基于BLDC技術(shù)自吸泵節(jié)能電動機(jī)的研制與應(yīng)用

蒲鶴，王振中，修德欣，丁莉麗

(中國石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，山東青島 266071)

基于BLDC技術(shù)自吸泵節(jié)能電動機(jī)的研制與應(yīng)用

蒲鶴，王振中，修德欣，丁莉麗

(中國石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，山東青島 266071)

針對加油站自吸泵交流異步電動機(jī)僅存在啟動和關(guān)停兩種狀態(tài)，無法實現(xiàn)變頻控制，故障率高、調(diào)速范圍小、效率較低等問題，研發(fā)了自吸泵永磁無刷直流電動機(jī)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明： 永磁無刷直流電動機(jī)可以實現(xiàn)操作人員提槍時電動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，正常加油作業(yè)時高速運(yùn)轉(zhuǎn)，啟動轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行效率、泵體溫升、使用壽命等性能特性均優(yōu)于傳統(tǒng)交流異步電動機(jī)。在加油站同等操作條件下，永磁無刷直流電動機(jī)與傳統(tǒng)交流異步電動機(jī)相比節(jié)約電能大于30%。

永磁無刷直流電動機(jī) 交流異步電動機(jī) 變頻 節(jié)能 效率

隨著國內(nèi)機(jī)動車數(shù)量的逐年迅速增加，作為油品銷售終端的加油站數(shù)量也在不斷增多，中國目前有九萬余座加油站，加油站能耗問題日益顯著。加油站站內(nèi)的電能消耗主要來自于泵類，在精細(xì)化經(jīng)營和節(jié)能增效的大背景下，自吸泵作為加油站普遍使用的設(shè)備，其能耗不容忽視[1]。

目前，在自吸泵加油機(jī)上使用的電動機(jī)大部分為普通防爆的三相異步電動機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，但電磁能、熱能和機(jī)械能損耗較高，運(yùn)行效率較低[2]。此外，傳統(tǒng)交流異步電動機(jī)為工頻電動機(jī)，由于加油槍都具有無壓自封功能，因而提槍時自吸泵電動機(jī)即開始全速運(yùn)轉(zhuǎn)，在實際加油過程中，加油槍高速出油時間只占加油機(jī)啟動時間的60%左右，加油槍出油前電動機(jī)全速運(yùn)行浪費(fèi)了大量電能，增加了電費(fèi)成本。同時交流異步電動機(jī)的應(yīng)用表現(xiàn)出電動機(jī)燒壞頻繁、維護(hù)費(fèi)用高、管理難度大等缺點(diǎn)，影響了加油站正常運(yùn)營[3-4]。

為保障加油站自吸泵安全平穩(wěn)運(yùn)行，降低站內(nèi)綜合運(yùn)行成本，滿足加油站復(fù)雜工況的需求，中國石化青島安全工程研究院研發(fā)了加油站自吸泵配套的永磁無刷直流電動機(jī)，并在青島某加油站進(jìn)行安裝實驗，取得了較好的節(jié)能效果。

1 技術(shù)分析

1.1 控制板設(shè)計

自吸泵永磁無刷直流電動機(jī)由定子組件、轉(zhuǎn)子組件、轉(zhuǎn)軸、前蓋、后蓋等部分組成，控制板的功能模塊主要包括： 電源模塊、ARM控制處理模塊、永磁電動機(jī)驅(qū)動模塊、霍爾信號處理模塊、主板控制信號處理模塊、過流過壓檢測模塊、通信模塊等。

電源模塊利用TVS、壓敏電阻、保險絲實現(xiàn)限壓限流、抗電涌、防雷擊；利用X電容、Y電容、共模電感實現(xiàn)濾除差模共模干擾；利用大功率整流橋和高壓高容量電解電容實現(xiàn)整流濾波；利用開關(guān)電源和LDO電路轉(zhuǎn)換出需要的4路控制電壓。ARM控制處理模塊負(fù)責(zé)處理輸入信號和控制輸出信號。永磁電動機(jī)驅(qū)動模塊利用IGBT驅(qū)動芯片驅(qū)動6個橋臂，實現(xiàn)PWM轉(zhuǎn)速信號與三相全橋控制信號的驅(qū)動?；魻栃盘柼幚砟K對永磁電動機(jī)霍爾信號進(jìn)行處理后反饋給ARM模塊，ARM模塊通過相關(guān)計算后對控制信號予以修正，實現(xiàn)閉環(huán)控制。主板控制信號處理模塊對輸入信號進(jìn)行光耦隔離，經(jīng)整波后輸入到ARM模塊進(jìn)行處理。過流過壓檢測模塊利用電流傳感器實時監(jiān)測電動機(jī)電流信號，通過高速光耦反饋給ARM模塊并及時獲取工作電流參數(shù)；同時利用采樣電阻對電流實時采樣，通過運(yùn)放和比較器實現(xiàn)過流硬件保護(hù)。通信模塊目前預(yù)留，根據(jù)外圍具體的通信方式選擇對應(yīng)的通信電路?？刂瓢甯髂K分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制板各模塊分層結(jié)構(gòu)示意

1.2 工作原理

自吸泵永磁無刷直流電動機(jī)的處理單元通過電平信號識別當(dāng)前加油機(jī)是否處于工作狀態(tài)，在接收到電平信號后通過驅(qū)動電路控制永磁無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，并通過轉(zhuǎn)子軸上安裝的霍爾傳感器對直流無刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測，形成閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機(jī)在正常加油作業(yè)時處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，提槍未加油時處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)[5]。該過程包含如下步驟：

1) 系統(tǒng)啟動。

2) 永磁無刷直流電動機(jī)低速轉(zhuǎn)動。

3) 電平信號將加油槍的動作信號傳遞至處理單元，從而使得處理單元可以得知加油機(jī)此時處于加油作業(yè)狀態(tài)。

4) 根據(jù)加油槍的加油作業(yè)狀態(tài)，處理單元通過驅(qū)動電路提高永磁無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證了加油的正常操作，且降低永磁無刷直流電動機(jī)的能耗。通過轉(zhuǎn)子軸上的霍爾傳感器對永磁無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測，防止其轉(zhuǎn)速偏離處理單元的限制值。

1.3 主要技術(shù)性能指標(biāo)

永磁無刷直流電動機(jī)的性能指標(biāo)見表1所列。

表1 自吸泵永磁無刷直流電動機(jī)性能指標(biāo)

1.4 關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)

1) 永磁直流無刷電動機(jī)采用稀土永磁體替代傳統(tǒng)的勵磁轉(zhuǎn)子，減小了轉(zhuǎn)子機(jī)械損耗，自發(fā)熱低，永磁體本身的低磁導(dǎo)率、高內(nèi)阻的特性降低了渦流損耗，避免了銣鐵硼材料的熱磁退。同時，采用永磁體產(chǎn)生氣隙磁場，功率因數(shù)高，電動機(jī)具有較高的運(yùn)行效率，在額定負(fù)載下其效率比傳統(tǒng)交流異步電動機(jī)提高5%～15%。

2) 由固態(tài)逆變器和轉(zhuǎn)子位置傳感器組成的電子換向器取代機(jī)械換向器和電刷，消除了電的滑動接觸機(jī)構(gòu)，避免產(chǎn)生換向火花和電刷磨損，可用于高速作業(yè)環(huán)境，工作壽命長；電子控制換向使得電動機(jī)具有較好的可控性和調(diào)速范圍。

3) 轉(zhuǎn)矩特性是電動機(jī)重要的性能指標(biāo)，永磁無刷直流電動機(jī)具有較好的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，因而其啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，調(diào)節(jié)范圍寬，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性高，無需啟動繞組，最大過載轉(zhuǎn)矩可達(dá)到其額定轉(zhuǎn)矩的4倍。

4) 永磁直流無刷電動機(jī)由于采用永磁結(jié)構(gòu)，電動機(jī)質(zhì)量只有傳統(tǒng)交流異步電動機(jī)質(zhì)量的70%，體積小便于安裝，結(jié)構(gòu)簡單便于維護(hù)。該電動機(jī)無需勵磁，定子繞組溫升僅為30K(遠(yuǎn)小于80K)，在室溫下全速運(yùn)行時電動機(jī)溫升只有傳統(tǒng)交流異步電動機(jī)溫升的50%[6]。

5) 永磁直流無刷電動機(jī)可通過變頻技術(shù)對電動機(jī)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，無需根據(jù)加油機(jī)規(guī)格配置不同電動機(jī)，1臺直流無刷電動機(jī)即可利用變頻技術(shù)配合不同工況進(jìn)行使用，減少了各類電動機(jī)的研發(fā)費(fèi)用，提高了設(shè)備的互換性[7]。

6) 為滿足加油站運(yùn)營中的實際操作工況，同時達(dá)到節(jié)能增效的目的，永磁直流無刷電動機(jī)及其控制板實現(xiàn)了操作人員提槍時電動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，正常加油作業(yè)時高速運(yùn)轉(zhuǎn)，解決了傳統(tǒng)交流異步電動機(jī)僅存在啟動和關(guān)停兩種狀態(tài)的問題，節(jié)約電能大于30%[8]。

2 現(xiàn)場應(yīng)用與效果評價

為驗證自吸泵永磁無刷直流電動機(jī)的節(jié)能效果，2015年6月在青島某幾個加油站選取雙槍型加油機(jī)進(jìn)行電動機(jī)改造，將其中幾臺自吸泵交流異步電動機(jī)更換為永磁無刷直流電動機(jī)，另外幾臺交流異步電動機(jī)進(jìn)行保留。為便于比較永磁無刷直流電動機(jī)與普通電動機(jī)的能耗，分別在節(jié)能電動機(jī)與普通電動機(jī)上安裝電能表測量耗電量，測試結(jié)果見表2所列。

表2 永磁無刷直流電動機(jī)與交流異步電動機(jī)對比測試結(jié)果

從表2可以看出，永磁無刷直流電動機(jī)在相同運(yùn)行狀態(tài)下單位體積耗電量優(yōu)于傳統(tǒng)交流異步電動機(jī)，在加油站同等操作條件下，永磁無刷直流電動機(jī)與傳統(tǒng)交流異步電動機(jī)相比節(jié)約電能大于30%。經(jīng)統(tǒng)計，加油1L，節(jié)能電動機(jī)比普通電動機(jī)節(jié)省電能3.55×10-4kW·h。假設(shè)汽油密度為720kg/m3，加注1t汽油約節(jié)約電能0.493kW·h。對于萬噸加油站一年可節(jié)約電能4930kW·h，永磁無刷直流電動機(jī)年節(jié)約電費(fèi)約5000元，使用永磁無刷直流電動機(jī)半年就可以收回其高于傳統(tǒng)交流異步電動機(jī)的成本費(fèi)用。

3 結(jié)束語

圍繞降低加油站電能消耗成本，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，研發(fā)的加油站自吸泵永磁直流無刷電動機(jī)及相關(guān)控制板可以實現(xiàn)操作人員提槍時電動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，正常加油作業(yè)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，解決了傳統(tǒng)交流異步電動機(jī)僅存在啟動和關(guān)停兩種狀態(tài)的問題。在加油站同等使用條件下，永磁無刷直流電動機(jī)與傳統(tǒng)交流異步電動機(jī)相比，節(jié)約電能大于30%，極大地降低了加油站電能消耗。在國家推行節(jié)能降耗的背景下，永磁無刷直流電動機(jī)具有廣闊的推廣前景。

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[4] 葉金虎.現(xiàn)代無刷直流電動機(jī)的原理和設(shè)計[M].北京： 科學(xué)出版社，1999.

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Development and Application of Permanent Magnet Brushless Direct Current Self-Priming Pump Motor

PuHe，WangZhenzhong，XiuDexin，DingLili

(ResearchInstituteofSafetyEngineering，Sinopec，Qingdao，266071，China)

Aimedatproblemswithnormalthree-phaseasynchronousmotorusedinself-primingpump，suchashighfailurerate，narrowspeedadjustablerange，lowefficiency，onlystart-upandshutdownstatesandshortageoffrequencyconversioncontrol，atypeofasynchronousmotorusedinBLDCwasdeveloped.FieldapplicationshowspermanentmagneticBLDCMcanrealizecarryingupgunatlowspeedandnormalrefuelingathighspeed.Characteristicsofstartingtorque，operationefficiency，pumptemperaturerise，servicelifeandothersaresuperiortothatforordinarythree-phaseasynchronousmotor.Morethan30%electricitycanbesavedwithBLDCMcomparingtothatwithapplicationofnormalthree-phaseasynchronousmotorundersameoperatingconditions.

permanentmagnetbrushlessdirectcurrentmotor;three-phaseasynchronousmotor;frequencyconversion;energyconservation;efficiency

蒲鶴(1988—)，男，2014年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)工作于中石化青島安全工程研究院，主要從事加油站加氣站安全工作，任工程師。

TM

B

1007-7324(2016)06-0040-03

稿件收到日期： 2016-09-18.