開關磁阻電機系統在節能領域中的應用分析

寧波鋼鐵有限公司 張 攀 吳昌碩

1 引言

在可持續發展政策的宏觀調控下，鋼鐵行業作為能源消耗的大戶，如何對原有生產技術進行綠色節能改造得到社會的普遍關注。根據以往鋼鐵行業的生產經驗來看，部分設備因為投入年限長，因為系統功能老化而導致耗電量升高，不僅難以確保生產質量，也造成了嚴重的能源浪費。而隨著相關技術的發展，開關磁阻電機系統被廣泛應用在系統裝置節能改造中，作為一種先進電機系統，該裝置具有系統效率高、高效調速范圍寬、可靠性高等優點，滿足鋼鐵行業節能改造要求，值得關注。

2 開關磁阻電機系統研究

2.1 開關磁阻電機系統的工作原理

開關磁阻電機系統采用雙凸極結構，即凸極轉子與凸機定子，且極數數量不相等。在定子上設置繞組，繞組直徑方向相對的兩個繞組串聯成為“一相”。系統通電后會產生大量電磁，而電磁可沿著磁阻最小路徑閉合，此時具有特定形態的轉子運動至最小磁阻位置時，則會造成轉子主軸線與磁場的主軸線重合[1]。上述作用機制會導致電機轉子受切向力作用，進而快速運動；同時當定子按照特定順序輪換供電時，則會導致轉子持續承受轉矩的作用而快速運動。

在系統運動期間，控制系統可按照電機不同工況控制工作電流量，因此有良好的調速與節能效果。同時技術人員也可以在控制系統上增設保護功能，包括過載保護功能、過壓保護功能等，避免系統遭到破壞，可延長工作年限。

2.2 開關磁阻電機系統的基本構成

開關磁阻電機系統主要包括開關磁阻電機、主控制器、功率變換器以及電壓、電流、位置和溫度檢測等幾個關鍵功能模塊，其具體結構如圖1所示。

圖1 系統基本結構

2.3 系統特性分析

作為一種新型電機系統，開關磁阻電機系統可充分滿足節能改造的要求，其系統特性主要體現在以下幾方面。一是有更高的系統效率，滿足國家一級能效標準。二是調速范圍寬，該裝置在運行期間可在限定最低轉速到額定1.5倍轉速范圍內均可帶負載長期運轉，且系統能夠持續保持高效輸出；該裝置在工作區間的效率值大于等于85%，并且效率值超過90%的工作區間占比高，滿足不同行業生產要求。三是開關磁阻電機系統無沖擊啟動電流，而相比之下，傳統電機則面臨6倍以上的電流沖擊啟動。根據現場測試效果，開關磁阻電機系統帶額定負載啟動的情況下，啟動電流不足額定電流的30%；而在系統重新啟動后，啟動電流小于等于額定電流的1.0倍，因此可以認為該系統的軟啟動功能更好。四是系統啟動轉矩大，與常規電機相比，開關磁阻電機系統可完成2倍以上過載，現場測試證明該系統堵轉轉矩可達到4倍額定轉矩，因此重載啟動功能更強。五是開關磁阻電機系統的可靠性更高，這是因為在該電機研發中采用了簡易的系統結構，無鼠籠條與線圈，并且內部控制器與電機等關鍵模塊均可在缺相狀態下運行。六是使用年限更長。開關磁阻電機系統中的電機絕緣等級達到H 級，理論的使用年限為20年。同時控制器核心部件均為國際一線品牌進口原裝，性能更強。例如所使用的IGBT 元件相比較傳統三相異步電機配套的變頻器里的IGBT使用頻率更低，因此使用年限更長[2]。

2.4 裝置創新點

作為一種新的電機技術，本文所介紹的開關磁阻電機系統的可靠性更高，但是受到輸出轉矩脈動等因素影響，裝置在運行中可能也可能存在噪聲大以及電機振動問題的影響，這一問題在一定程度上會限制該裝置的推廣。因此為消除開關磁阻電機系統轉矩脈動等問題的影響，在開關磁阻電機系統應用中還需要優化技術方案，具體措施有以下幾種。

一是電機驅動換相，以檢測轉子位置為換相區域。在開關磁阻電機系統改造中，轉子進入控制換相域后應根據定子相電流下降率與下一相電流上升率，并逐一計算IGBT 的關斷點與導通點，改造后可隨時控制換相時電流的變化，進而解決輸出轉矩脈動偏高的問題。同時在改造后也可以按照裝置負載變化控制系統電機相電流的關斷角與開通角。

二是增加定子極弧系數。在開關磁阻電機系統中，定子極弧系數與定子極弧的相對寬度存在相關性，在該系統中通過調整定子極弧系數可實現定子極余壓轉子極的重疊區域變化，如減少轉矩脈動值等。同時為滿足系統節能改造要求，為滿足增加頂自己糊系數的目的，在本次開關磁阻電機系統中設定額定轉速1500rpm 時的振動位移小于6.5μm，振動速度小于1.1mm/s。

三是控制最大與最小電感的比值。開關磁阻電機系統可通過調整定子與轉子的外徑、鐵芯長度等關鍵指標優化最大電感與最小電感的比值，并利用控制器遠程控制開關角與關斷角等數據，在改進后可緩慢提升電機繞組的電流值，進而達到提升電機輸出轉矩的效果，增強了電機的綜合性能。

四是開關磁阻電機系統在轉子軸與凸極的徑向方向增設異形齒，上述改進方法具有減少徑向磁力的效果，并解決了系統裝置中存在的共振問題，因此系統噪聲更少[3]。

3 開關磁阻電機系統的應用方案

3.1 節能改造背景

寧波鋼鐵有限公司先期年產鋼400萬t、投資約170億元。該項目建設已獲國家核準。項目廠址坐落于浙江省寧波市北侖區，占地2.33km2，距市區約38km。本次系統改造項目的裝置為水泵電機，包括如下幾方面。一是軋鋼中心泵站5D3供水泵電機，額定功率185kW，是老舊的Y 型，額定轉速為1480r/min，工作電流300～320A，閥門開度80%。二是二沉池8D2供水泵電機，額定功率185kW，額定轉速為1480r/min，工作電流電流210～240A。液位高度用電動閥門調節，閥門開度變化范圍是37.5%～100%（3/8～8/8），無保壓要求。

3.2 開關磁阻電機系統改造方案

一是采集老舊電機的能耗數據。在該項目冷卻水水泵電機上增設三相有功電能表與累時器，按照技術協議的相關標準以及數據采集周期范圍內整理電機的運行數據，用于判斷電機原始耗電情況，并將其作為系統節能改造效果評估的重要依據。

二是安裝調試部分。開關磁阻電機系統的安裝尺寸滿足國家標準，在將老舊電機拆卸后，直接在原位置安裝開關磁阻電機系統即可，其連接方式不作改變，其中做舊電機上的皮帶輪以及聯軸器等檢查確認無質量缺陷后可直接安裝固定在新電機上。在控制安裝部分中，應根據現場考察結果以及電氣專工相關人員溝通確認后確定最終位置，例如該工程中兩臺控制器的安裝信息見表1。

表1 控制器安裝位置結果

在架橋與電纜敷設中嚴格遵照強弱電走線分離的現場處理原則，根據該項目的實踐經驗可知，因為開關磁阻電機與傳統三相異步電機存在明顯差異，其中設置了6條動力線，明顯多于傳統電機的3條，所以在現場安裝中應在原有系統結構的基礎上增設三條動力線（其中一條為YJVR 或VVR 型動力線）以及一條旋變線（該旋變線為6×0.5mm2傳輸檢測轉子位置信號用）、一條溫控線（6×0.5mm2檢測三相定子溫度用）。最后在接線部分處理中，主要施工內容包括三個，分別為控制器與集控裝置的接線、電機與控制器之間的接線、控制器與電源之間的接線。

三是系統調試方案。本次項目中嚴格執行開關磁阻電機系統調試的一般研究，具體測試步驟如下。第一步按照產品出廠的參數與規格、現場使用要求等設置裝置運行數據。第二步啟動系統自學習指令，根據系統自學習結果確定裝置的零點位置。第三步將系統的試運行速度控制在100r/min 以下，根據超低速試運行結果判斷電機轉速方向是否與設備使用方向，若現場測試結果證明二者方向存在沖突，則需要修改系統測試數據。第四步在參數設置結束后，即可根據裝置正常啟動要求做試運行，并監測系統的運行數據。

四是采集開關磁阻電機系統的能耗數據?，F場改造結束后，工作人員即可按照技術協議與合規等相關內容評估新電機系統的能耗情況，通過對比電機改造前后的能耗數據，評估開關磁阻電機系統在節電率等方面的技術優勢，雙方確認無異常后即可簽字確認[4]。

3.3 改造周期

根據本項目的實踐經驗以及設備現場布局等關鍵資料，考慮到共有兩臺設備需要做開關磁阻電機系統改造，系統改造的周期為3d。

3.4 開關磁阻電機系統的節能效果分析

從性能來看，本文所介紹的開關磁阻電機系統解決了原有電機啟動電流偏大且工作效率低的問題，充分滿足鋼鐵企業生產中的精度控制要求。并且根據鋼鐵企業的反饋結果可知，在傳統電機控制系統中只能采用現場人工調試的方法控制閥門開度值，此類控制方法導致電機控制效率偏低，并且水泵的運行效率不理想。而在采用開關磁阻電機系統之后，系統的啟動扭矩值增加，最高扭矩為常規電機的3倍以上，并且啟動電流值偏低；該裝置的系統過載能力更強，其過載值約為三相異步電機的2倍左右。

為保證節能測算效果的精準度，該項目中通過增設電能表與累時器，記錄特定時間內電機的耗電值與工況等詳細信息，并按照標準工況計算節電率情況。因此可在節能裝置安裝并且調試結束后，評估新電機系統耗電情況，并計算開關磁阻電機系統的實際功率P 新（kW）。則有：節電率η=（P舊-P新）/P舊×100%。根據案例項目的調查結果可知，整個工程項目有良好的節能效果，節電率約為23%。

3.5 項目的可行性判斷

根據寧波鋼鐵有限公司185kW 水泵電機節能改造項目的應用經驗，該項目通過開關磁阻電機系統取得滿意效果，主要表現如下。一是系統的經濟效益滿意，因為系統的節電效果好，完全滿足企業成本管理目標實現，保證了企業成本管理效果。二是該系統具有更強的智能化管理功能，由于開關磁阻電機系統增設了擴展功能模塊，在智能化改造中利用該模塊可實現裝置智能化管理，并降低工作人員的工作量，滿足節能降耗要求。

4 結語

在系統裝置節能改造中，開關磁阻電機系統技術的使用可盡可能地減少設備的耗電量，根據本文的研究結果證實，本文所使用的開關磁阻電機系統具有運行效率高、耗電量低等優點，該裝置的節電率約為23%，解決了傳統裝置存在的耗電率高、能源利用率低的問題，滿足節電生產要求，值得進一步推廣。