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产品系列二:SRM开关磁阻电动机

一、两类不同机理的电动机

电机可以根据转矩产生的机理粗略的分为两大类:一类是由电磁作用原理产生转矩;另一类是由磁阻变化原理产生转矩。在第一类电机中,运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。这种相互作用产生使两个磁场趋于同向的电磁转矩,这类似于两个磁铁的同极性相排斥、异极性相吸引的现象。目前大部分电机都是遵循这一原理,例如一般的直流电机和交流电机。第二类的电机,运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。当定子绕组通电时,产坐一个单相磁场,其分铀要遵循“磁阻最小原则”,即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因此,当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时,便公有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位置。即两轴线重合位置,这类似于磁铁吸引铁质物质的现象。开关磁阻电机就是属于这一类型的电机。

二、SRM工作机理

 磁阻电动机是利用磁阻最小原理,也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合,利用磁引力  拉动转子旋转。开关磁阻电机的工作机理基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原理。当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时,磁场就会产生磁拉力,形成磁阻转矩,使转子转到磁导最大的位置。当向定子各相绕组中依次通入电流时,电机转子将一步一步地沿着通电相序相反的方向转动。如果改变定子各相的通电次序,电机将改变转向。但相电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。

三、SRD传动系统的组成和优点

                    1-1  SRD传动系统的组成

SRM系列三相开关磁阻电动机作为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:

 1.  电机结构坚固、制造成本低;

 2. 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;

 3. 一般系统效率达80%以上;

 4. 启动转矩大、启动电流小;

 5. 制动性能好,能实现再生制动,节能效果显著;

 6. 调控性能好,四象限控制灵活;

 7. 无刷结构,适用于高粉尘、高速、易燃易爆等恶劣环境下运行;

 8. 应用行业广阔。

四、开关磁阻电机结构特点

  1定子和转子均为凸极结构;

 2、相对的两个极上的线圈串联或并联构成一相绕组;

 3、定子集中绕阻、绕组为单方向通电;

 4、转子上无绕组;

 5、最常见的组合为6/4极,8/6极或12/8

                     四项SR电机的工作原理图

五、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%,比之直流电动机的100%电流获得100%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电动机最高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最高转速,最高转速可达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,避免了对电网的冲击,在整个工作范围内,其起动电流小于额定电流。

6)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。

7)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。

六、与其他常用调速系统的对比

1)对于90%以上的工业应用现场,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,从功率-效率曲线可见,开关磁阻能够保持高效,解决了这一问题;

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,从速度-效率曲线可见,开关磁阻电机能够保持高效,解决了这一问题。

3)具有与变频系统相同的特点,且更有优势

⑴ 调速范围宽,电动机可以在低速下长期运行。目前油井普遍通过使用变频器实现无级调速,但是异步电动机在低速状态下存在着发热问题,电机效率降低增加耗电,易造成电机损坏,因此变频器的最佳工作状态在25Hz-40Hz之间。开关磁阻电机系统具有调速功能,油井冲次调整方便,电机转速范围可在70-1500/分钟之间运行,油井冲次选择范围在0.5-6次之间,电机不存在发热现象,效率更高。

⑵ 能够实现软启动,减少启动时对抽油机的冲击。

⑶ 启动电流小。测试开关磁阻电机系统启动电流只有10A 左右,避免了对电网的冲击,没有普通异步电机启动电流大于额定电流5-7倍的现象。

⑷ 功率因数高。不需要加装无功补偿装置,电机功率因数均在0.8以上,远高于普通异步电机0.6左右的数据。

七、在抽油机上的节能

对于油田抽油机来说,负载变化非常频繁。原油的粘度,含水量,油井的深浅,抽油杆的角度,抽油机的平衡度,都影响了负载的变化。在这种情况下,为了保证抽油机的可靠性,选择的电机相对来说较大,从而电机的平均负载较低,从而效率较低。这种情况符合开关磁阻电机节能原理的第一个因素。同样,在一些需要调速的的抽油机上,因为电机的速度变化范围非常大,符合开关磁阻电机节能原理的第二个因素。

开关磁阻电机的使用,解决异步电机“大马拉小车”问题。游梁式抽油机是一种带有冲击性的周期交变负载,启动转矩大,在一个冲次内,负载波动变化大。这种负载要求选择较大功率的电动机,以保证带载启动时能克服抽油机较大的惯性扭矩。而游梁式抽油机在运行过程中,电机又处在轻载状态,电机负载率、运行效率和功率因数都较低,这就造成了电机“大马拉小车”。开关磁阻电机系统由于启动转矩大,能够实现电机功率降功匹配,降低电机选择容量和变压器容量。由于开关磁阻电机系统电机功率与耗电无关,对于重负载的油井,可选择电机机座号更大级别的电机,以保证抽油机启动需要。

经我公司在孤东、滨南等采油厂现场测试,对比电机更换前后数据,开关磁阻电机系统平均单井日节电55kW·h,有功节电率达到22%,功率因数提高了0.22。从单井耗电对比分析看,节电率随着油井含水的降低而增加,也就是说,开关磁阻电机在低含水井、稠油油井上使用节能效果十分明显。开关磁阻电机系统节电的原理是:

⑴抽油机负载决定了电机的运行状态,电机转速随负载发生变化,也就是负载决定了耗电的多少。

⑵稠油井抽油机交变载荷变化大。特别是低渗透油藏稠油油井,油井下泵较深,造成抽油机悬点载荷大;井筒内杆柱运动时,摩阻大,杆柱上、下行时,悬点载荷变化大。

通过现场试验和使用数据说明,开关磁阻电机系统在满足生产需要的前提下,节能效果明显。可以作为抽油机节能降耗的一种很好的选择。

电励磁磁阻发电机

电励磁磁阻发电机是在开关磁阻电机的基础上发展起来的。其系统由“励磁电源+发电机本体+励磁调节控制器”组成,而无需位置传感器和功率变换器。

电励磁磁阻发电机的工作原理

当励磁绕组通有恒定的励磁电流时,其产生的磁链,经过定子轭、定子齿、气隙、转子齿、转子轭构成闭合回路而形成励磁磁场,当外加机械力使转子按某一方向旋转时,各相电枢绕组在励磁磁场的作用下所产生的磁链将随转子位置角的变化而变化,由于每相电枢绕组的磁链发生变化,就会在电枢绕组中产生出幅值和频率都变化的感应电动势,通过外接的三相不可控整流装置,将三相幅值和频率都在不断变化的交流电整流为直流,从而向负载输送出恒定的直流电压。

当负载或转速变化时,可通过“励磁调节控制器”调节励磁绕组电流的大小来维持恒定直流电压输出。如采用转速和输出电压负反馈组成的双闭环控制系统,可大大地改善发电机的动态性能和输出直流电压的稳定精度。

电励磁磁阻发电机的特点

1、电机结构和制造工艺简单、制造成本低,仅有矽钢片和绕组。无刷、直驱、无需减速箱,无功率变换器和位置传感器,可靠性高,性价比好;

2、功率密度高,转动惯量小。无永磁材料,输出电压调节方便。当负载发生变化或发生故障时,可通过调节励磁电流大小或断开励磁电流,就可方便地稳定负载和实现灭磁。

电励磁磁阻发电机的应用

1、航空器(飞机)恒频电源中的应用;

2、太阳能、风能中发电机的应用;

3、航空起动/发电机的应用;

直流开关磁阻电机

20世纪90年代以来,世界各国对改善环保的呼声日益高涨,各种各样的电动汽车脱颖而出。而电动汽车节能,能实现超低排放或零排放,有利于能源多样化,是理想的解决我国所面临的能源和环保问题的方案。现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。整体的运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控制系统

电动汽车的电机驱动系统一般由四个主要部分组成,即控制器、功率变换器、电动机及传感器。电动汽车的运行,与一般的工业应用不同,非常复杂,因此,对驱动系统的要求是很高的,一是在电池技术难以逾越的瓶颈下,如何提高电能使用效率、提高电动汽车续驶历程,提高电池寿命是电动汽车行业关注的焦点,因此选用符合电池特性的驱动电机是提高电动车辆性能的关键,即所选电机要效率高、使用电流小、启动电流小,避免电池瞬间大电流放电,电机能量回馈性能好;二是受电池的制约,电动车辆主要用于城市交通,车辆大部分时间处于启动、加速、制动的工作状态,因此电机的起动性能(起动转矩/起动电流)、加速性能、低速时的效率、制动及滑行时的能量再生能力、电机的过载能力、电机的能量密度、电机可靠性对电动车辆尤为重要,是衡量电动车辆电机的重要指标。

基于以上两点,理想的电动车辆电机必须既要符合电池充放电特性,又要符合车辆的负载特性,基本要求:

1)电动汽车用电动机应具有瞬时功率大,过载能力强,加速性能好,使用寿命长的特点。

2)电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围,包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区,要求低速运行时具有大转矩,以满足起动和爬坡的要求;在恒功率区,要求低转矩时具有高的速度,以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。

3)电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动,将能量回收并反馈回蓄电池,使得电动汽车具有最佳能量的利用率,这在内燃机汽车上是不能实现的。

4)电动汽车用电动机应在整个运行范围内,具有高的效率,以提高一次充电的续驶里程。

5)另外还要求电动汽车用电动机可靠性好,能够在较恶劣的环境下长期工作,结构简单适应大批量生产,运行时噪声低,使用维修方便,价格便宜等。

直流SRD技术特点
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,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,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电动机最高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最高转速,最高转速可达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。

开关磁阻电机具备的下列几个特性非常符合在电动车上的使用:

    1)具备低速大力矩,且启动电流较小的特向,符合电池使用特点;

    2)在宽的调速范围内,整体效率较高;

    3)在宽的输出功率范围内,整体效率较高;

4)电机不使用永磁,不存在退磁现象。

综上所述,直流开关磁阻电机是电动汽车用驱动电机的绝佳选择。其不仅可用于普通电动汽车的驱动,还可以广泛应用于各种类型的直流电力驱动场合,如电力驱动叉车等。

 

 


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