開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)在節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

寧波鋼鐵有限公司 張 攀 吳昌碩

1 引言

在可持續(xù)發(fā)展政策的宏觀調(diào)控下，鋼鐵行業(yè)作為能源消耗的大戶，如何對原有生產(chǎn)技術(shù)進行綠色節(jié)能改造得到社會的普遍關(guān)注。根據(jù)以往鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)驗來看，部分設(shè)備因為投入年限長，因為系統(tǒng)功能老化而導(dǎo)致耗電量升高，不僅難以確保生產(chǎn)質(zhì)量，也造成了嚴(yán)重的能源浪費。而隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在系統(tǒng)裝置節(jié)能改造中，作為一種先進電機系統(tǒng)，該裝置具有系統(tǒng)效率高、高效調(diào)速范圍寬、可靠性高等優(yōu)點，滿足鋼鐵行業(yè)節(jié)能改造要求，值得關(guān)注。

2 開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)研究

2.1 開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的工作原理

開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)采用雙凸極結(jié)構(gòu)，即凸極轉(zhuǎn)子與凸機定子，且極數(shù)數(shù)量不相等。在定子上設(shè)置繞組，繞組直徑方向相對的兩個繞組串聯(lián)成為“一相”。系統(tǒng)通電后會產(chǎn)生大量電磁，而電磁可沿著磁阻最小路徑閉合，此時具有特定形態(tài)的轉(zhuǎn)子運動至最小磁阻位置時，則會造成轉(zhuǎn)子主軸線與磁場的主軸線重合[1]。上述作用機制會導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)子受切向力作用，進而快速運動；同時當(dāng)定子按照特定順序輪換供電時，則會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子持續(xù)承受轉(zhuǎn)矩的作用而快速運動。

在系統(tǒng)運動期間，控制系統(tǒng)可按照電機不同工況控制工作電流量，因此有良好的調(diào)速與節(jié)能效果。同時技術(shù)人員也可以在控制系統(tǒng)上增設(shè)保護功能，包括過載保護功能、過壓保護功能等，避免系統(tǒng)遭到破壞，可延長工作年限。

2.2 開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的基本構(gòu)成

開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)主要包括開關(guān)磁阻電機、主控制器、功率變換器以及電壓、電流、位置和溫度檢測等幾個關(guān)鍵功能模塊，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)特性分析

作為一種新型電機系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)可充分滿足節(jié)能改造的要求，其系統(tǒng)特性主要體現(xiàn)在以下幾方面。一是有更高的系統(tǒng)效率，滿足國家一級能效標(biāo)準(zhǔn)。二是調(diào)速范圍寬，該裝置在運行期間可在限定最低轉(zhuǎn)速到額定1.5倍轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均可帶負載長期運轉(zhuǎn)，且系統(tǒng)能夠持續(xù)保持高效輸出；該裝置在工作區(qū)間的效率值大于等于85%，并且效率值超過90%的工作區(qū)間占比高，滿足不同行業(yè)生產(chǎn)要求。三是開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)無沖擊啟動電流，而相比之下，傳統(tǒng)電機則面臨6倍以上的電流沖擊啟動。根據(jù)現(xiàn)場測試效果，開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)帶額定負載啟動的情況下，啟動電流不足額定電流的30%；而在系統(tǒng)重新啟動后，啟動電流小于等于額定電流的1.0倍，因此可以認(rèn)為該系統(tǒng)的軟啟動功能更好。四是系統(tǒng)啟動轉(zhuǎn)矩大，與常規(guī)電機相比，開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)可完成2倍以上過載，現(xiàn)場測試證明該系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩可達到4倍額定轉(zhuǎn)矩，因此重載啟動功能更強。五是開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的可靠性更高，這是因為在該電機研發(fā)中采用了簡易的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，無鼠籠條與線圈，并且內(nèi)部控制器與電機等關(guān)鍵模塊均可在缺相狀態(tài)下運行。六是使用年限更長。開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)中的電機絕緣等級達到H 級，理論的使用年限為20年。同時控制器核心部件均為國際一線品牌進口原裝，性能更強。例如所使用的IGBT 元件相比較傳統(tǒng)三相異步電機配套的變頻器里的IGBT使用頻率更低，因此使用年限更長[2]。

2.4 裝置創(chuàng)新點

作為一種新的電機技術(shù)，本文所介紹的開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的可靠性更高，但是受到輸出轉(zhuǎn)矩脈動等因素影響，裝置在運行中可能也可能存在噪聲大以及電機振動問題的影響，這一問題在一定程度上會限制該裝置的推廣。因此為消除開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動等問題的影響，在開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)應(yīng)用中還需要優(yōu)化技術(shù)方案，具體措施有以下幾種。

一是電機驅(qū)動換相，以檢測轉(zhuǎn)子位置為換相區(qū)域。在開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)改造中，轉(zhuǎn)子進入控制換相域后應(yīng)根據(jù)定子相電流下降率與下一相電流上升率，并逐一計算IGBT 的關(guān)斷點與導(dǎo)通點，改造后可隨時控制換相時電流的變化，進而解決輸出轉(zhuǎn)矩脈動偏高的問題。同時在改造后也可以按照裝置負載變化控制系統(tǒng)電機相電流的關(guān)斷角與開通角。

二是增加定子極弧系數(shù)。在開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)中，定子極弧系數(shù)與定子極弧的相對寬度存在相關(guān)性，在該系統(tǒng)中通過調(diào)整定子極弧系數(shù)可實現(xiàn)定子極余壓轉(zhuǎn)子極的重疊區(qū)域變化，如減少轉(zhuǎn)矩脈動值等。同時為滿足系統(tǒng)節(jié)能改造要求，為滿足增加頂自己糊系數(shù)的目的，在本次開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)中設(shè)定額定轉(zhuǎn)速1500rpm 時的振動位移小于6.5μm，振動速度小于1.1mm/s。

三是控制最大與最小電感的比值。開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)可通過調(diào)整定子與轉(zhuǎn)子的外徑、鐵芯長度等關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)化最大電感與最小電感的比值，并利用控制器遠程控制開關(guān)角與關(guān)斷角等數(shù)據(jù)，在改進后可緩慢提升電機繞組的電流值，進而達到提升電機輸出轉(zhuǎn)矩的效果，增強了電機的綜合性能。

四是開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子軸與凸極的徑向方向增設(shè)異形齒，上述改進方法具有減少徑向磁力的效果，并解決了系統(tǒng)裝置中存在的共振問題，因此系統(tǒng)噪聲更少[3]。

3 開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的應(yīng)用方案

3.1 節(jié)能改造背景

寧波鋼鐵有限公司先期年產(chǎn)鋼400萬t、投資約170億元。該項目建設(shè)已獲國家核準(zhǔn)。項目廠址坐落于浙江省寧波市北侖區(qū)，占地2.33km2，距市區(qū)約38km。本次系統(tǒng)改造項目的裝置為水泵電機，包括如下幾方面。一是軋鋼中心泵站5D3供水泵電機，額定功率185kW，是老舊的Y 型，額定轉(zhuǎn)速為1480r/min，工作電流300～320A，閥門開度80%。二是二沉池8D2供水泵電機，額定功率185kW，額定轉(zhuǎn)速為1480r/min，工作電流電流210～240A。液位高度用電動閥門調(diào)節(jié)，閥門開度變化范圍是37.5%～100%（3/8～8/8），無保壓要求。

3.2 開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)改造方案

一是采集老舊電機的能耗數(shù)據(jù)。在該項目冷卻水水泵電機上增設(shè)三相有功電能表與累時器，按照技術(shù)協(xié)議的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)采集周期范圍內(nèi)整理電機的運行數(shù)據(jù)，用于判斷電機原始耗電情況，并將其作為系統(tǒng)節(jié)能改造效果評估的重要依據(jù)。

二是安裝調(diào)試部分。開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的安裝尺寸滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，在將老舊電機拆卸后，直接在原位置安裝開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)即可，其連接方式不作改變，其中做舊電機上的皮帶輪以及聯(lián)軸器等檢查確認(rèn)無質(zhì)量缺陷后可直接安裝固定在新電機上。在控制安裝部分中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場考察結(jié)果以及電氣專工相關(guān)人員溝通確認(rèn)后確定最終位置，例如該工程中兩臺控制器的安裝信息見表1。

表1 控制器安裝位置結(jié)果

在架橋與電纜敷設(shè)中嚴(yán)格遵照強弱電走線分離的現(xiàn)場處理原則，根據(jù)該項目的實踐經(jīng)驗可知，因為開關(guān)磁阻電機與傳統(tǒng)三相異步電機存在明顯差異，其中設(shè)置了6條動力線，明顯多于傳統(tǒng)電機的3條，所以在現(xiàn)場安裝中應(yīng)在原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增設(shè)三條動力線（其中一條為YJVR 或VVR 型動力線）以及一條旋變線（該旋變線為6×0.5mm2傳輸檢測轉(zhuǎn)子位置信號用）、一條溫控線（6×0.5mm2檢測三相定子溫度用）。最后在接線部分處理中，主要施工內(nèi)容包括三個，分別為控制器與集控裝置的接線、電機與控制器之間的接線、控制器與電源之間的接線。

三是系統(tǒng)調(diào)試方案。本次項目中嚴(yán)格執(zhí)行開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)調(diào)試的一般研究，具體測試步驟如下。第一步按照產(chǎn)品出廠的參數(shù)與規(guī)格、現(xiàn)場使用要求等設(shè)置裝置運行數(shù)據(jù)。第二步啟動系統(tǒng)自學(xué)習(xí)指令，根據(jù)系統(tǒng)自學(xué)習(xí)結(jié)果確定裝置的零點位置。第三步將系統(tǒng)的試運行速度控制在100r/min 以下，根據(jù)超低速試運行結(jié)果判斷電機轉(zhuǎn)速方向是否與設(shè)備使用方向，若現(xiàn)場測試結(jié)果證明二者方向存在沖突，則需要修改系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)。第四步在參數(shù)設(shè)置結(jié)束后，即可根據(jù)裝置正常啟動要求做試運行，并監(jiān)測系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)。

四是采集開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場改造結(jié)束后，工作人員即可按照技術(shù)協(xié)議與合規(guī)等相關(guān)內(nèi)容評估新電機系統(tǒng)的能耗情況，通過對比電機改造前后的能耗數(shù)據(jù)，評估開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)在節(jié)電率等方面的技術(shù)優(yōu)勢，雙方確認(rèn)無異常后即可簽字確認(rèn)[4]。

3.3 改造周期

根據(jù)本項目的實踐經(jīng)驗以及設(shè)備現(xiàn)場布局等關(guān)鍵資料，考慮到共有兩臺設(shè)備需要做開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)改造，系統(tǒng)改造的周期為3d。

3.4 開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

從性能來看，本文所介紹的開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)解決了原有電機啟動電流偏大且工作效率低的問題，充分滿足鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中的精度控制要求。并且根據(jù)鋼鐵企業(yè)的反饋結(jié)果可知，在傳統(tǒng)電機控制系統(tǒng)中只能采用現(xiàn)場人工調(diào)試的方法控制閥門開度值，此類控制方法導(dǎo)致電機控制效率偏低，并且水泵的運行效率不理想。而在采用開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)之后，系統(tǒng)的啟動扭矩值增加，最高扭矩為常規(guī)電機的3倍以上，并且啟動電流值偏低；該裝置的系統(tǒng)過載能力更強，其過載值約為三相異步電機的2倍左右。

為保證節(jié)能測算效果的精準(zhǔn)度，該項目中通過增設(shè)電能表與累時器，記錄特定時間內(nèi)電機的耗電值與工況等詳細信息，并按照標(biāo)準(zhǔn)工況計算節(jié)電率情況。因此可在節(jié)能裝置安裝并且調(diào)試結(jié)束后，評估新電機系統(tǒng)耗電情況，并計算開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的實際功率P 新（kW）。則有：節(jié)電率η=（P舊-P新）/P舊×100%。根據(jù)案例項目的調(diào)查結(jié)果可知，整個工程項目有良好的節(jié)能效果，節(jié)電率約為23%。

3.5 項目的可行性判斷

根據(jù)寧波鋼鐵有限公司185kW 水泵電機節(jié)能改造項目的應(yīng)用經(jīng)驗，該項目通過開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)取得滿意效果，主要表現(xiàn)如下。一是系統(tǒng)的經(jīng)濟效益滿意，因為系統(tǒng)的節(jié)電效果好，完全滿足企業(yè)成本管理目標(biāo)實現(xiàn)，保證了企業(yè)成本管理效果。二是該系統(tǒng)具有更強的智能化管理功能，由于開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)增設(shè)了擴展功能模塊，在智能化改造中利用該模塊可實現(xiàn)裝置智能化管理，并降低工作人員的工作量，滿足節(jié)能降耗要求。

4 結(jié)語

在系統(tǒng)裝置節(jié)能改造中，開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)技術(shù)的使用可盡可能地減少設(shè)備的耗電量，根據(jù)本文的研究結(jié)果證實，本文所使用的開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)具有運行效率高、耗電量低等優(yōu)點，該裝置的節(jié)電率約為23%，解決了傳統(tǒng)裝置存在的耗電率高、能源利用率低的問題，滿足節(jié)電生產(chǎn)要求，值得進一步推廣。