开关磁阻调速节能电机在中央空调节能与楼宇供水系统等领域中的应用

１ 前言
节能是当今世界的主流话题，在此推动下，国民经济各领域的节能技术与产品层出不穷。其作为动力装置的高性能开关磁阻调速节能电机系统己问世并在很多方面获得应用。该开关磁阻调速节能电机系统是一种集微处理技术、现代控制理论、功率电力电子技术、智能控制、电机于一体，具有优良调速性能、高可靠性、高效节能的机电一体化的高新技术产品。其性能优于迸口变频器，并完全可以替而代之。文章将介绍新高性能开关磁阻调速节能电机系统技术特征与优势，并与Ｙ（星形）系列电机＋变频器作出比较，从而对其在油由与中央空调节能系统等领域的典型应用作出说明。
２ 高性能开关磁阻调速节能电机系统结构特征
开关磁阻调速节能电机系统是一种崭新系统，并且已经具有智能化和模块化（见图１所示），不仅调速性优越，而且各种保护功能也很完善，已在很多方面大量使用。这项技术一经问世，便以其宽广的调速范围，良好的机械特性，卓越的启动制动性能，节能、易维护等一系列突出优点而引起电气及其它行业的关注。
从图１中可以看出，开关磁阻调速节能电机系统是由开关磁阻电机（简称ＳＲＭ）和ＳＲＤ控制器（包括信号处理与功率变换二大部件）结合组成，并将电功率与机械能互换输入输出的机电一体化装置，即将电能转换成机械能，也可能将机械能转换成电能。实际系统可由开关磁阻电机（ＳＲＭ）、功率变换器、微控制器、电流及位置检测器等五大部分组成。
（1）开关磁阻电机（ＳＲＭ）结构特征
它是系统中实现能量转换的部件，它与传统的磁阻电动机相比，具有本质的区别。在结构上，ＳＲＭ采用双凸极形式，即定子、转子均为凸极式构造；定子线圈采用集中式而不是分布式绕组；加在定子绕组上的电压为不连续的矩形波而非连续的正弦波。转子仅由硅钢片叠压而成，既无绕组也无永磁体，定子各极上绕有集中绕组。图２为１２/８极（定子１２极、转子六极）四相ＳＲＭ剖面图。
ＳＲＭ有两种独特的运行方式：低速时采用电流斩波方式；高速时采用单脉冲角度控制方式。在电流斩波方式中，系统是通过调节相绕组电流的大小来控制转矩，因此能准确知道绕组中实际电流的大小，对电流进行反馈是很必要的；在角度位置控制方式中，系统通过调节触发角和关断角来实现对转矩的控制，此时电流己不再作为控制量，但为了防止系统过载或故障则要进行过流保护，所以系统中需要进行电流检测。
（2）ＳＲＭ技术优势
遵循“磁阻最小原理”，通电后，磁路有向磁阻最小路径变化的趋势。当转子凸极与电子凸极错位时，气隙大、磁阻大：一旦定子磁极绕组通电，就会形成对转子凸起的磁拉力，使气隙变小磁路磁阻变小。与此同时用电子开关按一定逻辑关系切换定子磁极绕组的通电相序，即可形成连续旋转的力矩。开关磁阻调速电动机的调速功能是由开关磁阻电动机转子位置检测器、功率变换器和控制器（微控制器）共同配合实现的。
（3）ＳＲＭ的调速电动机机械特性及与其它调速系统的性能比较
图３为ＳＡＭ开关磁阻电动机的机械特性，机械特性好是因启动转矩大于额定转矩的２－３倍。
表１为ＳＲＭ与其它调速系统的性能比较。从下表可看出ＳＲＭ具有效率高，低耗、节能等特点。
（4）功率变换器
功率变换器是连接电源和电动机绕组的开关部件。通过它将电源能量馈入电机，也可将电机内的磁场储能反馈回电源。其功率变换电路所用的开关部件为快速绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）。
特别指出，它与众不同的是开关磁阻调速节能电机系统很容易通过改变电动机的工作方式和控制参数实现不同的性能特点和满足特殊的性能指标，尤其当采用微控制机为控制核心时，往往只需通过修改软件，便能满足用户许多不同的性能要求。
３ 高性能开关磁阻调速节能电机系统主要特点
从以上特征可看出高性能开关磁阻调速节能电机系统有以下主要特点。
（1）高效节能
在很宽的调速范围和负载范围内，系统效率在９０％以上，功率因数在０．９以上，且空载电流小于１Ａ。
（2）低起动电流，高启动转矩
启动电流为额定运行电流的３０％时启动转矩可达额定转矩的１５０％。
（3）优越的调速性能
调速比超过１：２０；转速稳定度，转速波动＜０．１％，实测数据表明，可达０．０６％。
（4）节约材料
没有铝耗，节约铜材约１/３。
（5）生产工艺简单，可靠性高及全数字化设计，可联网远程控制。
４ 与Ｙ系列电机＋变频器在结构及可靠性的对比
４．１ 开关磁阻电机ＳＲＭ与Ｙ系列电机的对比
（1）Ｙ系列电机在转子方面：由矽钢片叠成，有鼠笼条，有铝耗，工艺相对复杂，机械强度相对低，可靠性相对低；而在定子方面：其分布绕组，耗铜相对多；其绕组承受的匝问电压峰值：１千多伏存在绝缘疲劳老化，相对寿命短。
（2）而开关磁阻电机ＳＲＭ在转子方面：由矽钢片叠成，无绕组，没有鼠笼条，因此无铝耗，工艺简单，机械强度高，可靠性高；在定子方面：集中绕组耗铜少；绕组承受的匝问电压峰值：几十伏不存在绝缘疲劳老化，寿命长。
４．２　开关磁阻电机控制器ＳＲＤ与变频器之对比
（1）变频器：变频器或无刷直流电动机主电路拓扑结构见图４所示。其主电路存在贯穿短路隐患；当某相电路出现故障时，不能产生旋转磁场，电机不能运行。
（2）控制器ＳＲＤ：开关磁阻电机系统控制器主电路拓扑结构见图5所示。其主电路不存在贯穿短路隐患；当某相电路出现故障时，各相绕组独立工作，电机可以继续工作。
４．３ 与Ｙ系列电机＋变频器在性能的比较
（1）Ｙ系列电机＋变频器在功率因数上，额定点一般约为０．８，偏离额定点后下降非常快。在启动电流上：一般为４~７倍额定电流；其调速性能：频率在３６~４５Ｈｚ之间最佳，低于３６Ｈｚ效率急剧下降；空载电流：以３０kW为例电机电流约１０~１５Ａ．
（2）开关磁阻电机（ＳＲＭ）在功率因数上：在很宽的范围内一般约在０．９５，最高可达０．９９.启动电流：３０％额定电流，可获得１５０％额定转矩；调速性能：调速比超过１：２０；转速稳定度，转速波动小于０．１％，实测数据表明，可达０．０６％；空载电流：以３０kW为例系统电流约０．５A.由以上比较可以看出，高性能开关磁阻调速节能电机系统具有独特优势，之所以有“独特优势”，是取决于它的新型结构。
５ 高性能开关磁阻调速节能电机系统在中央空调节能系统与楼宇供水系统等领域的典型应用举例
高性能开关磁阻调速节能电机系统的应用范围非常广泛，随着科技能力的不断进步，以及半导体集成控制技术水平的提高，其系统已开发了系列产品，并且在工业与建设部门和家用电器及国防军工中得到应用。仅以在中央空调节能系统与楼宇供水系统及油田等领域的应用为例说明。
５．１ 基于ＳＲ的中央空调节能系统
（1）工作原理：系统运用了计算机技术＋模糊化控制技术，控制单元和信号采集单元组成闭环控制系统，通过对冷却风机、水泵的工艺参数（温度、压力等）和设备参数（电机功率）的优化控制，使风机、水泵一直工作在满足要求条件下的最省电的运行方式。在确保用户舒适的前提下自动调节电机转数，彻底解决电能浪费问题。
（2）系统特点：采用最先进的开关磁阻电机系统，系统由温度、压力传感系统、ＰＬＣ控制系统、开关磁阻电机等和冷却泵组成闭环控制系统，将温差、压差的反馈值与设定的目标值进行比较运算，通过ＰＬＣ系统自动调节电机转速，在满足工艺要求的前提下最大化地达到节电目的。该普通异步电动机定速运行的陈旧模式，克服了目前应用较多的变频器调速范围窄、本身有电耗的局限性，节电效果一般在３０％~８０％之间。
1）基于ＳＲ的中央空调节能系统－风机系统见图6所示。
2）基于ＳＲ的中央空调节能系统冷却、冷冻泵系统见图7所示。
3）基于ＳＲ的ＣＡＭ电线现场网络系统
新一代高性能开关磁阻调速节能电机及控制系统，还开发ＣＡＮ总线接口，实现了设备的现场总线网络控制，提高了系统的自动化、信息化水平，方便用户控制，以实现更佳的控制效果，提高节能的效益。
4）当前中央空调电机（三相异步电机、三相异步电机＋变频控制、ＳＲ节能调速系统等三种）节能几种常用技术的对比分析要领。
应从比较内容、控制原理、控制方法、节能效果、自动化程度、调速范围、运行可靠性、对电网污染、电机寿命等方面进行比较。
三相异步电机：定速运行，功率因数低，效率低；不可调速、简单可靠，但启动对设备冲击大；启动冲击电流大，影响电网正常运行；存在绝缘老化分布绕组，承受的匝间峰值电压高达１千多伏），相比寿命居中。
三相异步电机＋变频控制：变频调速、单参量线性控制、变速控制，功率因数较低，节约电能２０％～５０％；自动化程度较好、调速范围窄，频率在３６~４５Ｈｚ之间最佳，低于３６Ｈｚ效率急剧下降；启动软启动，对设备无冲击。但控制电路容易发生贯穿短路现象，引起火灾；存在高次谐波，功率因数低，对电网有污染，长期接触对人体有危害；高次谐波导致电机绝缘老化（分布绕组，承受的匝间峰值电压高达１千多伏，还有高次谐波电压），电机寿命较短。
ＳＲ节能调速系统：计算机控制＋模糊化控制技术、多参量非线性控制、变速控制，功率因数高且可达０．９９，效率高，节约电能３０~８０％；自动化程度最好、调速范围宽，调速比高于１：２０，在很宽的调速范围内效率都约在９０％；启动软启动，对设备无冲击。控制电路不存在贯穿短路现象，电机结构简单，运行安全可靠；启动电流小，启动转矩大，功率因数高，对电网没有冲击和污染；电机结构简单坚固，不存在绝缘老化（集中绕组，承受的匝间峰值电压仅几十伏），电机寿命长。
５．２ 楼宇供水系统
（1）系统方案（见图8所示）
该系统的基本控制策略是采用电动机调速装置与可编程控制器（ＰＬＣ）或者工控机等构成控制系统进行优化控制水泵的调速运行，通过压力变送器检测管网压力自动调整水泵的转速，完成供水压力的闭环控制。在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
（2）系统特点
用户可以设定要求的工艺（压力、流量）参数，可选择对电机、阀门、调速装置进行控制，也可以选择全自动化优化运行方式。可以实时监测流量、压力、液位、温度等工艺参数。
６ 高性能开关磁阻调速节能电机系统在油田领域的应用举例
６．１ 基于ＳＲ的油田抽油机驱动系统组成与特点
系统组成见图9所示，其特点为：
（1）起动电流小：低启动电流，高启动转矩，启动电流为额定运行电流的３０％时启动转矩可达额定转矩的１５０％，且没有退磁问题；
（2）增产效益：开关磁阻调速系统可实现上冲程快、下冲程慢，从而使油液充满度大，增加产油量；
（3）线路及维护效益：经以上数据分析，使用该系统可以极大的减少线路及供电容量，节约投资成本，减少维护费用；
（4）调速方便：可频繁起停及正反向转换运行；
（5）操作简便：调速时不用转换皮带轮，直接调节按钮就可以调速；可节省以前换皮带轮所花的吊车费、人工费、停产费用等等；
（6）使用寿命长：开关磁阻调速系统可实现软启动和上快下慢的特性，减少了抽油杆的磨损和井况的影响，延长使用寿命，减少维修次数；
（7）防盗电：若一条母线建成直流供电，可以防止窃电现象发生，低于３６Ｈｚ效率则急剧下降。
６．２ 基于ＳＲ的油田抽油机智能化远程驱动系统组成与特点
系统组成见图10所示。
除了具备基本型的所有优点外，远程型系统还具备如下特点：
可以进行远程监视和控制；可以通过移动网络系统，实现抽油机移峰填谷控制，因此能优化用电模式，降低采油成本，解决电网供需矛盾；实现远程监视控制，不需外加设备和传感器，因此操作更简单，可靠性更高；如抽油机的冲次可以根据电机转速间接测得（传统的是通过安装传感器测量，可靠性差，寿命短）；油杆拉力可以根据电机的电流间接换算测得；流量也可以通过电机转速和电流换算测得；由于ＳＲＭ的空载电流很小，不到一个安培，因此，当皮带断后，可以根据电机电流判断得出，从而及时通知有关人员进行处理，降低损失，提高生产效率；由于远程系统将远程通讯、网络、驱动控制集成一体，因此大大节约设备成本和运行维护成本；大幅度提高了抽油机的信息化和自动化水平，更符合潮流发展方向；该系统节能降耗、提高生产效率、提高工艺控制水平，从而提高企业的核心竞争力。
７ 结束语
高性能开关磁阻调速节能电机系统除具有高效节能和低启动电流，高启动转矩的特点外，还具有转速稳定度高的特性。经实测，可以到１％以下，所以应该说省钱是企业的，而节能是人类的。