1前言
當今新一代高性能開關(guān)磁阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng)己經(jīng)逐一問世并在很多方面獲得應用。該開關(guān)磁阻調(diào)速節(jié)能電動機系統(tǒng)是一種集微處理機技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、電力電子技術(shù)、智能控制、電機一體化,具有優(yōu)良調(diào)速性能、高可靠性、高效節(jié)能的機電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品。其性能優(yōu)于進口變頻器并完全可以替而代之。這是因為有以下特點。
1.1高性能開關(guān)磁阻調(diào)速節(jié)能電動機系統(tǒng)主要特點
(1)高效節(jié)能
在很寬的調(diào)速范圍和負載范圍內(nèi),系統(tǒng)效率在90%以上,助率因數(shù)0.9以上,空載電流小于1A:
(2)低起動電流,高起動轉(zhuǎn)矩
起動電流為額定運行電流的30%時起動轉(zhuǎn)矩可達額定轉(zhuǎn)矩的150%;
(3)優(yōu)越的調(diào)速性能
調(diào)速比超過1:20;轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度,轉(zhuǎn)速波動<0.1%,實測數(shù)據(jù)表明,可達0.06%
(4)節(jié)約材料
節(jié)約銅材l/3左右:
(5)生產(chǎn)工藝簡單,可靠性高及全數(shù)字化設(shè)計,可聯(lián)網(wǎng)遠程控制。
那么它與Y(星形)系列電動機+變頻器相比,其優(yōu)勢又是什么?
1.2與Y系列電動機+變頻器在結(jié)構(gòu)及可靠性之對比
(1)開關(guān)磁阻電動機SRM與Y系列電動機之對比
1)Y系列電動機在轉(zhuǎn)子方面 由硅鋼片疊成,有鼠籠條,有鋁耗,工藝相對復雜,機械強度相對低,可靠性相對低;而在定子方面:其分布繞組,耗銅相對多;其繞組承受的匝問電壓峰值:l 000多伏存在絕緣老化,壽命相對短。
2)而開關(guān)磁阻電動機SRM在轉(zhuǎn)子方面(見圖l所示)由硅鋼片疊成,無繞組,沒有鼠籠條,工藝簡單,機械強度高,可靠性高;在定子方面(見圖l所示),集中繞組耗銅少:繞組承受的匝問電壓峰值:幾十伏不存在絕緣老化,壽命長。
(2)開關(guān)磁阻電機控制器SRD與變頻器對比
1)變頻器變頻器或無刷直流電動機主電路拓樸結(jié)構(gòu)如圖2a所示,其主電路存在貫穿短路隱患:當某相電路出現(xiàn)故障時,不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,電機不能運行。
2)控制器SRD開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)控制器主電路拓樸結(jié)構(gòu)如圖2b所示其主電路不存在貫穿短路隱患;當某相電路出現(xiàn)故障時,各相繞組獨立工作,電動機可以繼續(xù)工作。
1.3與Y系列電動機+變頻器在性能上比較
1)Y系列電動機+變頻器在功率因數(shù)上。額定點一般為0.8左右,偏離額定點后下降非??臁T谄饎与娏魃?一般為4~7倍額定電流;其調(diào)速性能:頻率在36~45Hz之間最佳,低于36Hz效率急劇下降;空載電流:以30 kW為例,電動機電流約10~15A。
2)開關(guān)磁阻電動機(SRM-SwitchedReluctanceMotor,簡稱SRM)在功率因數(shù)上。在很寬的范圍內(nèi)一般在0.95左右,最高可達0.99,呈容性負載。起動電流30%額定電流,可獲得150%額定轉(zhuǎn)矩:調(diào)速性能:調(diào)速比超過1:20;轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度,轉(zhuǎn)速波動<0.1%,實測數(shù)據(jù)表明,可達0.06%;空載電流:以30 kW為例系統(tǒng)電流約0.5A。由以上比較可看出,高性能開關(guān)磁阻調(diào)速節(jié)能電動機系統(tǒng)具有獨特之優(yōu)勢,之所以有“獨特之優(yōu)勢”,那取決于它的新型結(jié)構(gòu)。
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2高性能開關(guān)磁阻調(diào)速節(jié)能電動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征
開關(guān)磁阻調(diào)速節(jié)能電動機系統(tǒng)是嶄新的一種系統(tǒng),并且已經(jīng)是智能化和模塊化(如圖3所示),不僅調(diào)速性優(yōu)越,而且各種保護功能也很完善,已在很多方而大量使用。這項技術(shù)一經(jīng)問世,便以其寬廣的調(diào)速范圍,良好的機械特性,卓越的啟動制動性能,節(jié)能,易維護等一系列突出優(yōu)點而引起電氣及其他行業(yè)的關(guān)注。
從圖3中可以看出開關(guān)磁阻調(diào)速節(jié)能電動機系統(tǒng)是由SRM(開關(guān)磁阻電動機)和SRD(控制器,包括信號處理與功率變換二部件)結(jié)合組成,并能將電功率與機械能互換輸入輸出的機電一體化裝置,即將電能轉(zhuǎn)換成機械能,也可能將機械能轉(zhuǎn)換成電能。實際糸統(tǒng)可由開關(guān)磁阻電動機(SRM)、功率變換器、微控制器、電流及位置檢測器等5大部分組成。
2.1開關(guān)磁阻電動機(sRM)結(jié)構(gòu)特征
它是系統(tǒng)中實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部件,它與傳統(tǒng)的磁阻電動機相比,具有本質(zhì)的區(qū)別。在結(jié)構(gòu)上.SRM采用雙凸極形式,即定子、轉(zhuǎn)子均為凸極式構(gòu)造:定子線圈采用集中式而不是分布式繞組;加在定子繞組上的電壓為不連續(xù)的矩形波而非連續(xù)的正弦波。轉(zhuǎn)子僅由硅鋼片疊壓而成,既無繞組也無永磁體,定子各極上繞有集中繞組。圖4所示為12/8極(定子12極、轉(zhuǎn)子6極)四相SRM剖面圖。SRM有兩種獨特的運行方式:低速時采用電流斬波方式;高速時采用單脈沖角度控制方式。在電流斬波方式中,系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)相繞組電流的大小來控制轉(zhuǎn)矩,因此能準確知道繞組中實際電流的大小,對電流進行反饋是很必要的:在角度位置控制方式中,系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)觸發(fā)角和關(guān)斷角來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制,此時電流己不再作為控制量,但為了防止系統(tǒng)過載或故障則要進行過流保護,所以系統(tǒng)中需要進行電流檢測。
(1)SRM電動機機械特性及與其他調(diào)速系統(tǒng)的性能比較
遵循“磁阻最小原理”,通電后,磁路有向磁阻最小路徑變或化的趨勢。當轉(zhuǎn)子凸極與電子凸極錯位時,氣隙大、磁阻大:一旦定子磁極繞組通電,就會形成對轉(zhuǎn)子凸起的磁拉力,使氣隙變小,磁路磁阻變小。與此同時用電子開關(guān)按一定邏輯關(guān)系切換定子磁極繞組的通電相序,即可形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)的力矩。開關(guān)磁阻調(diào)速電動機的調(diào)速功能是由開關(guān)磁阻電動機轉(zhuǎn)于位置檢測器、功率變換器和控制器(微控制器)共同配臺實現(xiàn)的。
圖5為SAM開關(guān)磁阻電動機的機械特性,之所以說它機械特性好是因啟動轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩的2~3倍,圖5中的A曲線所示。
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表1為SRM與其它調(diào)速系統(tǒng)的性能比較所示。從表1可看出SRM效率高,低耗、節(jié)能。
(2)功率變換器
功率變換器是連接電源和電動機繞組的開關(guān)部件。通過它將電源能量饋入電動機,也可將電動機內(nèi)的磁場儲能反饋回電源,其功率變換電路所用的開關(guān)器件為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。
值此需要特別指出,與眾不同的是,開關(guān)磁阻調(diào)速節(jié)能電動機系統(tǒng)很容易通過改變電動機的工作方式和控制參數(shù)實現(xiàn)不同的性能特點和滿足特殊的性能指標,尤其當采用微控制機為控制核心時,往往只需通過修改軟件,便能滿足用戶許多不同的性能要求。
3高性能開關(guān)磁阻調(diào)速節(jié)能電動機系統(tǒng)在油由與中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)等領(lǐng)域的典型應用舉例
高性能開關(guān)磁阻調(diào)速節(jié)能電動機系統(tǒng)的應用范圍非常廣泛,隨著科技能力的不斷進步,以及半導體集成控制技術(shù)水半的提高,其系統(tǒng)已有了系列化產(chǎn)品,在工業(yè)部門和家用電器及國防軍工中得到應用。下面以在油由與中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)等領(lǐng)域的應用作為典型舉例說明。
3.1基于SR的油田抽油機驅(qū)動系統(tǒng)組成與特點
系統(tǒng)組成見圖6所示。其特點為:
1)起動電流小低起動電流,高起動轉(zhuǎn)矩,起動電流為額定運行電流的30%時起動轉(zhuǎn)矩可達額定轉(zhuǎn)矩的150%。
2)沒有退磁問題。
3)增產(chǎn)效益開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)上沖程快、下沖程慢,從而使油液充滿度大,增加產(chǎn)油量。
4)線路及維護效益經(jīng)以上數(shù)據(jù)分析,使用該系統(tǒng)可以極大的減少線路及供電容量,節(jié)約投資成本,減少維護費用。
5)調(diào)速方便 可頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)換運行。
6)操作簡便調(diào)速時不用轉(zhuǎn)換皮帶輪,直接調(diào)節(jié)按鈕就可以調(diào)速:可節(jié)省以前換皮帶輪所花的吊車費、人工費、停產(chǎn)費用等等。
7)使用壽命長開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)軟起動和上快下慢的特性,減少了抽油桿的磨損和井況的影響,延長使用壽命,減少維修次數(shù)。
8)防盜電若一條母線建成直流供電,可以防止竊電現(xiàn)象發(fā)生。之間最佳,低于36 Hz效率急劇下降。
3.2基于SR的油田抽油機智能化遠程驅(qū)動系統(tǒng)組成與特點
系統(tǒng)組成見圖7所示。除了具備基本型的所有優(yōu)點外,遠程型系統(tǒng)還具備如下特點:
可以進行遠程監(jiān)視和控制;可以通過移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),實現(xiàn)抽油機移峰填谷控制,因此能優(yōu)化用電模式,降低采油成本,解決電網(wǎng)供需矛盾;實現(xiàn)遠程監(jiān)視控制,不需外加設(shè)備和傳感器,因此操作更簡單,可靠性更高:比如抽油機的沖次可以根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速間接測得(傳統(tǒng)的是通過安裝傳感器測量,可靠性差,壽命短);油桿拉力可以根據(jù)電動機的電流間接換算測得;流量也可以通過電動機轉(zhuǎn)速和電流換算測得:由于SRM的空載電流很小,不到一個安培,因此,當皮帶斷后,可以根據(jù)電動機電流判斷得出,從而及時通知有關(guān)人員進行處理.降低損失,提高生產(chǎn)效率;由于遠程系統(tǒng)將遠程通訊、剛絡(luò)、驅(qū)動控制集成一體,因此可以大大節(jié)約設(shè)備本和運行維護成本:大幅度提高了抽油機的信息化和自動化水平,更符合潮流發(fā)展方向:本系統(tǒng)可以節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率、提高工藝控制水平,從而提高企業(yè)的核心競爭力。
3.3基于SR的中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)
1)工作原理 系統(tǒng)運用了計算機技術(shù)+模糊化控制技術(shù),控制單元和信號采集單元組成閉環(huán)控制系統(tǒng),通過對冷卻風機、水泵的工藝參數(shù)(溫度、壓力等)和設(shè)備參數(shù)(電機功率)的優(yōu)化共控制,使風機、水泵一直工作在滿足要求條件下的最省電的運行方式。在確保用戶舒適的前提下自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)數(shù),徹底解決電能浪費問題。
2)系統(tǒng)特點采用最先進的開關(guān)磁阻電機系統(tǒng),系統(tǒng)由溫度、壓力傳感系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機等和冷卻泵組成閉環(huán)控制系統(tǒng),將溫差、壓差的反饋值與設(shè)定的目標值進行比較運算,通過PLC系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,在滿足工藝要求的前提下最大化地達到節(jié)電目的。改普通異步電動機定速運行的陳舊模式,克服了日前應用較多的變頻器調(diào)速范圍窄、本身有電耗的局限性,節(jié)電效果一般在30%,80%之間。
基于 SR的中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)風機系統(tǒng),見圖8a所示。基于 SR的中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)冷卻、冷凍泵系統(tǒng)見圖8b所示。
3.4基于 SR的CAM電線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
新一代高性能開關(guān)磁阻調(diào)速節(jié)能電動機及控制系統(tǒng),還開發(fā)CAN總線接口,實現(xiàn)了設(shè)備的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制,提高了系統(tǒng)的自動化、信息化水平,方便用戶控制,實現(xiàn)更佳的控制效果,提高節(jié)能的效益。
當前中央空調(diào)電機(三相異步電機、三相異步電機+變頻控制、SR節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)等3種)節(jié)能幾種常用技術(shù)的對比分析要領(lǐng)。
1)三相異步電機定速運行,功辛率因數(shù)低,效率低;不可調(diào)速、簡單可靠,但起動對設(shè)備沖擊大,啟動沖擊電流大,影響電網(wǎng)正常運行;存在絕緣老化分布繞組,承受的匝間峰值電壓高達1000多伏),相比壽命居中。
2)三相異步電機+變頻控制變頻調(diào)速、單參量線性控制、變速控制,功率因數(shù)較低,節(jié)約電能20%~50%;自動化程度較好、調(diào)速范圍窄,頻率在36~45 Hz之間最佳,低于36 Hz效率急劇下降;采用軟起動,對設(shè)備無沖擊。但控制電路比較復雜容易發(fā)生擊穿短路現(xiàn)象,引起過火災;存在高次諧波,功率因數(shù)低,對電網(wǎng)有污染,長期接觸對人體有危害:高次諧波導致電動機絕緣老化(分布繞組,承受的匝間峰值電壓高達1000多伏,還有高次諧波電壓),電動機壽命較短。
3)SRM節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)計算機控制+模糊化控制技術(shù)、多參量非線性控制、變速控制、功率因數(shù)高,可達0.99,效率高,節(jié)約電能30%~80%;自動化程度最好、調(diào)速范圍寬,調(diào)速比可達1:20以上,在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)效率都在90%左右;起動軟起動,對設(shè)備無沖擊??刂齐娐凡淮嬖趽舸┒搪番F(xiàn)象,電動機結(jié)構(gòu)簡單,運行安全可靠:起動電流小,起動轉(zhuǎn)矩大,功率因數(shù)高,對電網(wǎng)沒有沖擊和污染: 電動機結(jié)構(gòu)簡單堅固,不存在絕緣老化(集中繞組,承受的匝間峰值電壓僅幾十伏),電動機壽命最長。
3.5樓宇供水系統(tǒng)
(1)系統(tǒng)方案(見圖9所示)
(2)系統(tǒng)特點
用戶可以設(shè)定要求的工藝(壓力、流量)參數(shù),可選擇對電動機、閥門、調(diào)速裝置進行控制,也可以選擇全自動化優(yōu)化運行方式??梢詫崟r監(jiān)測流量、壓力、液位、溫度等工藝參數(shù)。