開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速技術(shù)及節(jié)能分析

方劍，陸劉兵

(1.江蘇省、南京市節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，南京 210007；2.揚(yáng)州偉瓦科技有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225211)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年我國工業(yè)年用電量達(dá)5.029 7萬億 kW·h[1]，其中75%用于電機(jī)設(shè)備。近年來，我國大力推廣變頻節(jié)電類技術(shù)，并取得了豐碩的成果。但當(dāng)電機(jī)長期處于低速或低負(fù)載運(yùn)行且需要頻繁正反轉(zhuǎn)等工況下，傳統(tǒng)變頻系統(tǒng)節(jié)能效果并不理想，同時在小功率電機(jī)設(shè)備上采用變頻技術(shù)也不具備經(jīng)濟(jì)性。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速技術(shù)可有效解決低速運(yùn)行和頻繁正反轉(zhuǎn)等調(diào)速問題，并兼具直流、交流兩類系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)的推廣應(yīng)用將為我國家電、電動汽車和工業(yè)領(lǐng)域提供更多節(jié)能解決方案[2]。

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、工作可靠、成本低、系統(tǒng)控制靈活、調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高和溫升低等諸多優(yōu)點(diǎn)，被視為電氣傳動系統(tǒng)發(fā)展過程中的一個里程碑。開關(guān)磁阻電機(jī)特別適用在惡劣環(huán)境和要求超高速的場合下運(yùn)行，并可廣泛地應(yīng)用在紡織、造紙、煤礦、航空和機(jī)械等領(lǐng)域，功率從幾瓦到幾兆瓦，轉(zhuǎn)速范圍從每分鐘幾轉(zhuǎn)到幾萬轉(zhuǎn)[3]。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速技術(shù)原理及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速技術(shù)是集現(xiàn)代微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和紅外光電技術(shù)為一體的光、機(jī)、電一體化技術(shù)，主要由開關(guān)磁阻電機(jī)本體和智能控制系統(tǒng)兩部分組成。開關(guān)磁阻電機(jī)工作原理是基于磁通總是沿磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原理(磁阻最小原理)。當(dāng)定、轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導(dǎo)不為最大時，磁場就會產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁導(dǎo)最大的位置；當(dāng)向定子各相繞組中依次通入電流時，電機(jī)轉(zhuǎn)子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉(zhuǎn)動[4]。線圈電流通斷和磁通狀態(tài)直接受開關(guān)控制。智能控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，由微控制器、數(shù)字邏輯電路及接口電路等構(gòu)成，通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流等數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測，判斷負(fù)載變化狀態(tài)，并根據(jù)負(fù)載變化情況，實(shí)時調(diào)節(jié)輸出功率。特別是當(dāng)負(fù)載功率小于電機(jī)額定功率時，通過降低輸出電壓，從而降低電機(jī)的輸出功率，以匹配負(fù)載的變化，保證電機(jī)高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)控制系統(tǒng)采用雙MCU(核心處理器)處理技術(shù)。其中，一個(核心處理器)用于電機(jī)位置信息的邏輯處理，另一核心處理器用于外部電流、電壓等模擬量運(yùn)算處理。采用雙MCU可以并行處理大量需要實(shí)時、快速處理的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)50～15 000 r/min高速運(yùn)行，并提高電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

2)高可靠性磁位置傳感技術(shù)。該技術(shù)著重解決光電傳感中粉塵影響的問題，以提高位置采集精度，保障電機(jī)在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定工作并延長電機(jī)的使用壽命。

3)自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)?？稍谙到y(tǒng)內(nèi)部儲存不同工況下的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，電機(jī)工作時調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可自動調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4)濾波技術(shù)。在設(shè)備內(nèi)部植入EMC濾波器，減少系統(tǒng)對電網(wǎng)的干擾，提高設(shè)備本身運(yùn)行的可靠性[2]。

2 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速技術(shù)優(yōu)勢

目前風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備幾種常用的節(jié)能調(diào)速技術(shù)主要性能指標(biāo)對比情況見表1。

表1 幾種常用的節(jié)能調(diào)速技術(shù)主要性能指標(biāo)對比表

3 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速節(jié)能效果評估分析

3.1 應(yīng)用實(shí)例

為了解開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速的節(jié)能效果，江蘇某水泵生產(chǎn)企業(yè)在其水泵性能檢測控制中心，通過對比測試一臺額定功率為132 kW的化工離心水泵在三相異步電動機(jī)驅(qū)動和開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動兩種驅(qū)動模式下水泵流量和耗電等運(yùn)行參數(shù)，從而評估分析開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速節(jié)能效果。用于測試的化工離心泵及驅(qū)動電機(jī)銘牌參數(shù)見表2。

3.2 節(jié)能效果評估分析

3.2.1 三相異步電動機(jī)驅(qū)動與開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動模式運(yùn)行數(shù)據(jù)比對

三相異步電動機(jī)驅(qū)動時，通過調(diào)節(jié)水泵出口管道上的電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水泵出口流量，測試記錄相應(yīng)的電機(jī)和水泵運(yùn)行參數(shù)；開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動時，通過磁阻電機(jī)控制器調(diào)節(jié)，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時通過電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)使水泵出口流量保持基本穩(wěn)定，測試記錄相應(yīng)的電機(jī)和水泵運(yùn)行參數(shù)。水泵由三相異步電動機(jī)驅(qū)動和開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動兩種驅(qū)動模式，三相異步電動機(jī)驅(qū)動測試數(shù)據(jù)見表3，開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動測試數(shù)據(jù)見表4。

3.2.2 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速實(shí)際節(jié)電率計(jì)算

依據(jù)表3和表4的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速實(shí)際節(jié)電率。三相異步電動機(jī)驅(qū)動模式下，水泵出口流量調(diào)至603.66 m3/h(額定流量附近)、揚(yáng)程55.51 m時輸入功率為118.40 kW。開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動模式下，水泵組轉(zhuǎn)速調(diào)至1 450 r/min時，水泵出口流量為597.86 m3/h、揚(yáng)程為52.73 m時輸入功率為117.46 kW，此時節(jié)電率為0.79%；水泵組轉(zhuǎn)速調(diào)至1 350 r/min時，水泵出口流量為605.02 m3/h、揚(yáng)程為44.30 m時輸入功率為99.91 kW，此時節(jié)電率為15.62%；水泵組轉(zhuǎn)速調(diào)至1 200 r/min時，水泵出口流量為601.46 m3/h、揚(yáng)程33.91 m時輸入功率為75.44 kW，此時節(jié)電率為36.28%；水泵組轉(zhuǎn)速調(diào)至1 050 r/min時，水泵出口流量為608.06 m3/h、揚(yáng)程24.13 m時輸入功率為55.29 kW，此時節(jié)電率為53.30%，開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動節(jié)電率計(jì)算見表5。

表2 化工離心泵及驅(qū)動電機(jī)銘牌參數(shù)

表3 三相異步電動機(jī)驅(qū)動測試數(shù)據(jù)

表4 開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動測試數(shù)據(jù)

表5 開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動節(jié)電率計(jì)算

4 結(jié)語

本文通過對比測試一臺額定功率為132 kW的化工離心泵在三相異步電機(jī)驅(qū)動和型開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動兩種模式下水泵流量、耗電等運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出不同工況下開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動模式相較三相異步電動機(jī)驅(qū)動的節(jié)電率，驗(yàn)證了開關(guān)磁阻電機(jī)在不同負(fù)載情況下的節(jié)能效果。