蒲鶴，王振中，修德欣，丁莉麗

(中國石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，山東青島 266071)

基于BLDC技術(shù)自吸泵節(jié)能電動機的研制與應(yīng)用

蒲鶴，王振中，修德欣，丁莉麗

(中國石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，山東青島 266071)

針對加油站自吸泵交流異步電動機僅存在啟動和關(guān)停兩種狀態(tài)，無法實現(xiàn)變頻控制，故障率高、調(diào)速范圍小、效率較低等問題，研發(fā)了自吸泵永磁無刷直流電動機?，F(xiàn)場應(yīng)用表明： 永磁無刷直流電動機可以實現(xiàn)操作人員提槍時電動機低速運轉(zhuǎn)，正常加油作業(yè)時高速運轉(zhuǎn)，啟動轉(zhuǎn)矩、運行效率、泵體溫升、使用壽命等性能特性均優(yōu)于傳統(tǒng)交流異步電動機。在加油站同等操作條件下，永磁無刷直流電動機與傳統(tǒng)交流異步電動機相比節(jié)約電能大于30%。

永磁無刷直流電動機 交流異步電動機 變頻 節(jié)能 效率

隨著國內(nèi)機動車數(shù)量的逐年迅速增加，作為油品銷售終端的加油站數(shù)量也在不斷增多，中國目前有九萬余座加油站，加油站能耗問題日益顯著。加油站站內(nèi)的電能消耗主要來自于泵類，在精細(xì)化經(jīng)營和節(jié)能增效的大背景下，自吸泵作為加油站普遍使用的設(shè)備，其能耗不容忽視[1]。

目前，在自吸泵加油機上使用的電動機大部分為普通防爆的三相異步電動機，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的特點，但電磁能、熱能和機械能損耗較高，運行效率較低[2]。此外，傳統(tǒng)交流異步電動機為工頻電動機，由于加油槍都具有無壓自封功能，因而提槍時自吸泵電動機即開始全速運轉(zhuǎn)，在實際加油過程中，加油槍高速出油時間只占加油機啟動時間的60%左右，加油槍出油前電動機全速運行浪費了大量電能，增加了電費成本。同時交流異步電動機的應(yīng)用表現(xiàn)出電動機燒壞頻繁、維護費用高、管理難度大等缺點，影響了加油站正常運營[3-4]。

為保障加油站自吸泵安全平穩(wěn)運行，降低站內(nèi)綜合運行成本，滿足加油站復(fù)雜工況的需求，中國石化青島安全工程研究院研發(fā)了加油站自吸泵配套的永磁無刷直流電動機，并在青島某加油站進行安裝實驗，取得了較好的節(jié)能效果。

1 技術(shù)分析

1.1 控制板設(shè)計

自吸泵永磁無刷直流電動機由定子組件、轉(zhuǎn)子組件、轉(zhuǎn)軸、前蓋、后蓋等部分組成，控制板的功能模塊主要包括： 電源模塊、ARM控制處理模塊、永磁電動機驅(qū)動模塊、霍爾信號處理模塊、主板控制信號處理模塊、過流過壓檢測模塊、通信模塊等。

電源模塊利用TVS、壓敏電阻、保險絲實現(xiàn)限壓限流、抗電涌、防雷擊；利用X電容、Y電容、共模電感實現(xiàn)濾除差模共模干擾；利用大功率整流橋和高壓高容量電解電容實現(xiàn)整流濾波；利用開關(guān)電源和LDO電路轉(zhuǎn)換出需要的4路控制電壓。ARM控制處理模塊負(fù)責(zé)處理輸入信號和控制輸出信號。永磁電動機驅(qū)動模塊利用IGBT驅(qū)動芯片驅(qū)動6個橋臂，實現(xiàn)PWM轉(zhuǎn)速信號與三相全橋控制信號的驅(qū)動?；魻栃盘柼幚砟K對永磁電動機霍爾信號進行處理后反饋給ARM模塊，ARM模塊通過相關(guān)計算后對控制信號予以修正，實現(xiàn)閉環(huán)控制。主板控制信號處理模塊對輸入信號進行光耦隔離，經(jīng)整波后輸入到ARM模塊進行處理。過流過壓檢測模塊利用電流傳感器實時監(jiān)測電動機電流信號，通過高速光耦反饋給ARM模塊并及時獲取工作電流參數(shù)；同時利用采樣電阻對電流實時采樣，通過運放和比較器實現(xiàn)過流硬件保護。通信模塊目前預(yù)留，根據(jù)外圍具體的通信方式選擇對應(yīng)的通信電路?？刂瓢甯髂K分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制板各模塊分層結(jié)構(gòu)示意

1.2 工作原理

自吸泵永磁無刷直流電動機的處理單元通過電平信號識別當(dāng)前加油機是否處于工作狀態(tài)，在接收到電平信號后通過驅(qū)動電路控制永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速，并通過轉(zhuǎn)子軸上安裝的霍爾傳感器對直流無刷電動機的轉(zhuǎn)速進行監(jiān)測，形成閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機在正常加油作業(yè)時處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，提槍未加油時處于低速運轉(zhuǎn)狀態(tài)[5]。該過程包含如下步驟：

1) 系統(tǒng)啟動。

2) 永磁無刷直流電動機低速轉(zhuǎn)動。

3) 電平信號將加油槍的動作信號傳遞至處理單元，從而使得處理單元可以得知加油機此時處于加油作業(yè)狀態(tài)。

4) 根據(jù)加油槍的加油作業(yè)狀態(tài)，處理單元通過驅(qū)動電路提高永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速，保證了加油的正常操作，且降低永磁無刷直流電動機的能耗。通過轉(zhuǎn)子軸上的霍爾傳感器對永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速進行監(jiān)測，防止其轉(zhuǎn)速偏離處理單元的限制值。

1.3 主要技術(shù)性能指標(biāo)

永磁無刷直流電動機的性能指標(biāo)見表1所列。

表1 自吸泵永磁無刷直流電動機性能指標(biāo)

1.4 關(guān)鍵技術(shù)及特點

1) 永磁直流無刷電動機采用稀土永磁體替代傳統(tǒng)的勵磁轉(zhuǎn)子，減小了轉(zhuǎn)子機械損耗，自發(fā)熱低，永磁體本身的低磁導(dǎo)率、高內(nèi)阻的特性降低了渦流損耗，避免了銣鐵硼材料的熱磁退。同時，采用永磁體產(chǎn)生氣隙磁場，功率因數(shù)高，電動機具有較高的運行效率，在額定負(fù)載下其效率比傳統(tǒng)交流異步電動機提高5%～15%。

2) 由固態(tài)逆變器和轉(zhuǎn)子位置傳感器組成的電子換向器取代機械換向器和電刷，消除了電的滑動接觸機構(gòu)，避免產(chǎn)生換向火花和電刷磨損，可用于高速作業(yè)環(huán)境，工作壽命長；電子控制換向使得電動機具有較好的可控性和調(diào)速范圍。

3) 轉(zhuǎn)矩特性是電動機重要的性能指標(biāo)，永磁無刷直流電動機具有較好的機械特性和調(diào)節(jié)特性，因而其啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，調(diào)節(jié)范圍寬，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性高，無需啟動繞組，最大過載轉(zhuǎn)矩可達到其額定轉(zhuǎn)矩的4倍。

4) 永磁直流無刷電動機由于采用永磁結(jié)構(gòu)，電動機質(zhì)量只有傳統(tǒng)交流異步電動機質(zhì)量的70%，體積小便于安裝，結(jié)構(gòu)簡單便于維護。該電動機無需勵磁，定子繞組溫升僅為30K(遠小于80K)，在室溫下全速運行時電動機溫升只有傳統(tǒng)交流異步電動機溫升的50%[6]。

5) 永磁直流無刷電動機可通過變頻技術(shù)對電動機功率進行調(diào)節(jié)，無需根據(jù)加油機規(guī)格配置不同電動機，1臺直流無刷電動機即可利用變頻技術(shù)配合不同工況進行使用，減少了各類電動機的研發(fā)費用，提高了設(shè)備的互換性[7]。

6) 為滿足加油站運營中的實際操作工況，同時達到節(jié)能增效的目的，永磁直流無刷電動機及其控制板實現(xiàn)了操作人員提槍時電動機低速運轉(zhuǎn)，正常加油作業(yè)時高速運轉(zhuǎn)，解決了傳統(tǒng)交流異步電動機僅存在啟動和關(guān)停兩種狀態(tài)的問題，節(jié)約電能大于30%[8]。

2 現(xiàn)場應(yīng)用與效果評價

為驗證自吸泵永磁無刷直流電動機的節(jié)能效果，2015年6月在青島某幾個加油站選取雙槍型加油機進行電動機改造，將其中幾臺自吸泵交流異步電動機更換為永磁無刷直流電動機，另外幾臺交流異步電動機進行保留。為便于比較永磁無刷直流電動機與普通電動機的能耗，分別在節(jié)能電動機與普通電動機上安裝電能表測量耗電量，測試結(jié)果見表2所列。

表2 永磁無刷直流電動機與交流異步電動機對比測試結(jié)果

從表2可以看出，永磁無刷直流電動機在相同運行狀態(tài)下單位體積耗電量優(yōu)于傳統(tǒng)交流異步電動機，在加油站同等操作條件下，永磁無刷直流電動機與傳統(tǒng)交流異步電動機相比節(jié)約電能大于30%。經(jīng)統(tǒng)計，加油1L，節(jié)能電動機比普通電動機節(jié)省電能3.55×10-4kW·h。假設(shè)汽油密度為720kg/m3，加注1t汽油約節(jié)約電能0.493kW·h。對于萬噸加油站一年可節(jié)約電能4930kW·h，永磁無刷直流電動機年節(jié)約電費約5000元，使用永磁無刷直流電動機半年就可以收回其高于傳統(tǒng)交流異步電動機的成本費用。

3 結(jié)束語

圍繞降低加油站電能消耗成本，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，研發(fā)的加油站自吸泵永磁直流無刷電動機及相關(guān)控制板可以實現(xiàn)操作人員提槍時電動機低速運轉(zhuǎn)，正常加油作業(yè)高速運轉(zhuǎn)，解決了傳統(tǒng)交流異步電動機僅存在啟動和關(guān)停兩種狀態(tài)的問題。在加油站同等使用條件下，永磁無刷直流電動機與傳統(tǒng)交流異步電動機相比，節(jié)約電能大于30%，極大地降低了加油站電能消耗。在國家推行節(jié)能降耗的背景下，永磁無刷直流電動機具有廣闊的推廣前景。

[1] 張琛.直流無刷電動機原理及應(yīng)用[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2004.

[2] 李鐘鳴，劉衛(wèi)國.稀土永磁電機[M].北京： 國防工業(yè)出版社，1999.

[3] 劉剛.永磁無刷直流電動機控制技術(shù)與應(yīng)用[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2009.

[4] 葉金虎.現(xiàn)代無刷直流電動機的原理和設(shè)計[M].北京： 科學(xué)出版社，1999.

[5] 胡文靜.永磁無刷直流電動機的發(fā)展及展望[J].微電機，2002(04)： 37-38.

[6] 李秀英，吳國平，付長虹，等.GB755—2008旋轉(zhuǎn)電機定額和性能[S].北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[7] 劉明基，王強，鄒繼斌，等.高速無刷直流電機穩(wěn)速系統(tǒng)中的速度檢測[J].微特電機，1998，26(04)： 21-23.

[8] 蔡黎明.永磁無刷直流電機的優(yōu)化設(shè)計[J].防爆電機，2015，50(01)： 1-4.

Development and Application of Permanent Magnet Brushless Direct Current Self-Priming Pump Motor

PuHe，WangZhenzhong，XiuDexin，DingLili

(ResearchInstituteofSafetyEngineering，Sinopec，Qingdao，266071，China)

Aimedatproblemswithnormalthree-phaseasynchronousmotorusedinself-primingpump，suchashighfailurerate，narrowspeedadjustablerange，lowefficiency，onlystart-upandshutdownstatesandshortageoffrequencyconversioncontrol，atypeofasynchronousmotorusedinBLDCwasdeveloped.FieldapplicationshowspermanentmagneticBLDCMcanrealizecarryingupgunatlowspeedandnormalrefuelingathighspeed.Characteristicsofstartingtorque，operationefficiency，pumptemperaturerise，servicelifeandothersaresuperiortothatforordinarythree-phaseasynchronousmotor.Morethan30%electricitycanbesavedwithBLDCMcomparingtothatwithapplicationofnormalthree-phaseasynchronousmotorundersameoperatingconditions.

permanentmagnetbrushlessdirectcurrentmotor;three-phaseasynchronousmotor;frequencyconversion;energyconservation;efficiency

蒲鶴(1988—)，男，2014年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)工作于中石化青島安全工程研究院，主要從事加油站加氣站安全工作，任工程師。

TM

B

1007-7324(2016)06-0040-03

稿件收到日期： 2016-09-18.