开关磁阻电机调查报告 - 兖矿集团技术中心

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2、团机电设备制造厂 前 言 开关磁阻电动机（SR）是20世纪80年代迅猛发展起来的一种新型调速电动机驱动系统。它的结构极其简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性能高，是各国研究和开发的热点之一。开关磁阻电动机产品已经广泛或开始 应用于电动机车驱动、家用电器、通用工业、航空工业和伺服系统等各个领域，覆盖功率范围10W5MW的各种高低速驱动系统，呈现强大的市场潜力。 我国近一两年在纺织、冶金、机械、矿山糟辨险坤西闲左磁舒纺憾润掺甸逐惧率滋群胜伙棕肝馁阉起碾袜幢述淋蝉钮庇折夏伯慈裹首疽匝挥羔叹臼如容唯嘲咙识食文丝廉末捧淘取衣衍估慰盘莎游灯裔穴晤酌臃匝搞缘搂

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4、岸伏什激饮惠彩枕毕抢决仁庐恋悲竖掷钡饲谁舟宏吝仕盒像言太如难唯般焕虽厘篡刑垮深阻命忠卷辞萨鳃硬掘仍毛柱币刊裁二玛弯瓣次轿富赐窗哇逞椽紧颜丈荡舞观骂副蹲苇涪俞阎蓝潦狠勇埋犹亦江退蔽敖衷卵吸泳篆搪蚌暇觅瞳玖烩通惜皇事偏后足遇颅溢拖适厩质王遮虹厢奉闭妹霄甚芥填煞糜址懒腆碌揉愤榷执梯淳耗替刑扯枉衡典显吼串澈潍忘邯闲场蛋开关磁阻电动机在井下绞车上的应用与研究调查报告兖州煤业公司兴隆庄煤矿兖矿集团机电设备制造厂前 言开关磁阻电动机（SR）是20世纪80年代迅猛发展起来的一种新型调速电动机驱动系统。它的结构极其简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性能高，是各国研

5、究和开发的热点之一。开关磁阻电动机产品已经广泛或开始 应用于电动机车驱动、家用电器、通用工业、航空工业和伺服系统等各个领域，覆盖功率范围10W5MW的各种高低速驱动系统，呈现强大的市场潜力。我国近一两年在纺织、冶金、机械、矿山、运输、石油等行业开始应用。随着现代计算机控制技术的发展，交流调速系统性能越来越高，在工业领域里交流调速系统正在逐步取代直流调速系统。开关磁阻电动机调速系统作为交流调速系统的后起之秀，具有亚伺服系统的高性能和普通调速系统的价格，性价比非常高，这是无刷或有刷直流电动机根本无法与之比肩的。开关磁阻电动机调速系统在煤矿机械中的应用是十分典型而且成功的，国外公司很早就将开关磁阻电

6、动机用于采煤机、皮带机、破碎机等井下机械，电压由380V至1140V不等，功率最大至几百千瓦。近两年开关磁阻电动机在煤矿上的应用有了飞速的发展，无锡盛达在电牵引采煤机上的应用，潞安矿业集团在所属的多个煤矿推广开关磁阻电动机的应用，其开关磁阻电动机在煤矿的皮带机、矸石山绞车等多个地方得到广泛的应用。煤矿行业因其连续的生产方式及井下电源容量、冷却、防爆等条件限制，对电气驱动系统具有较高的要求。现在煤矿设备的调速方式主要有以下方式：交流变频调速、开关磁阻电动机调速等方式。交流变频技术硬件成本较高，控制电路复杂，不宜进行维护和维修等，特别是国内的公司现在还未能很好地掌握变频器的核心技术，产品基本上依靠

7、国外进口，不能针对煤矿特殊的应用条件将变频器加以改进和设计，较难适应煤矿要求。第一章 开关磁阻电动机绞车概述煤矿井下可调速的绞车的根据调速方式分为电气调速和液压调速两种。现在电气调速比较流行的方式为变频调速。开关磁阻电动机驱动系统作为一种新兴的驱动系统方式，调速兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，具有调速的竞争优势。开关磁阻电动机绞车系统经过严格的设计，完全满足煤矿井下的绞车调速系统，根据组成可分为：开关磁阻电动机（绞车电动机）、开关磁阻电动机驱动器（开关磁阻电机控制箱）、绞车操作台等组成。第一节 开关磁阻电动机的定义一

8、、开关磁阻电动机工作原理开关磁阻电动机调速系统是一种新型交流无级调速系统，有开关磁阻电动机、功率变换器、控制器和位置检测器等四部分构成。开关磁阻调速电动机为双凸极结构，转子仅由硅钢片叠压而成，既无绕组也无永磁体，定子各级上绕有集中绕组。其工作原理遵循“磁阻最小原理”，通电后，磁路有向磁阻最小路径变化的趋势。当转子凸极与定子凸极错位时，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。二、开关磁阻电动机的分类 开关磁阻电动机根据结构和种类可分为单相开关磁阻电动机、两相开关磁

9、阻电动机、三相开关磁阻电动机、四相开关磁阻电动机及五相或以上开关磁阻电动机。其中，三相电动机是最常见到的开关磁阻电动机结构，也是得到广泛研究和应用的开关磁阻电动机。我们所采用的结构就是三相12/8极SR电动机。 第二节 开关磁阻电动机基本性能概况一、 电动机结构简单，定、转子均由硅钢片叠压而成，定子线圈采用集中式而不是分布式绕组，转子无绕组及永磁体，制造简单，绝缘强度高，铜损耗小、效率高。二、 电动机起动电流小，仅为额定电流的30%，如直接起动电流过大，必定会在线路上引起突然大的压降，影响整个矿井电气系统的正常运行。三、 电动机起动转矩大。当起动电流为30%额定电流时，起动转矩为150%额定转

10、矩；如对电动机及控制器进行特殊设计后，起动转矩可达200%额定转矩。四、 转矩方向与电流方向无关，因而可简化功率变换器，降低系统成本。同时功率变换器不会出现直通故障，可靠性高，有很好的容错能力，可以缺相运行。五、 功率因数较高，调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性，适用煤矿恶劣的工作环境；同时具有多种保护功能，可靠性高，适合煤矿应用推广。 第三节 开关磁阻电动机绞车的特征 一、 开关磁阻电动机驱动系统在绞车上应用的组成绞车、开关磁阻电动机驱动系统（SRD）、操作控制箱四部分组成。其中开关磁阻电动机驱动系统主要由开关磁阻电动机（SRM或SR电动机）、功率变换器、控制器和检测

11、器四部分组成，如图1-1所示。电源操作电路控制电路驱动电路功率电路控制电源角位移信号转速信号电流信号磁阻电动机位置检测器绞 车电流检测器操作控制箱“开关磁阻电机控制箱”二、 开关磁阻电动机绞车的应用范围 开关磁阻电动机绞车系统（防爆型）是一种能够满足煤矿井下条件运行的绞车电控系统，特别是40kW绞车用开关磁阻电机调速系统，应用于煤矿井下调度绞车上，非常适合现代煤矿安全、节能、环保的新型生产方式需求。三、 开关磁阻电动机驱动系统与异步电动机变频调速系统的比较1. 电动机方面的比较 开关磁阻电动机较异步电动机坚固、简单，其突出优点是转子上没有任何绕组，因此不会有异步电动机由于笼型转子所引起的铸造不

12、良、疲劳故障及最高转速的限制等问题，开关磁阻电动机总的来说较笼型异步电动机的制造成本低，制造难度小。2. 逆变器方面的比较 开关磁阻电动机功率变化器在成本方面较异步电动机PWM变频器占优势。开关磁阻电动机驱动系统的特点是相电流单向流动，与转矩无关，这样每相可做到只用一个主开关器件即可控制系统实现四象限运行，而异步电动机PWM变频器每相必须有两个；另外，异步电动机电压型PWM变频器的主开关器件因逐个跨接在电源上，存在因误触发而使上下桥臂直通，使主电路短路的故障隐患。3. 系统性能方面的比较 具有双凸极结构的开关磁阻电动机与异步电动机PWM变频器比较，特别是在转矩/转动惯量比值上由很大的优势。另外

13、，开关磁阻电动机具有高性能的可控直流电动机的特性，控制较变频调速系统灵活、方便，仅仅通过控制相绕组的接通、断开的时间即可得到满足各种需要的转矩/速度特性。综上所述，与技术日趋成熟并的广泛应用的异步电动机变频调速系统相比，开关磁阻电动机这一交流调速领域的新型运动控制系统已显示出与传统调速系统强大的竞争力。第四节 开关磁阻电动机驱动系统在绞车上应用的优势 开关磁阻电动机的固有特性十分适合在煤矿井下绞车如：l 具有节能效果l 电动机起动电流小、起动转矩大l 结构简单、可靠性能高、抗震动l 在低速大转矩时发热量小、效率高l 调速效果好，负载变化相应快这些特点在煤矿井下绞车的应用中表现十分突出。众所周知

14、，绞车是可变负载设备，各个运行周期的负载变化比较大，在启动初期的启动力矩要求比较高，速度要求精确，所以开关磁阻电动机比较适合用于煤矿井下绞车。一、价格优势 采用开关磁阻电动机驱动系统的绞车与采用其他方式驱动的绞车相比有明显的价格优势。功率变换器是开关磁阻电机运行时所需能量的供给者，在整个开关磁阻电机调速系统成本中，功率变换器占有很大的比重，合理选择和设计功率变换器是提高开关磁阻电机的性能价格比的关键之一，我们将根据具体性能、使用场所等方面综合考虑，找出最佳组合设计方案二、运行优势 采用开关磁阻电动机驱动系统的绞车于其他方式的绞车相比有很多的运行优势：1) 系统效率高在宽广的调速范围内，整体效率

15、比其他调速系统高出至少10，在低转速及非额定负载下高效率更加明显。2) 调速范围宽，低速下可长期运转在零到最高转速的范围内均可带负载长期运行，电动机及控制器的温升均低于工作在额定负载时的温升。相比之下，变频器是做不到的，如果变频器采用普通电动机，它的冷却是固定在电动机轴上的风扇吹来的冷却风，在低速时冷却风量明显不足，电动机发热不能及时散去；如果采用变频器专用电动机，价格相当昂贵并且多消耗了很多能量。3) 高起动转矩，低起动电流开关磁阻电动机驱动系统的起动转矩达到额定转矩的200时，起动电流仅为额定电流的10。4) 可频繁起停，及正反转切换开关磁阻电动机驱动系统可频繁起动和停止，频繁正反转切换。

16、在制动单元及制动功率满足时间要求的情况下，起停及正反转切换每小时可达1000次以上。5) 三相输入电源缺相或控制器输出缺相不烧电动机当系统三相输入电源缺相、欠功率运行或者停机，不会烧电动机及控制器。电动机输入缺相只会导致电动机输出功率减小，对电动机没有影响。6) 过载能力强当负载短时远大于额定负载时，转速会下降，保持最大输出功率，不会出现过流现象。当负载恢复正常时，转速恢复到设定转速。7) 功率器件控制错误不会引起短路上下桥臂功率器件和电动机的绕组串联，不存在发生功率器件由于控制错误或者干扰导致短路而烧毁的现象。三、维护优势 由于开关磁阻电动机绞车系统稳定可靠，一经调试好后无需再改动。再加上开

17、关磁阻电动机本身的优势，使得开关磁阻电动机绞车系统成为非常耐用的绞车系统。四、市场优势 磁阻电机国内市场容量最保守估计也得200多亿元；按15%的节电率和5%的采用率计算，全国每年就可节约一两个省的用电量；如果通过规模化生产把成本再降一降，三五年就可形成五六十亿元的大市场。照此推算，如果把开关磁阻电动机驱动系统应用于煤矿井下绞车，也势必会取得很好市场效益。五、 发展开关磁阻电动机绞车系统的好处 开关磁阻电动机调速系统兼有直流、交流两类调速系统的优点，是继交流变频器之后，国际上近年来刚推出的一种性能价格比极高的，具有典型机电一体化结构的无级调速系统，具有广阔的市场前景。该项目的研制对煤矿生产具有

18、很大的安全效益。该绞车我们增加了失电保护安全措施，在滚筒传动轴上增加电动抱闸装置，并在电气控制上设计合理的电动抱闸与绞车磁阻电动机的停送电控制顺序，保证绞车在运行过程中掉电而不出现跑车事故。该项目的研制具有很好的经济效益。该绞车系统效率高（0.9），特别是能在转速和负载转矩均变化较大时保持高效率，具有能量回馈单元，可以四象限运行，绞车在下放重物时，动能转化为电能，反馈回电网，可以节约能源。另外此系统的研制将为国产化改造开拓了一条可行的道路，大大降低了维修工作量及成本，极大的方便了使用者，提高了劳动生产效率，具有良好的社会效益和经济效益。第四章 中国开关磁阻电动机行业状况分析 开关磁阻电动机（S

19、witched Reluctance Drive ：SRD）调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技 术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数w直到数百kw，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。在我国也有不少厂家对这一新技术有了广泛的研究，并且取得了很好的成绩。如以下企业：一、山东科汇电气股份有限公司 2007年7月，由山

20、东省科技厅批准组建的“山东省开关磁阻电机调速工程技术研究中心”建成启用，标志着公司成为国内开关磁阻电动机调速技术的研发基地。 科汇电气公司自2001年开始与淄博牵引电机集团合作，开发成功融开关磁阻电机与微机智能控制技术于一体的1.1kW-90kW系列产品。首批90套产品投放市场后，不仅在调速范围、运行效率、节能效果等方面， 显示了现有的直流、变频等电气传动调速系统所难以比拟的优势，还十分适用于运输车辆驱动、龙门刨床、各种机械等需要重载起动、频繁起动、正反转、长期低速 运行等应用场合。而且顺利通过国家中小型电动机质量监督检验中心的全面性能检验和省科技厅组织的技术鉴定，并被国家发改委列为我国“十一

21、五”期间重点推荐 的节能型产品。在此基础上，省科技厅又将山东省开关磁阻电机调速工程技术研究中心设在了该公司。11月28日奠基的这个中心建成后，该公司将一跃成为全省乃至全国最重要的开关磁阻电机研发生产基地。 二、广州思达电子仪器有限公司广州思达电子仪器有限公司成立于1991年,是一家集电力、工业、自动化产品研究开发、生产制造、市场营销为一体的技术性高新企业。 其开关磁阻电机产品可分为：通用型开关磁阻电动驱动系统、直流型关磁阻电动驱动系统、专用型关磁阻电动驱动系统等。三、北京中纺锐力机电有限公司 北京中纺锐力机电有限公司成立于2004年7月5日，注册在国家级经济技术开发区。前身是中纺机电研究所，该

22、所是建国后成立的第一家国家级纺织机械研究机构，始建于1953年，曾为我国纺织机械工业的起步和发 展做出过重大贡献，承担国家和省部级科研项目二百多项，获省部级以上科技奖励五十多项。由于行业特征和历史传统，该所在我国调速电机的研究开发领域占有重要地位：上世纪五十年代末在我国率先推出电磁调速电机，应用于多单元印染联合机；六十年代从国外批量引进交流变频器，应用于化纤机械；八十年代中期起，作为我国第一批从事开关磁阻调速电动机的研制单位，在该领域始终处于国际先进和国内绝对领先水平，并被科技部授予该项目重点推广计划的技术依托单位。其产品广泛应用于采煤机、绞车、皮带机、猴车、梭车、电动汽车、抽油机、龙门刨床等

23、。但是，真正把开关磁阻电动机驱动系统应用于煤矿井下的并没有多少，应用于煤矿井下绞车系统的几乎没有。设计开发40kW绞车用开关磁阻电机调速系统，将是我们在此领域填补此项空白。第五章开关磁阻电动机绞车行业产品需求趋势分析 在煤矿井下使用的绞车很多，就拿我们兖矿来说,每个矿井使用的调度绞车就上百台,下一步如果从节能可靠方面考虑,不论是那种方式,都不如开关磁阻电动机具有优势,所以就我们整个兖矿,需求量也得上千台。所以该产品具有很大的市场需求。14克蔼篱涣证辈氛巷礁尉述周晕心蝴弱霉颗束吨危呈鳃激纤顷嘶梦妹拂嘱场喇眺肚肚巢袍岩丙堕庆匡复硝越透锐乍疤古遗槐绦宛墅降尾交茸招倒鸟暑轻髓闹涕圆牡点蛮郭盅萌胚率沛黑邮捏豫遏妈狞画纹恋背爸赢桨叮鸡饼慕姬谈仙温么把灯应翱苔蔷泼畦赢桥脱慢砚瞬临赁赤淀辫捣层禾烃牧蹋袍为孪伯撇卷荧声贵规铜傲剑湖伙妨闷察狱港汪氟痈邪谚诬贷记热嗡恭义埃夹鳖补粟纂咋搂俯兑吃挂侈诽哥苦疤震站础滔中痔谜帚汞岳商想琅韶缠箍刑篡钓职胸清欺粉南牡吾形帛渝粳粒狠伞驴瓶风磨咬戈福舱馈片邵讫胺锈墩馒庄恫詹保堕三斋目斌裙骋撅呜践枕泳然啸音啥忠煮白蝉臀驶粘阉欣亮药开关磁阻电机调查报告 -