2022年2022年开关磁阻电机研究的背景及意义 .pdf
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1、开关磁阻电机研究的背景及意义一、项目目的与意义开关磁阻电机设计及其在矿山机械中的应用研究项目属于国家中长期科学和技术名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页,共 8 页 -发展规划纲要(2006-2020)中工业节能(机电产品节能)、基础件和通用部件的重点支持领域,同时符合湖南省加快培育和发展战略性新兴产业总体规划纲要高效节能制造产业中节能电机重点发展领域。开关磁阻电动机(SRD)调速系统是基于计算机和电力电子技术的控制器及开关磁阻电动机的新型调速系统,由开关磁阻电动机与微机智能控制器两个部分组成。开关磁阻电动机调速系统的突出特点是效率高、节能效果好、调速范围广、无启动冲击电流
2、、启动转矩大、控制灵活,此外还具有结构简单、坚固可靠、成本低等优点。除可以取代已有的电气传动调速系统(如直流调速系统、变频调速系统)外,开关磁阻电动机调速系统还十分适用于矿山井下机电设备需要重载启动、频繁启动、正反转、长期低速运行的应用场合,如无极绳牵引车、电牵引采煤机、刮板输送机等。据有关资料统计,我国煤矿辅助运输职员约占井下职工总数的1/3,且矿井每采百万吨煤需要 1200 1500 名职工从事辅助运输,用工量是发达国家的7 10 倍。其主要原因就是我国煤矿辅助运输系统落后,效率太低,大多数煤矿的辅助运输系统仍然是小绞车、小蓄电池机车等多段分散落后的传统方式,严重影响矿井生产效率和煤矿安全
3、生产。随着当前大中型矿井的建设,矿井辅助运输设计与选型是矿井建设的重要课题之一,提高矿井辅助运输的装备水平对确保矿井生产产量进步具有极其深远的意义。目前,我国矿用机械交流电动机采用较多的调速方式主要有交流变频调速和开关磁阻电动机调速。交流变频技术硬件成本较高、控制电路复杂且不宜进行维护和维修,特别是国内的公司现在还未能很好地掌握变频器核心技术,产品基本上依靠国外进口,不能针对矿井特殊的应用条件将变频器加以改进和设计,较难适应矿用要求。开关磁阻电动机调速系统作为后起之秀,具有伺服系统的高性能和普通调速系统的价格,性价比非常高,这是交流变频调速系统根本无法比拟的,SRD 和变频调速的综合效率比较如
4、下表:表 1 SRD 和变频调速的综合效率比较转速/rmin-1调速类型不同转矩负载率下的效率30%60%100%300SRD变频调速66.3%52.2%68.8%60.6%76.3%71.9%600SRD变频调速83.6%75.0%86.1%83.1%86.7%82.4%1000SRD变频调速83.4%77.0%87.5%86.0%90.0%85.9%1500SRD变频调速85.6%75.0%89.7%85.9%89.0%87.3%名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页,共 8 页 -开关磁阻电机调速系统作为我国节能电机领域中重点推广的发展技术,还关系着我国民族产业的兴旺发
5、展。SRD 能在很宽的调速范围内保持高效率,是典型高效节能产品,开关磁阻电机调速系统的应用前景广阔而且节能潜力巨大。在国家“十二五”科学和技术发展规划中,新能源产业技术成为近五年科技部重点扶持的领域,而开关磁阻电机作为新能源产业发展中关键能量转换部件,其可靠性和高效行已经在新能源电动汽车、油田抽油机等领域中得到验证。如果将开关磁阻电机调速系统应用在矿山机械中,可以使系统结构布局简单、紧凑,系统效率和可靠性大大提高,同时降低污染排放。因此,“十二五”规划对新能源行业的大力推进,是对开关磁阻电机行业的极大利好,将大大促进开关磁阻电机行业的发展和应用。然而,开展开关磁阻电机设计及其在矿山机械中的应用
6、研究,可以实现矿山机械设备向数字化、精细化、智能化的重大突破,促进矿山机械向绿色、环保、节能方向进行结构调整,从而提升矿山机械行业整体技术水平和核心竞争力,实现矿山机械的跨越式发展。同时,“十二五”规划中还提出了节能减排的任务。我国电机用电量占总用电量的比重可达 50%,占工业用电量的比重接近70%。因此,使用高效节能电机可作为节能的突破口。高电机效率,降低电机能源消耗,研发推广应用高效、超高效电动机,具有其十分重要的国家能源战略意义和现实的社会效益。而在众多电机中,开关磁阻电机是其中的佼佼者,开关磁阻电机的一个很重要的特点就是效率高、能耗小,十分符合国家规划的要求。因此加快推广应用高效的开关
7、磁阻电机,对于完成“十二五”节能减排任务,促进产业结构调整升级意义重大。为此,本项目“开关磁阻电机设计及其在矿山机械中的应用研究”目的和意义为:(1)通过开关磁阻电机设计的研究,实现高效节能电机产业数字化、精细化、智能化的重大突破,促进电机行业向绿色、环保、节能方向进行结构调整,从而形成我国开关磁阻电机调速系统战略性新兴产业,加快SRD 产业化的进程。(2)通过开关磁阻电机在矿山机械中的应用研究,提升我国矿山机械行业整体技术水平和核心竞争力。该项目技术的采用将提高我国矿山输送机关键技术的自主创新和生产能力,提高输送机的综合性能、可靠性和生产效率。(3)通过开关磁阻电机设计并结合及其在矿山机械中
8、的应用研究,响应及支持党和国家对于完成“十二五”节能减排任务,推进产业结构调整和优化升级,实现我国工业跨越式发展,使我国由工业大国向工业强国转变。二、国内外研究现状及技术发展趋势近年来,开关磁阻电机调速系统的应用领域已经从最初侧重于牵引运输发展到通用名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页,共 8 页 -工业、航空工业和家用电器等各个领域。目前,开关磁阻电机驱动系统的开发范围为:转矩 0.01Nm106 Nm,功率 l0W5MW,转速上限可达到100000r/min。开关磁阻电机的规格也从多相发展到单相、两相,电机的机型从旋转型发展到直线型。(1)国外研究现状SR电机的基本概念
9、可追溯到19 世纪 40 年代,1842年,英国的 Aberdeen和Dafidson 用两个 U 型电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动机。但因电路断开时没有释放能量的续流二极管电路,以及采用机械开关控制电磁铁的轮流通电,电动机的性能(效率、功率因数和利用系数等)不高。在此后100 多年内,SR电机都没有得到重视和发展。20 世纪 60 年代,大功率晶闸管的出现为SR电机的研究发展提供了重要的物质条件。1967年,英国的 Leeds大学开始对 SR电机进行深入研究;到1970 年左右,研究结果表明:SR电机可在单向电流下四象限运行,功率变换器无论用晶体管还是用普通晶闸管,所需的开关数都是最少的
10、;电动机成本也明显低于同容量的感应电动机。20世纪 70 年代初,美国福特公司研制出最早的开关磁阻电动机调速系统,其结构为轴向气隙电动机,具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力,适合于蓄电池供电的电动车辆的传动。1975 年,英国 Leeds大学和 Nottingham 大学的研究小组联合研制了用于电动汽车的 50kW 的 SR电机装置,其单位输出功率和效率都高于同类的感应电动机驱动装置。1980年,Leeds大学的 Lawrenson教授及其同事总结了自己的研究成果,发表了题为“Variable-Speed Switched Reluctance Motors(变速开关型磁阻电动机)
11、”的论文,系统阐述了SR电机的基本原理与设计特点,并得出新型磁阻电机的单位出力可以与交流感应电机相媲美甚至还略占优势的结论。这标志着SR电机得到国际社会的承认。1983年英国 TASC 公司推出了 Oulton 系列通用 SRD 调速产品,问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视。目前,SRD 在国外已取得很大的发展,其产品已在电动车驱动、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动等众多领域得到应用。SRD系统兼有直流和普通交流传动的优点,在各种需要调速和高效率的场合,均能提供所需的性能要求。国外一些成功的应用领域如下:电动车。SRD系统可靠性高、效率高、起动转矩大、起动电流小,首先在电动车驱动领域
12、得到应用,被认为是电动车驱动的最佳选择之一。SRD Ltd.公司研制的 30kW SRD用于驱动市内有轨电车,电车在包括重盐大气环境在内的各种恶劣条件下运行了两年,行程超过 24000km,体现了优良的工作性能,被认为是在同类电动车辆中操纵最方便、噪声最低的车辆。英国JeffreyDiamond的刨煤电动车,滚齿刨煤机重达1030t,且要求整个传动和传输系统能精确控制和经久耐用。过去采用传统的传动系统,经常发生故障,改用 SRD系统后得到根本改善。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页,共 8 页 -航空工业。19861988年,美国 GE公司根据国防部“未来先进控制技术规划
13、”及美国空军 USAF资助,从电源系统的可靠性、可维护性、余度性、容错性、环境适应性及容量、效率、功率密度等方面论证了SR电动机、SR发电机所独有的优越性。1989年,GE公司研制了发电功率 30kW并用于起动 1700hp、4800r/min飞机发动机的 SR起动/发电机系统,其指标为 09000r/min 恒转矩 13Nm起动,900026000r/min 恒功率 12.5kW加速起动,2600048000r/min 恒电压 270VDC、30kW发电;同年,美国空军 USAF与GE公司、Sundstrand 公司签订 19901995年合同;针对现役 F-16战斗机,研制“高可靠性、内装
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