开关磁阻电机系统在节能领域中的应用分析

2023-08-21宁波钢铁有限公司吴昌硕

电力设备管理 2023年13期

宁波钢铁有限公司张攀吴昌硕

1 引言

在可持续发展政策的宏观调控下，钢铁行业作为能源消耗的大户，如何对原有生产技术进行绿色节能改造得到社会的普遍关注。根据以往钢铁行业的生产经验来看，部分设备因为投入年限长，因为系统功能老化而导致耗电量升高，不仅难以确保生产质量，也造成了严重的能源浪费。而随着相关技术的发展，开关磁阻电机系统被广泛应用在系统装置节能改造中，作为一种先进电机系统，该装置具有系统效率高、高效调速范围宽、可靠性高等优点，满足钢铁行业节能改造要求，值得关注。

2 开关磁阻电机系统研究

2.1 开关磁阻电机系统的工作原理

开关磁阻电机系统采用双凸极结构，即凸极转子与凸机定子，且极数数量不相等。在定子上设置绕组，绕组直径方向相对的两个绕组串联成为“一相”。系统通电后会产生大量电磁，而电磁可沿着磁阻最小路径闭合，此时具有特定形态的转子运动至最小磁阻位置时，则会造成转子主轴线与磁场的主轴线重合[1]。上述作用机制会导致电机转子受切向力作用，进而快速运动；同时当定子按照特定顺序轮换供电时，则会导致转子持续承受转矩的作用而快速运动。

在系统运动期间，控制系统可按照电机不同工况控制工作电流量，因此有良好的调速与节能效果。同时技术人员也可以在控制系统上增设保护功能，包括过载保护功能、过压保护功能等，避免系统遭到破坏，可延长工作年限。

2.2 开关磁阻电机系统的基本构成

开关磁阻电机系统主要包括开关磁阻电机、主控制器、功率变换器以及电压、电流、位置和温度检测等几个关键功能模块，其具体结构如图1所示。

图1 系统基本结构

2.3 系统特性分析

作为一种新型电机系统，开关磁阻电机系统可充分满足节能改造的要求，其系统特性主要体现在以下几方面。一是有更高的系统效率，满足国家一级能效标准。二是调速范围宽，该装置在运行期间可在限定最低转速到额定1.5倍转速范围内均可带负载长期运转，且系统能够持续保持高效输出；该装置在工作区间的效率值大于等于85%，并且效率值超过90%的工作区间占比高，满足不同行业生产要求。三是开关磁阻电机系统无冲击启动电流，而相比之下，传统电机则面临6倍以上的电流冲击启动。根据现场测试效果，开关磁阻电机系统带额定负载启动的情况下，启动电流不足额定电流的30%；而在系统重新启动后，启动电流小于等于额定电流的1.0倍，因此可以认为该系统的软启动功能更好。四是系统启动转矩大，与常规电机相比，开关磁阻电机系统可完成2倍以上过载，现场测试证明该系统堵转转矩可达到4倍额定转矩，因此重载启动功能更强。五是开关磁阻电机系统的可靠性更高，这是因为在该电机研发中采用了简易的系统结构，无鼠笼条与线圈，并且内部控制器与电机等关键模块均可在缺相状态下运行。六是使用年限更长。开关磁阻电机系统中的电机绝缘等级达到H 级，理论的使用年限为20年。同时控制器核心部件均为国际一线品牌进口原装，性能更强。例如所使用的IGBT 元件相比较传统三相异步电机配套的变频器里的IGBT使用频率更低，因此使用年限更长[2]。

2.4 装置创新点

作为一种新的电机技术，本文所介绍的开关磁阻电机系统的可靠性更高，但是受到输出转矩脉动等因素影响，装置在运行中可能也可能存在噪声大以及电机振动问题的影响，这一问题在一定程度上会限制该装置的推广。因此为消除开关磁阻电机系统转矩脉动等问题的影响，在开关磁阻电机系统应用中还需要优化技术方案，具体措施有以下几种。

一是电机驱动换相，以检测转子位置为换相区域。在开关磁阻电机系统改造中，转子进入控制换相域后应根据定子相电流下降率与下一相电流上升率，并逐一计算IGBT 的关断点与导通点，改造后可随时控制换相时电流的变化，进而解决输出转矩脉动偏高的问题。同时在改造后也可以按照装置负载变化控制系统电机相电流的关断角与开通角。

二是增加定子极弧系数。在开关磁阻电机系统中，定子极弧系数与定子极弧的相对宽度存在相关性，在该系统中通过调整定子极弧系数可实现定子极余压转子极的重叠区域变化，如减少转矩脉动值等。同时为满足系统节能改造要求，为满足增加顶自己糊系数的目的，在本次开关磁阻电机系统中设定额定转速1500rpm 时的振动位移小于6.5μm，振动速度小于1.1mm/s。

三是控制最大与最小电感的比值。开关磁阻电机系统可通过调整定子与转子的外径、铁芯长度等关键指标优化最大电感与最小电感的比值，并利用控制器远程控制开关角与关断角等数据，在改进后可缓慢提升电机绕组的电流值，进而达到提升电机输出转矩的效果，增强了电机的综合性能。

四是开关磁阻电机系统在转子轴与凸极的径向方向增设异形齿，上述改进方法具有减少径向磁力的效果，并解决了系统装置中存在的共振问题，因此系统噪声更少[3]。

3 开关磁阻电机系统的应用方案

3.1 节能改造背景

宁波钢铁有限公司先期年产钢400万t、投资约170亿元。该项目建设已获国家核准。项目厂址坐落于浙江省宁波市北仑区，占地2.33km2，距市区约38km。本次系统改造项目的装置为水泵电机，包括如下几方面。一是轧钢中心泵站5D3供水泵电机，额定功率185kW，是老旧的Y 型，额定转速为1480r/min，工作电流300～320A，阀门开度80%。二是二沉池8D2供水泵电机，额定功率185kW，额定转速为1480r/min，工作电流电流210～240A。液位高度用电动阀门调节，阀门开度变化范围是37.5%～100%（3/8～8/8），无保压要求。

3.2 开关磁阻电机系统改造方案

一是采集老旧电机的能耗数据。在该项目冷却水水泵电机上增设三相有功电能表与累时器，按照技术协议的相关标准以及数据采集周期范围内整理电机的运行数据，用于判断电机原始耗电情况，并将其作为系统节能改造效果评估的重要依据。

二是安装调试部分。开关磁阻电机系统的安装尺寸满足国家标准，在将老旧电机拆卸后，直接在原位置安装开关磁阻电机系统即可，其连接方式不作改变，其中做旧电机上的皮带轮以及联轴器等检查确认无质量缺陷后可直接安装固定在新电机上。在控制安装部分中，应根据现场考察结果以及电气专工相关人员沟通确认后确定最终位置，例如该工程中两台控制器的安装信息见表1。

表1 控制器安装位置结果

在架桥与电缆敷设中严格遵照强弱电走线分离的现场处理原则，根据该项目的实践经验可知，因为开关磁阻电机与传统三相异步电机存在明显差异，其中设置了6条动力线，明显多于传统电机的3条，所以在现场安装中应在原有系统结构的基础上增设三条动力线（其中一条为YJVR 或VVR 型动力线）以及一条旋变线（该旋变线为6×0.5mm2传输检测转子位置信号用）、一条温控线（6×0.5mm2检测三相定子温度用）。最后在接线部分处理中，主要施工内容包括三个，分别为控制器与集控装置的接线、电机与控制器之间的接线、控制器与电源之间的接线。

三是系统调试方案。本次项目中严格执行开关磁阻电机系统调试的一般研究，具体测试步骤如下。第一步按照产品出厂的参数与规格、现场使用要求等设置装置运行数据。第二步启动系统自学习指令，根据系统自学习结果确定装置的零点位置。第三步将系统的试运行速度控制在100r/min 以下，根据超低速试运行结果判断电机转速方向是否与设备使用方向，若现场测试结果证明二者方向存在冲突，则需要修改系统测试数据。第四步在参数设置结束后，即可根据装置正常启动要求做试运行，并监测系统的运行数据。

四是采集开关磁阻电机系统的能耗数据。现场改造结束后，工作人员即可按照技术协议与合规等相关内容评估新电机系统的能耗情况，通过对比电机改造前后的能耗数据，评估开关磁阻电机系统在节电率等方面的技术优势，双方确认无异常后即可签字确认[4]。

3.3 改造周期

根据本项目的实践经验以及设备现场布局等关键资料，考虑到共有两台设备需要做开关磁阻电机系统改造，系统改造的周期为3d。

3.4 开关磁阻电机系统的节能效果分析

从性能来看，本文所介绍的开关磁阻电机系统解决了原有电机启动电流偏大且工作效率低的问题，充分满足钢铁企业生产中的精度控制要求。并且根据钢铁企业的反馈结果可知，在传统电机控制系统中只能采用现场人工调试的方法控制阀门开度值，此类控制方法导致电机控制效率偏低，并且水泵的运行效率不理想。而在采用开关磁阻电机系统之后，系统的启动扭矩值增加，最高扭矩为常规电机的3倍以上，并且启动电流值偏低；该装置的系统过载能力更强，其过载值约为三相异步电机的2倍左右。

为保证节能测算效果的精准度，该项目中通过增设电能表与累时器，记录特定时间内电机的耗电值与工况等详细信息，并按照标准工况计算节电率情况。因此可在节能装置安装并且调试结束后，评估新电机系统耗电情况，并计算开关磁阻电机系统的实际功率P 新（kW）。则有：节电率η=（P旧-P新）/P旧×100%。根据案例项目的调查结果可知，整个工程项目有良好的节能效果，节电率约为23%。

3.5 项目的可行性判断

根据宁波钢铁有限公司185kW 水泵电机节能改造项目的应用经验，该项目通过开关磁阻电机系统取得满意效果，主要表现如下。一是系统的经济效益满意，因为系统的节电效果好，完全满足企业成本管理目标实现，保证了企业成本管理效果。二是该系统具有更强的智能化管理功能，由于开关磁阻电机系统增设了扩展功能模块，在智能化改造中利用该模块可实现装置智能化管理，并降低工作人员的工作量，满足节能降耗要求。