变频系统运用及评价

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引言

BDFM为BrushlessDoublyFedMachine的缩写，即无刷双馈电机，是一种新型的异同步通用电机，可在无刷情况下实现双馈，具有功率因数可调的特点，可应用于调速系统和变速恒频发电系统中［1］。近年来，由于节能降耗和降低成本的需要，BDFM成为电力电子与电力传动方向的研究热点［3］。随着该项技术研究的不断深入，它已日臻成熟，最近在我国已取得突破性的进展，并有望在生产中推广应用。BDFM变频调速系统是近几年来我国泵站更新改造关注的一个重要课题。它用于泵站，不仅能解决高压大容量机组的软启动和软停机问题，而且还能以较低的成本实现主机设备的无级调速，调节水泵工况。该系统由多个子系统组成，结构相对复杂，其可靠性备受关注。本文将针对这一新型电机及其变频调速系统，分析它在泵站中应用的特点、优势和推广前景，并着重对用户关心的可靠性进行分析和评价，为其推广应用提供基础和保障。

1BDFM变频调速系统的结构组成及运行方式

BDFM的形式有多种，其中磁场调制式无刷交流电机的结构和运行原理与常规的交流电机不同。无刷双馈电机的定子具有主、副两套绕组（分别也称功率绕组和控制绕组），而转子可采用磁阻式或具有特定结构的笼型转子，不需要滑环和电刷。它用作无刷双馈调速电机时，其功率绕组与具有固定电压和频率的高压供电电源连接，控制绕组通过控制器与低压控制电源相连由变频器供电，通过控制器改变副绕组电流的频率、幅值和相位，可以控制电机的转速和运行状态。因控制绕组仅需提供电机转差频率的功率，故所需的变频器容量较小、电压较低，在同等功能条件下调速系统的成本大为降低。该技术的关键是基于磁场调制原理，通过特殊设计的转子结构和在定子上增加与功率绕组极数不同的控制绕组，从电机的内部解决了大功率高压电机采用较小功率低压变频器的调速控制和无刷化问题，从而体现了它在泵站中重要的推广和应用价值。图1为BDFM变频调速系统的结构原理图，它由3部分组成，即无刷双馈电机本体、可逆式变频器和控制器。为使应用方便，一般将变频器与控制器装于同一柜中。电机定子上的功率绕组与工频电源连接，其极对数为pp，控制绕组与控制电源（变频电源）连接，其极对数为pc，这两套绕组没有直接的电磁耦合，而是通过转子绕组间接进行电磁功率的传递。转子采用自行闭合的环路结构，其极对数为定子功率绕组pp与控制绕组pc之和［2］。BDFM通过改变控制绕组上的供电方式可实现自起动、异步、同步和双馈等多种运行方式。若使电机的功率绕组直接由工频电源供电（频率为fp），而三相控制绕组直接或外串电阻短接，将实现电机的自起动和异步运行；当控制绕组的控制由直流供电时（如两并一串形式），将使电机牵入同步而实现同步运行；若使控制绕组由变频器供电（频率为fc），则可实现电机的双馈运行。以上3种运行方式只需改变接线方式或通过开关切换，即可满足用户不同的运行要求。

2BDFM变频调速系统在泵站应用的优势及前景

目前国内一些大型排涝和供水泵站普遍采用的电动机，一般配套全调节的轴流泵或混流泵，但其调节能力有限；而高扬程泵站则采用离心泵，并配高压大容量的异步电动机。当泵站水位变化或需要调节水泵流量时，如果没有相应的调节措施，就无法保证新的运行条件机组处在最有利的工况下运行，即不汽蚀、不振动、不超载、不轻载，效率高，能耗低。目前的调节措施除轴（混）流泵的叶片调节外，主要有变阀、变径和变速，其中变速不仅经济，而且适用范围很宽。但是，对大型机组，变速需要有专门的调速设备，其投资较大，但能耗及运行费用大为降低，经济性好。据有关统计，采用调速运行比采用变阀或变径调节一般能节电20％～60％［3］，因而对大型离心泵机组，研究经济实用的调速方法和措施，显得非常必要。目前电机的经济型调速方式主要是变极和变频，其中变频可做到无级调速，但对大功率机组，设备成本较高。目前为降低高压大容量机组调速系统的成本，已研发了内馈式和无刷双馈式异步电机（BDFM）。这两种电机及其调速系统的最大特点是，可以采用低压小容量的变频器解决高压大容量电机的变频调速问题，因而在不降低用户要求的前提下，调速成本大大降低。表1列出了几种调速方式的特点，其中通过比较可知，采用BDFM变频调速系统的效果最好。由表1可知，在泵站中推广采用BDFM变频调速系统，其优势在于：（1）设备占地面积小、成本低，维护性好，装置效率高，适用范围宽。与普通的高压变频调速比，所需的变频器容量小得多，仅为电机额定功率的1／3。另外，无刷的结构可以降低能耗，减少故障点，提高可靠性。特别是目前的高压变频器，国外的产品价格高，国内的价格虽然便宜些，但可靠性还跟不上，加上配套的屏柜多，设备维护工作量大，因而很难在大功率的机组上推广。（2）BDFM调速系统与内馈式调速比，其主要差别在于内部采用无刷和双绕组的结构。其优点是：①功率因数可调，提高调速系统的力能指标；②取消电刷和滑环，提高系统运行的可靠性；③变频器出现故障的情况下，仍可按普通感应式电动机的方式运行；④电机的转速，仅与双绕组的频率和相序有关，与负载转矩无关，具有较硬的机械特性。（3）和普通的变频效果一样，功能不减。如可兼做软启动和软停机，开停机对系统无冲击，不会引起系统水锤或振荡现象。相比较，可以减小谐波对电网的污染。据有关分析预测，某电站灰渣泵原驱动设备为8极、750r／min、320kW的箱型感应电机，价格约为8万元。如将该系统由不调速改为调速运行，其调速范围为600～900r／min（＋20％变幅）。采用BDFM调速系统的成本约为20万元（电机12万元，变流器8万元）。如原电机配用普通的变频器，无论采用中压还是高压的变频方式，仅变频器的价格就在50万元以上，系统成本高于58万元。BDFM调速系统仅为笼型感应电机变频调速系统成本的1／3。由此可见，它在泵站中推广应用，其效益非常显著。

3BDFM变频调速系统可靠性评价BDFM变频调速系统在泵站中应用，其可靠性倍受关注。当前使用过程中的可靠性评价，面临两个问题：①因试验周期长，投入使用前需要花很多的时间进行试验，以致影响其进入市场的试用阶段；②出于经济性的考虑，不能得到大样本数，样本数据少，采用经典的统计方法得到的可靠性指标精度差，试验数据说服力不强。而采用基于Bayes理论的可靠性评价方法，可以在小样本数据下得到较精确的可靠性指标，因而通常在产品开发阶段采用。

3．1基于经典和Bayes理论可靠性评价的基本方法当前，用于系统可靠性评价的基本方法有两大类，即基于经典的和基于Bayes理论的系统可靠性评定方法。前者主要是依据现场实验所得到的数据，运用经典的统计方法对系统的可靠性特性进行估计，其缺点是所需要的试验样本量较大。而后一类方法可以借助于试验前的各种信息，如专家的主观判断、历史数据等，结合现场试验数据对系统的可靠性进行综合估计，显然它对样本数据量的要求可以降低［4］。可靠性评价的前提是先做可靠性验证试验。有时出于经济考虑或其他原因，当试验满足某种条件时就可以结束试验。下面给出了定数截尾无替换可靠性寿命实验的经典评价和Bayes可靠性评价的一些基本方法。在进行试验前要确定的几个参数：厂家生产风险α，即产品整体实际上合格时由于是抽样试验而被判定为不合格的概率；使用方的使用风险β，即产品不合格时由于是抽样试验而被判定为合格的概率；θ为平均寿命；θ0为可接受的平均寿命，是平均寿命的检验上限；θ1为拒绝接受的值，为下限；L（θ）为θ密度函数，且当θ＝θ0时，L（θ0）＝1－α；当θ＝θ1时，L（θ1）＝β。C为确定的产品的临界寿命，且当统计推断的平均寿命＾θ≥C，则产品合格，反之不合格，这是判断试验数据是否合理的依据。确定实验方案的实质就是确定r，C。而θ0、θ1、α、β这些数据可以根据旧的类似的试验以及专家的判断来决定，这就尽量利用了验前的信息。确定r，C会用到以下公式：其中，α0可作为寿命试验时间看待，β0为失效次数。这里用到其共轭先验，且参数为α0，β0的伽马分布。

3．2BDFM系统可靠性评价模型的建立BDFM变频调速系统由电机本体、变频器和控制器组成，他们都是系统中最主要的部件。对这些部件或子系统的评价，从以上模型可以看出，尽管加入了3中取2的报警装置但它不是电机系统的主体部分，仍然可以看做3部分串联的可靠性评价模型。对BDFM变频调速系统做可靠性试验时，3个部分的寿命均服从指数分布，其试验的次数和时间是一样的这样就可把其等价为一个寿命型的单元产品，以方便下面的分析与计算。3．3BDFM系统可靠性评价的算例依照图2，由于把BDFM变频调速系统看成是一个大单元，其等效试验次数可以直接用实际试验次数代替。评价主要有两步：确定试验方案，即确定C、r；得出失效率和一定置信度下的置信区间。（1）确定试验方案。对BDFM变频调速系统进行定数无替换截尾试验，进行n次，到第r次故障时终止。由于按正常条件进行电机的寿命试验是不可行的，一般用寿命试验加速系数来代替，其单位为年／正反转数。本系统的样机试验前，根据以往类似的试验或者专家的经验判断决定α＝β＝0．05，θ0＝3．6×106年／正反转，θ1＝0．3×106年／正反转。则由式（1）求得表2的试算结果。（2）λ的点估计和置信区间估计。由确定的方案做试验得出试验数据为3．0×106年／正反转，4．2×106年／正反转，6．0×106年／正反转，得样本均值为4．4×106年／正反转，它可作为总体的一个寿命均值的估计，样本均值x珚＝4．4×106＞C＝0．981×106，可以认为产品合格，亦可进行可靠性评价。令x（1）＝3．0×106，x（2）＝4．2×106，x（3）＝6．0×106，代入式（3），则Tr＝（3．0＋4．2＋6．0＋6．0×2）×106＝25．2×106（年／正反转）。下面分别采用经典和Bayes理论分别进行评价，并予以比较。

4结语

可靠性不仅是BDFM系统的重要质量指标，而且关系到整个系统的研制与运行，系统的可靠性与它的性能、成本、进度等基本价值目标都有着密切的联系。BDFM系统的可靠性是其在泵站甚至其他领域中能得到应用的保证条件之一。在泵站的应用中，在考虑可靠性的同时，还应注意以下几点：①泵站的具体环境是考虑可靠性判断的一个限制条件，进行可靠性先验判断和产品试验时，要充分考虑其中的影响；②BDFM的效率比传统的电机低（约低5％）是其劣势，但是在变频调速方面又具有优势，在机组选型时，一定要根据泵站的具体情况确保优势大于劣势，以便在可靠性得到保证的前提下，提高泵站的总体效益；③BDFM尽管效率偏低，但也可以用传统的方法提高其效率，例如通过合理的设计和选材，降低其铁损和铜损，选择合适的绕线方式，采用余度的方法，通过工况调节使水泵尽量在高效区运行等等。总之，BDFM变频调速系统的结构特殊、性能优良，在泵站的调速节能方面具有明显的优势和特点，值得应用和推广；其系统的可靠性与电机本体、变频器和控制器3个部分相关，在产品开发和试用期，利用Bayes理论按照上述方法进行可靠性评价，可以得到较满意的结果，这里予以推荐。