開關磁阻電機在油田及中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的應用

1、開關磁阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng)在油由與中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的應用摘要：介紹新一代高性能開關磁阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng)在油由與中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)等領域的典型 應用,并與丫（星形）系列電機+變頻器作出比較，從中分析出技術特征與優(yōu)勢.關鍵詞：開關磁阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng) 磁阻 功率變換器1、刖言當今,國民經(jīng)濟各領域的節(jié)能技術與產(chǎn)品呼之而出。作為動力裝置的新一代高性能開關磁 阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng)己在很多方面獲得應用.該開關磁阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng)是一種集微處理技術、現(xiàn)代控制理論、功率電力電子技術、智能控制、電機于一體，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產(chǎn)品。 其性能優(yōu)于迸口變頻器，并完全可以替而代之。

2、1.1高性能開關磁阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng)有以下主要特點：*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，功率因數(shù)0.9以上，空載電流小于1A;*低起動電流，高啟動轉矩啟動電流為額定運行電流的30%時啟動轉矩可達額定轉矩的150%;*優(yōu)越的調(diào)速性能調(diào)速比超過1:20 ;轉速波動0.1 %，實測數(shù)據(jù)表明，可達0.06 %;*節(jié)約材料沒有鋁耗,節(jié)約銅材1/3左右；*生產(chǎn)工藝簡單，可靠性高及全數(shù)字化設計，可聯(lián)網(wǎng)遠程控制。那末它與丫（星形）系列電機+變頻器其優(yōu)勢又是什么？1.2 與 丫系列電機+變頻器在結構及可靠性之對比1.21開關磁阻電機SRM與 丫系列電機之對比*丫系列電機在轉子方面：由矽

3、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；其繞組承受的匝間電壓峰值達1千多伏,存在絕緣疲勞老化，壽命相對短。*而開關磁阻電機SRM在轉子方面（見圖1所示），定子S 1尙開黃磁阻電動機SKMj定子丹轉子實祥示意S由矽鋼片疊成，無繞組，沒有鼠籠條，因此無鋁耗，工藝簡單，機械強度高，可靠性高；在定 子方面(見圖1所示):集中繞組耗銅少；繞組承受的匝間電壓峰值僅幾十伏 ，不存在絕緣疲勞 老化，壽命長。1.22開關磁阻電機控制器SRD與變頻器之對比*變頻器：變頻器或無刷直流電動機主電路拓樸結構見圖2(a)所示：其主電路存在貫穿短路隱患

4、；當某相電路出現(xiàn)故障時，不能產(chǎn)生旋轉磁場，電機不能運行。*控制器SRD開關磁阻電機系統(tǒng)控制器主電路拓樸結構見圖2(b)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，電機可繼續(xù)工作。5丁b 1 li"和開關磁阻調(diào)速電動機（sffl厲它迴逵系統(tǒng)的性m匕號表V4H ve功率輸入*用戶接口:轉矩購速機«能n -.1、SRDsAm3為開關S阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng)坦成框圉也 If V4r w*圏2応I為賽妬署義無霸1洼電動機i葩Kffi撲語構EEEaw為開關ffi限電機控倔1$陽)主赫拓紳ffl1.3與Y系列電機+變頻器在性能上比較*丫系列電機+變頻器在功率因數(shù)上

5、：額定點一般為 0.8左右，偏離額定點后下降非?？?。呈感 性！在啟動電流上：一般為4-7倍額定電流；其調(diào)速性能：頻率在36HZ-45HZ之間最佳，低于 36Hz效率急劇下降；空載電流：以30千瓦為例,電機電流約10-15A.*開關磁阻電機(SRM-Switched Reluctanee Motor,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！啟動電流：30%額定電流,可獲得150%額定轉 矩；調(diào)速性能：調(diào)速比超過1:20;轉速穩(wěn)定度，轉速波動0.1 %，實測數(shù)據(jù)表明，可達0.06 %； 空載電流：以30千瓦為例系統(tǒng)電流約為0.5安培。由以上比較可看出，

6、高性能開關磁阻調(diào)速 節(jié)能電機系統(tǒng)具有獨特之優(yōu)勢，之所以有”獨特之優(yōu)勢”，取決于它的新型結構。2、高性能開關磁阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng)結構特征開關磁阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng)是嶄新的一種系統(tǒng)，并且已經(jīng)是智能化和模塊化(見圖3所示),不 僅調(diào)速性優(yōu)越，而且各種保護功能也很完善，已在很多方面大量使用。r從圖3中可以看出開關磁阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng)是由SRM開關磁阻電機)和SRD控制器,包括信號處理與功率變換二大部件)結合組成，并能將電功率電能與機械能互換輸入輸出的機電 一體化裝置，即將電能轉換成機械能，也可能將機械能轉換成。實際糸統(tǒng)可由開關磁阻電機 (SRM)、功率變換器、微控制器、電流及位置檢測器等五大部分組成。2

7、.1開關磁阻電機(SRM)結構特征它是系統(tǒng)中實現(xiàn)能量轉換的部件，它與傳統(tǒng)的磁阻電動機相比，具有本質(zhì)的區(qū)別。在結構上，SR詠用雙凸極形式，即定子、轉子均為凸極式構造；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、轉子六極） 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；

8、在角度位置控制方式中，系統(tǒng)通 過調(diào)節(jié)觸發(fā)角和關斷角來實現(xiàn)對轉矩的控制，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。2.11 SRM電動機機械特性及與其它調(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化的趨勢。當轉子凸極與電子 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按一定邏輯關系切換定子磁極繞組的通電相序， 即可形成連續(xù)旋轉的力矩。開關磁阻調(diào)速電動機的調(diào)速功能是由開關磁阻電動機轉子位置檢測 器、功率變換器和控制器（微控制器）共同配合實

9、現(xiàn)的.圖5為SAMff關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矩大于額定轉矩的 2-3倍,圖5A曲線所示.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.傾定翠卑 串樹特性區(qū)眾先1呱里喪煩 泉軌JI' A磁陽 埶滋木11 S1.® .!.S1.0757677H33t,它貓1(isND'與同尺寸、冊砂恒輕矩E匕（蘭索虹三色曲?。? /曲魏)/7.- :Ji2/ i 士婆紂三'供曲細 1JOno140130 iCd 訊E0010勺0JBDd轉速2.12功率變換器功率變換器是連接電源和電動機繞組的開關部件.通過它將電源能

10、量饋入電機，也可將電 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部件為快速絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT).值此需要特別指出，它與眾不同的是，開關磁阻調(diào)速節(jié)能電機系統(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，便能滿足用戶不同的性能要求.3、高性能開關磁阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng)在油由與中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)等領域的典型應用高性能開關磁阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng)的應用范圍非常廣，隨著科技能力的不斷進步，以及半導體集成水平的提高，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中得到應用。 值此以在油由與中央空調(diào)節(jié)

11、能系統(tǒng)等領域的應用作為實例說明.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.T轉遵仿甘I電璉値r器L滬Pin1電址«詢PID*U1b=,1M諭忸1S甜恂基于矗t的油a抽油機動系彌威tSE其特點為：*起動電流?。旱蛦与娏?，高啟動轉矩，啟動電流為額定運行電流的30%時啟動轉矩可達額定轉矩的150%;*沒有退磁問題*增產(chǎn)效益：開關磁阻調(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；*線路及維護效益：經(jīng)以上數(shù)據(jù)分析，使用該系統(tǒng)可以極大地減少線路及供電容量，節(jié)約投資 成本，減少維護費用；*調(diào)速方便：可頻繁起停及正反向轉換運行；*操作簡便：調(diào)速時不用轉換

12、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；*使用壽命長：開關磁阻調(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對 井況的影響，延長使用壽命，減少維修次數(shù)；*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。«的A3.2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.m禪Utt鑰徒適盤3(7見總強曲iu號U團了為基于SR的油a抽油機智能化遠程驅(qū)動乘統(tǒng)方案組咸框團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

13、，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)電機轉速間接測得（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)電機的電流間接換算測得；流量也 可以通過電機轉速和電流換算測得；由于 SRM勺空載電流很小，不到一個安培，因此，當皮帶 斷后，可以根據(jù)電機電流判斷得出，從而及時通知有關人員進行處理，降低損失，提高生產(chǎn)效 率；由于遠程系統(tǒng)將遠程通訊、網(wǎng)絡、驅(qū)動控制集成一體，因此可大大節(jié)約設備成本和運行維 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

14、、提高工藝控制水平，從而提高企業(yè)的競爭力。3.3基于SR的中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)3.31工作原理：系統(tǒng)運用了計算機技術+ 模糊化控制技術，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）和設備參數(shù)（電機功率）的優(yōu)化控 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)電機轉速，徹底解決電能浪費問題。3.32系統(tǒng)特點：采用最先進的開關磁阻電機系統(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)電機轉速，在滿足工藝要

15、求的前提下達到節(jié)電目的。改普通異步 電動機定速運行的陳舊模式，克服了目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8（a）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8（b）所示。*基于SR的CAMfe線現(xiàn)場網(wǎng)絡系統(tǒng)Ufc 悴箱 It ft忡-.1代B5r ；I嘛Tft._r-_this電UM i_j rSHin«&圖8粗）基于SR的中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)構戚方框圖II'+rcRIff.燮I la'UMh閣主 基于SR的中央空調(diào)節(jié)能系費冷瓠 拎揀泵丟統(tǒng)構咸方框團新一

16、代高性能開關磁阻調(diào)速節(jié)能電機及控制系統(tǒng)，還開發(fā)CAN總線接口，實現(xiàn)了設備的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制，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)等三種）節(jié) 能上幾種常用技術的對比分析：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，但啟動對設備沖擊 大；啟動沖擊電流大，影響電網(wǎng)正常運行；存在絕緣老化，承受的匝間峰值電壓高達1千多伏），相比壽命居中.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

17、率在 36HZ-45HZ之間最佳，低于36Hz效率急 劇下降；啟動軟啟動，對設備無沖擊。但控制電路容易發(fā)生貫穿短路現(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；高次諧波會導致電機絕緣老化（分布繞組，承受的匝間峰值電壓高達 1千多伏，還有高次諧波電壓），電機壽命較短。 SRM節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)：計算機控制+ 模糊化控制技術、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 %;自動化程度好、調(diào)速范圍寬，調(diào)速比高于1:20,在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)效率都在90%左右；軟啟動對設備無沖擊?？刂齐娐凡淮嬖谪灤┒搪番F(xiàn)象，電機結構簡單，運行安全可靠；啟動電流小，啟動轉矩大，功率因數(shù)高，對電網(wǎng)沒有 沖擊和污染；電機結構簡單堅固，不存在絕緣老化（集中繞組，承受的匝間峰值電壓僅幾十伏）， 電機壽命最長。3.4樓宇供水系統(tǒng)*系統(tǒng)方案（見圖9所示）IHIP卜pu