開關磁阻電機調速技術及節能分析

方劍，陸劉兵

(1.江蘇省、南京市節能技術服務中心，南京 210007；2.揚州偉瓦科技有限公司，江蘇 揚州 225211)

據統計，2020年我國工業年用電量達5.029 7萬億 kW·h[1]，其中75%用于電機設備。近年來，我國大力推廣變頻節電類技術，并取得了豐碩的成果。但當電機長期處于低速或低負載運行且需要頻繁正反轉等工況下，傳統變頻系統節能效果并不理想，同時在小功率電機設備上采用變頻技術也不具備經濟性。開關磁阻電機調速技術可有效解決低速運行和頻繁正反轉等調速問題，并兼具直流、交流兩類系統的優點。該技術的推廣應用將為我國家電、電動汽車和工業領域提供更多節能解決方案[2]。

開關磁阻電機調速系統具有結構簡單、堅固、工作可靠、成本低、系統控制靈活、調速性能好、運行效率高和溫升低等諸多優點，被視為電氣傳動系統發展過程中的一個里程碑。開關磁阻電機特別適用在惡劣環境和要求超高速的場合下運行，并可廣泛地應用在紡織、造紙、煤礦、航空和機械等領域，功率從幾瓦到幾兆瓦，轉速范圍從每分鐘幾轉到幾萬轉[3]。

1 開關磁阻電機調速技術原理及關鍵技術

1.1 技術原理

開關磁阻電機調速技術是集現代微電子技術、數字技術和紅外光電技術為一體的光、機、電一體化技術，主要由開關磁阻電機本體和智能控制系統兩部分組成。開關磁阻電機工作原理是基于磁通總是沿磁導最大的路徑閉合的原理(磁阻最小原理)。當定、轉子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就會產生磁拉力，形成磁阻轉矩，使轉子轉到磁導最大的位置；當向定子各相繞組中依次通入電流時，電機轉子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉動[4]。線圈電流通斷和磁通狀態直接受開關控制。智能控制系統為閉環控制系統，由微控制器、數字邏輯電路及接口電路等構成，通過對電機轉速和電流等數據的實時監測，判斷負載變化狀態，并根據負載變化情況，實時調節輸出功率。特別是當負載功率小于電機額定功率時，通過降低輸出電壓，從而降低電機的輸出功率，以匹配負載的變化，保證電機高效運行，實現電機節能。開關磁阻電機調速系統原理圖見圖1。

圖1 開關磁阻電機調速系統原理圖

1.2 關鍵技術

1)控制系統采用雙MCU(核心處理器)處理技術。其中，一個(核心處理器)用于電機位置信息的邏輯處理，另一核心處理器用于外部電流、電壓等模擬量運算處理。采用雙MCU可以并行處理大量需要實時、快速處理的數據，實現電機50～15 000 r/min高速運行，并提高電機在不同運行狀態下的穩定性。

2)高可靠性磁位置傳感技術。該技術著重解決光電傳感中粉塵影響的問題，以提高位置采集精度，保障電機在惡劣的環境中穩定工作并延長電機的使用壽命。

3)自適應調節技術。可在系統內部儲存不同工況下的經驗數據，電機工作時調速系統根據經驗數據，可自動調節電機的轉速。

4)濾波技術。在設備內部植入EMC濾波器，減少系統對電網的干擾，提高設備本身運行的可靠性[2]。

2 開關磁阻電機調速技術優勢

目前風機、水泵等設備幾種常用的節能調速技術主要性能指標對比情況見表1。

表1 幾種常用的節能調速技術主要性能指標對比表

3 開關磁阻電機調速節能效果評估分析

3.1 應用實例

為了解開關磁阻電機調速的節能效果，江蘇某水泵生產企業在其水泵性能檢測控制中心，通過對比測試一臺額定功率為132 kW的化工離心水泵在三相異步電動機驅動和開關磁阻調速電機驅動兩種驅動模式下水泵流量和耗電等運行參數，從而評估分析開關磁阻電機調速節能效果。用于測試的化工離心泵及驅動電機銘牌參數見表2。

3.2 節能效果評估分析

3.2.1 三相異步電動機驅動與開關磁阻電機驅動模式運行數據比對

三相異步電動機驅動時，通過調節水泵出口管道上的電動調節閥調節水泵出口流量，測試記錄相應的電機和水泵運行參數；開關磁阻調速電機驅動時，通過磁阻電機控制器調節，改變電機轉速，同時通過電動調節閥調節使水泵出口流量保持基本穩定，測試記錄相應的電機和水泵運行參數。水泵由三相異步電動機驅動和開關磁阻調速電機驅動兩種驅動模式，三相異步電動機驅動測試數據見表3，開關磁阻調速電機驅動測試數據見表4。

3.2.2 開關磁阻電機調速實際節電率計算

依據表3和表4的相關數據，計算開關磁阻電機調速實際節電率。三相異步電動機驅動模式下，水泵出口流量調至603.66 m3/h(額定流量附近)、揚程55.51 m時輸入功率為118.40 kW。開關磁阻調速電機驅動模式下，水泵組轉速調至1 450 r/min時，水泵出口流量為597.86 m3/h、揚程為52.73 m時輸入功率為117.46 kW，此時節電率為0.79%；水泵組轉速調至1 350 r/min時，水泵出口流量為605.02 m3/h、揚程為44.30 m時輸入功率為99.91 kW，此時節電率為15.62%；水泵組轉速調至1 200 r/min時，水泵出口流量為601.46 m3/h、揚程33.91 m時輸入功率為75.44 kW，此時節電率為36.28%；水泵組轉速調至1 050 r/min時，水泵出口流量為608.06 m3/h、揚程24.13 m時輸入功率為55.29 kW，此時節電率為53.30%，開關磁阻調速電機驅動節電率計算見表5。

表2 化工離心泵及驅動電機銘牌參數

表3 三相異步電動機驅動測試數據

表4 開關磁阻調速電機驅動測試數據

表5 開關磁阻調速電機驅動節電率計算

4 結語

本文通過對比測試一臺額定功率為132 kW的化工離心泵在三相異步電機驅動和型開關磁阻調速電機驅動兩種模式下水泵流量、耗電等運行參數，進而計算出不同工況下開關磁阻調速電機驅動模式相較三相異步電動機驅動的節電率，驗證了開關磁阻電機在不同負載情況下的節能效果。