开关磁阻电机调速系统在捣固机上的应用分析

一、产品介绍

        开关磁阻电机调速系统是继直流电机调速系统、变频调速系统之后的调速电机。随着开关磁阻电机功率的不断增大，性能的不断稳定，近几年在国内很多行业，得到了非常广泛的应用，被传动领域专家称为继直流电机调速系统、变频调速系统之后的第三代调速系统。

        2005年，由中国国家、、环保总局下发的2005年第65号文件，第32项中，明确提出开关磁阻的推广使用，并对该产品做了以下客观描述：

“开关磁阻电机系统是一种机电一体化节能型调速电机系统。它由开关磁阻电机、功率变换器及控制器组成。同传统的直流及交流电机调速系统相比，具有以下优点：电机结构坚固、制造成本低；效率高，不仅在额定输出状态下，而且在宽广的调速范围内也能保持高效率运行；一般系统效率达80%以上；启动转矩大、启动电流小；制动性能好，能实现再生制动，节约电能；系统调控性能好，四象限控制灵活；具有无刷结构，适用于在高粉尘、高速、易燃易爆等恶劣环境下运行；可以在各行业应用。     

        开关磁阻电动机调速系统的出现，引起了电气传动界的一个震动，其在性能指标上达到出人意料的高水平。

       电气传动系统的传统设计方法都是利用现有的电动机，在此基础上做系统设计。设计电动机是所做的优化仅仅涉及电动机本身，而系统的优化设计是在已有电动机的条件下进行设计，只能称为局部优化设计，这种设计方法必然限制系统整体水平的提高。开关磁阻电动机调速系统是由电动机和控制器组成的一个不可分割的统一体，其电动机和控制部分均不能单独使用，也没有现成的产品供选用。因此，其设计方法只能是从系统整体性能出发，同时对系统的每一部分进行设计，而不是单独进行设计。电动机和电路部分的设计均是从系统整体性能优化的角度出发，而不是只考虑每一部分本身的优化。这种设计方法同传统的设计方法相比，是一种本质区别，属于“机械电子学"范畴，在这种思想指导下设计出的产品是典型的机电一体化产品。从这个角度出发，开关磁阻电动机调速系统的性能指标高于其他传动系统，也就不难理解了。

        因为如此，很多电气行业的专家把开关磁阻调速系统的出现称为电气传动系统发展过程中的一个里程碑，并认为他将作为传统调速系统的有力竞争对手，出现在各个领域。

二、产品技术特点

1、开关磁阻电机与其他电机的性能比较

2、开关磁阻电机性能特点

（1）效率高，节能效果好。在所有的调速和功率范围内，SRD效率都可达到85%以上，整体效率比交流异步电动机变频调速系统（简称变频调速）至少高10%以上，在低速工作的状态下其效率能够提高20~30%以上。与直流调速、串级调速、电磁调速等系统相比，SRD节电效果更明显。 

（2）起动转矩大，特别适合于那些需要重载起动和负载变化明显并且频繁的场合。SRD控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧可得到较大的起动转矩，起动转矩达额定转矩的150%时（车用300%）、起动电流仅为额定电流的30%，比之直流流电动机的99%电流获得99%的转矩的性能，优势非常明显。

（3）调速范围广。SR电动机可以在低速下长期运行。由于效率高，在低速下的温升程度比额定工况时还要低。此外，SR电动机转速不会像交流电动机那样受极数的限制，可以根据实际需要灵活地设定转速，转速可达10000rpm。

（4）可频繁正、反转，频繁起动、停止，电动车等应用场合。

（5）起动电流小，避免了对蓄电池的冲击，在整个工作范围内，其起动电流小于额定电流。

（7）电机结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低。工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境，不存在直流永磁电机的退磁现象。

（8）由于控制器中功率变换器与电机绕组串联，不会出现变频调速系统功率变换器可能出现的直通故障，可靠性大为提高。

3、开关磁阻电机特性曲线

下面是开关磁阻电机与传统调速电机的效率比较曲线。

 说明：

1，对于大部分工业应用现场，为了提高设备的整体可靠性，或为了增加电机启动扭矩，所选配的电机额定功率总是大于实际所需功率，大部分电机长时间工作在输出功率的80%，70%，60% ，40%，30%甚至更低，故效率偏低，从上图的功率-效率曲线可见，开关磁阻电机不论在低功率还是高功率，都能够保持较高的效率，所以，对于那些负载变化频繁，平均负载率低的场合，能实现比较理想的节能效果；

2，在很多需要调速的工业现场，速度越低，传统电机效率越低，从上图的速度-效率曲线可见，开关磁阻电机不论在低速还是高速，都能够保持较高的效率，所以，对于那些速度变化频繁，平均速度低的场合，能实现比较理想的节能效果。

三、在捣固机上的应用分析

捣固机是焦化行业最重要的生产设备，传统的捣固机利用电动机，带动减速机构，根据凸轮的机械特性，不断的夹放锤柄做往复运动。最终把煤饼捣固成型。我们项目组根据传统捣固机存在的缺陷，设计更换为开关磁阻电机，根据工艺要求，提供了一套控制精确，运行稳定，使用寿命长的开关磁阻电机及控制系统。具体完成功能如下：

1、 电机所带负荷为捣固锤锤杆的重量,480kg,行程0.5m。

2、 从“初始状态"到“开始工作"为一种控制方式，工艺上称放锤。煤箱里面的煤很少，整个捣固锤向下行走的行程。

3、 “工作中"捣固锤做往复运动，为第二种控制方式，上升（通电）时间250ms，上端停顿时间80ms，下降时间280ms，下端停顿时间90ms，以上时间均为可调，一个捣固周期时间为700ms。在下降的过程中开关磁阻电机可以瞬间给捣固锤一个合适的下加力，随着不断的往煤箱加煤，煤饼高度逐渐升高。

4、 当煤饼高度达到工艺要求，即“工作完成"。捣固锤要恢复到“初始状态"，工艺上称为收锤。为第三种控制方式，一个工作周期完成。

5、 捣固锤的所有动作均为开关磁阻电机实现，根据工艺要求自行配备能够达到要求的元器件。

6、 电机设定过流、过压、断电恢复拒动、执行元器件失控保护、工作过程中突发情况保护，可以手动收放捣固锤等一切可以做到的保护措施。

7、 每捣固一个煤饼约为6分钟，停止9分钟，焦化厂每天的产量 >150炉。

8、 开关磁阻电机可以频繁起停、频繁正反转（达到1000次/小时），启动电流仅为额定电流的30%，启动平缓不会冲击电网。

四、在捣固机上的电机节能应用分析

1） 捣固机电机工作特点是负荷变化较大，在上升工作时，处于带负载工作，在下行返回时，属于空载状态，按上述工作状态分析，负载变化较大，平均负荷率较低，所以，捣固机电机从整体工作状况来说，处于低负荷工作状态，故效率偏低，存在较大的节能空间。从上面的负载-效率曲线可以看出，采用开关磁阻电机，可以实现较大幅度的节能,节能25%以上；

2） 其二，开关磁阻电机属于调速电机，可以满足不同的起重要求，在需要调速的场合，对速度进行调整，故平均速度低于额定转速，与不调速电机相比，可以直接明显降低能耗；与调速电机相比，因为开关磁阻电机在较宽调速范围内效率较高，从上面的速度—效率曲线可以看出，也存在较大的节能空间，实现理想的节能。