开关磁阻电机调速技术及节能分析

2021-11-01方剑陆刘兵

能源研究与利用 2021年5期

方剑，陆刘兵

(1.江苏省、南京市节能技术服务中心，南京 210007；2.扬州伟瓦科技有限公司，江苏扬州 225211)

据统计，2020年我国工业年用电量达5.029 7万亿 kW·h[1]，其中75%用于电机设备。近年来，我国大力推广变频节电类技术，并取得了丰硕的成果。但当电机长期处于低速或低负载运行且需要频繁正反转等工况下，传统变频系统节能效果并不理想，同时在小功率电机设备上采用变频技术也不具备经济性。开关磁阻电机调速技术可有效解决低速运行和频繁正反转等调速问题，并兼具直流、交流两类系统的优点。该技术的推广应用将为我国家电、电动汽车和工业领域提供更多节能解决方案[2]。

开关磁阻电机调速系统具有结构简单、坚固、工作可靠、成本低、系统控制灵活、调速性能好、运行效率高和温升低等诸多优点，被视为电气传动系统发展过程中的一个里程碑。开关磁阻电机特别适用在恶劣环境和要求超高速的场合下运行，并可广泛地应用在纺织、造纸、煤矿、航空和机械等领域，功率从几瓦到几兆瓦，转速范围从每分钟几转到几万转[3]。

1 开关磁阻电机调速技术原理及关键技术

1.1 技术原理

开关磁阻电机调速技术是集现代微电子技术、数字技术和红外光电技术为一体的光、机、电一体化技术，主要由开关磁阻电机本体和智能控制系统两部分组成。开关磁阻电机工作原理是基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原理(磁阻最小原理)。当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置；当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步一步地沿着通电相序相反的方向转动[4]。线圈电流通断和磁通状态直接受开关控制。智能控制系统为闭环控制系统，由微控制器、数字逻辑电路及接口电路等构成，通过对电机转速和电流等数据的实时监测，判断负载变化状态，并根据负载变化情况，实时调节输出功率。特别是当负载功率小于电机额定功率时，通过降低输出电压，从而降低电机的输出功率，以匹配负载的变化，保证电机高效运行，实现电机节能。开关磁阻电机调速系统原理图见图1。

图1 开关磁阻电机调速系统原理图

1.2 关键技术

1)控制系统采用双MCU(核心处理器)处理技术。其中，一个(核心处理器)用于电机位置信息的逻辑处理，另一核心处理器用于外部电流、电压等模拟量运算处理。采用双MCU可以并行处理大量需要实时、快速处理的数据，实现电机50～15 000 r/min高速运行，并提高电机在不同运行状态下的稳定性。

2)高可靠性磁位置传感技术。该技术着重解决光电传感中粉尘影响的问题，以提高位置采集精度，保障电机在恶劣的环境中稳定工作并延长电机的使用寿命。

3)自适应调节技术。可在系统内部储存不同工况下的经验数据，电机工作时调速系统根据经验数据，可自动调节电机的转速。

4)滤波技术。在设备内部植入EMC滤波器，减少系统对电网的干扰，提高设备本身运行的可靠性[2]。

2 开关磁阻电机调速技术优势

目前风机、水泵等设备几种常用的节能调速技术主要性能指标对比情况见表1。

表1 几种常用的节能调速技术主要性能指标对比表

3 开关磁阻电机调速节能效果评估分析

3.1 应用实例

为了解开关磁阻电机调速的节能效果，江苏某水泵生产企业在其水泵性能检测控制中心，通过对比测试一台额定功率为132 kW的化工离心水泵在三相异步电动机驱动和开关磁阻调速电机驱动两种驱动模式下水泵流量和耗电等运行参数，从而评估分析开关磁阻电机调速节能效果。用于测试的化工离心泵及驱动电机铭牌参数见表2。

3.2 节能效果评估分析

3.2.1 三相异步电动机驱动与开关磁阻电机驱动模式运行数据比对

三相异步电动机驱动时，通过调节水泵出口管道上的电动调节阀调节水泵出口流量，测试记录相应的电机和水泵运行参数；开关磁阻调速电机驱动时，通过磁阻电机控制器调节，改变电机转速，同时通过电动调节阀调节使水泵出口流量保持基本稳定，测试记录相应的电机和水泵运行参数。水泵由三相异步电动机驱动和开关磁阻调速电机驱动两种驱动模式，三相异步电动机驱动测试数据见表3，开关磁阻调速电机驱动测试数据见表4。

3.2.2 开关磁阻电机调速实际节电率计算

依据表3和表4的相关数据，计算开关磁阻电机调速实际节电率。三相异步电动机驱动模式下，水泵出口流量调至603.66 m3/h(额定流量附近)、扬程55.51 m时输入功率为118.40 kW。开关磁阻调速电机驱动模式下，水泵组转速调至1 450 r/min时，水泵出口流量为597.86 m3/h、扬程为52.73 m时输入功率为117.46 kW，此时节电率为0.79%；水泵组转速调至1 350 r/min时，水泵出口流量为605.02 m3/h、扬程为44.30 m时输入功率为99.91 kW，此时节电率为15.62%；水泵组转速调至1 200 r/min时，水泵出口流量为601.46 m3/h、扬程33.91 m时输入功率为75.44 kW，此时节电率为36.28%；水泵组转速调至1 050 r/min时，水泵出口流量为608.06 m3/h、扬程24.13 m时输入功率为55.29 kW，此时节电率为53.30%，开关磁阻调速电机驱动节电率计算见表5。