高效开关磁阻电机的应用

高效开关磁阻电机的应用开关磁阻电动机调速系统是新一代无级调速系统，在国外已迅猛发展，在国内已经开始起步。开关磁阻电动机调速系统以其调速范围宽、启动电流小、启动转矩大、低速性能好、耐用可靠、效率高等优点，被广泛应用于塑料机械、矿山机械、造纸机械、纺织机械、机床、油田采油、泵类、风机、电动车、风力发电等领域，并有后来者居上的趋势。下面我们分别从工作原理、系统特点、市场应用、现存缺点来对它进行逐一的介绍。1、工作原理开关磁阻电动机调速系统所用的开关磁阻电动机（SRM）是开关磁阻调速系统（SRD）中实现机电能量转换的部件，也是SRD有别于其他电动机驱动系统的主要标志。SRM系双凸极可变磁阻电动机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组联接起来，称为“一相”，SR电动机可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数多、步距角小，有利于减少转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高，现今应用较多的是四相（8/6）结构和三相（12/8）结构。图1示出四相（8/6）结构SR电动机原理图。为简单计，图中只画出A相绕组及其供电电路。SR电动机的运行原理遵循“磁阻最小原理”—‘磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。图2中，当定子D-D’极励磁时，1-1'向定子轴线D-D'重合的位置转动，并使D相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给D→A→B→C相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给B→A→D→C相通电，则电动机即会沿顺时针方向转动。可见，SR电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。另外，从图2可以看出，当主开关器件S1、S2导通时，A相绕组从直流电源US吸收电能，而当S1、S2关断时，绕组电流经续流二极管VD1、VD2继续流通，并回馈给电源US。因此，SR电动机传动的共性特点是具有再生作用，系统效率高。图1四相8/6级SR电动机典型结构(只画出一相)2、系统特点开关磁组电动机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突起，主要是因为它卓越的系统性能，主要表现在：①结构简单：电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。SRD的结构比鼠笼式感应电动机还要简单，其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组，因此不会有鼠笼感应电机制造过程中铸造不良和使用过程中的断条等问题。其转子机械强度极高，可以用于超高速运转（如每分钟上万转）。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便、绝缘结构简单。②电路可靠：功率电路简单可靠。因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方相绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。对比异步电动机绕组需流过双向电流，向其供电的PWM变频器功率电路每相需两个功率器件。因此，开关磁阻电动机调速系统较PWM变频器功率电路中所需的功率元件少，电路结构简单。另外，PWM变频器功率电路中每桥臂两个功率开关管直接跨在直流电源侧，易发生直通短路烧毁功率器件。而开关磁阻电动机调速系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，根本上避免了直通短路现象，因此开关磁阻调速电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，既降低了成本，又有较高的工作可靠性。③系统可靠性高：系统可靠性高。从电动机的电磁结构上看，各项绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩，而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个旋转磁场，电动机才能正常运转；从控制结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般也是相互独立工作。由此可知，当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相工作，电动机除总输出功率能力有所减小外，并无其他妨碍。④起动优点：起动转矩大，起动电流低。控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。典型产品的数据是：起动电流为额定电流的15%时，获得起动转矩为100%的额定转矩；起动电流为额定电流的30%时，起动转矩可达其额定转矩的250%。而其他调速系统的起动特性与之相比，如直流电机为100%的电流，鼠笼感应电动机为300%的电流，获得100%的转矩。起动电流小而转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此本系统十分适合那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的设备。⑤可频繁起停：适用于频繁起停及正反向转换运行。本系统具有的高起动转矩、低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还要小，可控参数多使其制动运行能与电动运行具有同样优良的转矩输出能力和工作特性，二者综合作用的结果必然使之适用于频繁起停及正反向转换运行，次数可达1000次/小时。⑥性能好：可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种：相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压，可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采取不同控制方法和参数值，既可使之运行于最佳状态（如出力最大、效率最高等），还可使之实现各种不同的功能的特定曲线。如使电动机具有完全相同的四象限运行能力，并具有最高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线。由于SRD速度闭环是必备的，因此系统具有很高的稳速精度，可以很方便的构成无静差调速系统。⑦效率高损耗小：效率高，损耗小。本系统是一种非常高效的调速系统，这是因为一方面电动机绕组无铜损，另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。以3kW的SRD为例，其系统效率在很宽范围内都在87%以上，这是其它一些调速系统不容易达到的。将本系统同PWM变频器鼠笼型异步电动机的系统进行比较，本系统在不同转速和不同负载下的效率均比变频器系统高，一般要高5～10个百分点。⑧满足各种要求：可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。3、市场应用2008年8月至2009年3月，我司对东辛二矿采油七队的17口油井进行了开关磁阻电机节能改造，2009年3月全部安装完毕，经过2个多月的试用，我们认真的记录每天的电机耗电和电流情况，算出平均值与老电机的数据进行对比，电机节电效果良好，相对老式Y250-8电磁调速电机，新型开关磁阻电机的综合节电率达到31.6%，新型电机的保护电路允许的最大电流为50A，具体效果对比见下表：开关磁阻电机能耗对照表序号井号安装时间更换前电机型号：Y250-8更换后电机型号：SRM225M节电率最大电流（A）平均日耗电量（度）最大电流（A）平均日耗电量（度）14-1722009.1.22522461818524.924*292009.2.4391841212333.0344*112009.2.134018988256.54674-12009.1.14592671517235.65674-152009.1.14532444018424.66674-22009.1.15573213221533.07674-132009.1.15553432123531.58673-12009.1.17543661725630.19674-62009.1.17462702317634.810674-172009.1.18473101521032.311348P12009.1.18453111319736.712673-22009.1.18502811722021.713674-42009.1.1849310182809.714674-122009.3.2553804727028.91575-32009.3.3433503824230.8162962009.3.3232002214030.017674-212008.8632724922716.64、现存缺点①转矩有脉动，超低速时略有感觉。②控制器功率模块电流应力较异步电机变频器大1.7倍，功率模块数量多1倍，再加上软件不断开发、升级等，成本较高。