指標

完成經濟指標

（1）累計銷售收入（萬元）： 2671

（2）累計凈利潤（萬元）： 213

（3）累計繳稅總額（萬元）： 182

（4）新增就業(yè)人數(shù)（人）： 51

5 變頻發(fā)電機創(chuàng)新技術的研究開發(fā)

增強企業(yè)核心競爭力和本行業(yè)技術進步的貢獻。解決了企業(yè)技術方面的瓶頸問題，加快了企業(yè)自主研發(fā)能力，進一步提高了企業(yè)核心競爭力。另一方面也為促進企業(yè)項目的研發(fā)過程和進度，能夠更加有序地進行，能按照目標要求所提出的方案，逐步逐項地解決完成，真正起到了促進研發(fā)，發(fā)展生產的作用。變頻發(fā)電機創(chuàng)新技術的研究開發(fā)更重要的是從項目的高端研發(fā)成功后，進一步延伸項目技術對中、低端同類產品市場的開拓和發(fā)展，企業(yè)正在向這方面的努力，進一步與相關院校進行合作，盡快將項目成果轉化為系列的商品化產品。

6 未來發(fā)展構想

企業(yè)的發(fā)展離不開市場的占有，資產的積累。企業(yè)十余年發(fā)展歷程，始終是沿著自主研發(fā)，產品專業(yè)化的道路進行的。企業(yè)從自有的發(fā)電機勵磁調壓器項目，進一步進行目前的變頻發(fā)電機項目研發(fā)，都是為更好地拓展市場。為能實現(xiàn)企業(yè)從核心競爭向整體發(fā)展的轉移，我們不但要立足眼前項目的實施和形成規(guī)模，而且要立足企業(yè)的自身積累，繼續(xù)做好、做強現(xiàn)有的項目產業(yè)。并與相關的大專院校、企業(yè)、行業(yè)進行合作、聯(lián)合，實現(xiàn)產品從中間階段到上下游整體產品系列化、市場化的完成，真正讓創(chuàng)新、進步、發(fā)展成為企業(yè)走向輝煌的基礎。

參考文獻：

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