開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及其應(yīng)用

1、開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及其應(yīng)用中心議題：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展概況開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本構(gòu)成開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用解決方案：磁阻電機(jī)功率變換器控制器位置檢測器開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) SRD ( SwitchedReluctanceDrive )是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、 無換向器電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代交流無級調(diào)速系統(tǒng)。 它具有結(jié)構(gòu) 簡單、堅(jiān)固、成本低、工作可靠、控制靈活、運(yùn)行效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，由其構(gòu)成的 傳動系統(tǒng)具有交、 直流傳動系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點(diǎn)。 本文主要介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的發(fā)展概況及基本構(gòu)成， 并對開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速原理進(jìn)行分析， 并在對其優(yōu)缺 點(diǎn)的基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了其應(yīng)

2、用場合與領(lǐng)域。1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展概況開關(guān)磁阻電機(jī) ( SwitchedReluctanceMotor ，SRM 或 SR 電機(jī)) 基本原理最早提出 在 19 世紀(jì) 40 年代，當(dāng)時(shí)的研究人員認(rèn)為利用順序磁拉力使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)是簡單可 行的。 1842 年，英國的 Aberdeen 和 Davidson 制造出了最初的 SRM 模型，但是 因?yàn)楫?dāng)時(shí)的科技條件落后，電動機(jī)的運(yùn)行特性很差。以后的 100 多年間，開關(guān)磁 阻電機(jī)的發(fā)展緩慢。 1975 年，英國 Leeds 大學(xué)和 Nottingha 大學(xué)這 2 所大學(xué)的研 究小組聯(lián)合參了 Chlorid 公司發(fā)起的制造蓄電池車輛驅(qū)動裝的研究，成

3、功地研制出 驅(qū)動電動汽車的 SRD 。1980 年， Leeds 大學(xué)的 Lawrenson 及其同事總結(jié)了自己 的研究成果， 發(fā)表論文 “開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī) ”，標(biāo)志著 SR 正式得到國際承認(rèn)。 1983 年，英國 TASCDriv 公司推出第 1 臺商品化 SRD Oulton 傳動置（ 7.5kW ， 1500r/min ）； 1984 年又推出 4kW4 個(gè)規(guī)格的系列產(chǎn)品 1 。作為一種性能價(jià)格高 的新型調(diào)速系統(tǒng)， SRD 的問世不久，引起各界的廣泛關(guān)注。美國、加拿大等國競 相發(fā)展，并在系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)、微機(jī)應(yīng)用、電動機(jī)電磁分析、功率元件應(yīng)用、新型 結(jié)構(gòu)開發(fā)等方面取得了很大進(jìn)展。我國對開

4、關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究起步盡管較晚， 但是起點(diǎn)較高， 在借鑒國外 經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展速度較快。 我國對開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究與試制起步于 20 世紀(jì) 80 年代。 1988 年在南京召開的第一屆開關(guān)磁阻電機(jī)研討會。1992 年，在中國電工技術(shù)學(xué)會中小型電機(jī)專業(yè)委員會領(lǐng)導(dǎo)下成立了開關(guān)磁阻電機(jī)學(xué)組， 以更好 地推動開關(guān)磁阻電機(jī)研究工作的進(jìn)展。 在借鑒國外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 國內(nèi)對開關(guān)磁阻 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)研究盡管起步較晚， 但是起點(diǎn)較高， 研制目標(biāo)基本都集中在較 為成熟的三相或四相控制方案上。 一批高等院校、 研究所開展了這項(xiàng)工作， 部分重 點(diǎn)高校招了多期以開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為課題的博士

5、生、 碩士生， 取得了從基 礎(chǔ)理論到設(shè)計(jì)制造技術(shù)多方面成果與進(jìn)展。 迄今為止， 已有十余家單位推出不同性 能、不同用途的幾十個(gè)系列規(guī)格產(chǎn)品，應(yīng)用于紡織、冶金、機(jī)械、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的數(shù) 十種生產(chǎn)機(jī)械和交通工具中， 開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在一些機(jī)械中發(fā)揮出獨(dú)有的 優(yōu)勢。2 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本構(gòu)成開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電動機(jī)（SRM ）、功率變換器、控制器和檢測器組成 2 。如圖 1 所示：1）磁阻電機(jī) 磁阻電機(jī)是 SRD 系統(tǒng)的執(zhí)行元件。 一般采用凸極定子和凸極轉(zhuǎn)子， 即雙凸極結(jié)構(gòu)， 并且定、轉(zhuǎn)子齒極數(shù)（簡稱極數(shù)）不相等，定子裝有集中繞組，直徑方向相對的兩 個(gè)繞組串聯(lián)成為 “一相

6、”；轉(zhuǎn)子由疊片構(gòu)成，沒有繞組、換向器、集電環(huán)等。 SR 電 機(jī)可做成單相、兩相、三相、四相和多相，相數(shù)越多，性能越好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主 開關(guān)器件多，成本較高，故相數(shù)不宜太多。圖 2 所示為一臺 4 相 8/6 極 SR 電機(jī)示 意圖。定子有 8 個(gè)齒，轉(zhuǎn)子有 6 個(gè)齒。每個(gè)定子齒上繞有一個(gè)線圈， 其中徑向相對 的兩個(gè)極的線圈串聯(lián)構(gòu)成一相繞組，共有 4 組繞組，轉(zhuǎn)子上無繞組。SR 電動機(jī)的運(yùn)行原理遵循 “磁阻最小原理 ”磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉 合，而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時(shí)， 必使自己的主軸線與磁場的 軸線重合。 在圖 2 中，當(dāng)定子 D- D極勵磁時(shí)， 1-1向定子軸線 D

7、- D重合的位置轉(zhuǎn)動， 并使 D 相勵磁繞組的電感以圖中定、轉(zhuǎn)子所處的相對位置作為起始位置，則依次 給 D A BC 相繞組通電，轉(zhuǎn)子即會逆著勵磁順序以逆時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；反 之，若依次給 BADC 相通電，則電動機(jī)即會沿順時(shí)針方轉(zhuǎn)動?？梢?， SR 電 動機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，而僅取于相繞組通電的順序 3 。另外，當(dāng)主開關(guān)器件 S2 導(dǎo)通時(shí)， A 相繞組從直流電源 U 吸收電能，而當(dāng) S1 、S2 關(guān)斷，繞組電流經(jīng)續(xù)流二極管 VD1 、VD2 繼續(xù)流通，并回饋給電源 U。此， SR 電 動機(jī)傳動的共性特點(diǎn)是具有再生作用，系統(tǒng)效率高。通過控制加到 SR 電動機(jī)繞組中電流脈沖的幅值、 寬

8、度及其與轉(zhuǎn)子的相對位置 （即 導(dǎo)通角、關(guān)斷角），即可控制 SR 電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小與方向，這正是 SR 電動機(jī)調(diào)速 控制的基本原理。2）功率變換器功率變換器是 SR 電機(jī)運(yùn)行時(shí)所需能量的供給者， 是連接電源和電機(jī)繞組的開關(guān)部 件，其作用是將電源提供的能量經(jīng)適當(dāng)轉(zhuǎn)換后提供給 SRM ，由蓄電池或交流電整 流后得到的直流電供電。 因此， 它包括蓄電池或整流器所形成的直流電源和開關(guān)元 件。功率變換器的線路有多種形式，并且與開關(guān)磁阻電動機(jī)的相數(shù)、繞組形式（單 繞組或雙繞組）有關(guān)。功率變換主電路的結(jié)構(gòu)型式很多， 有不對稱半橋型、 雙繞組型、 電容裂相型、 H 型、 電容轉(zhuǎn)儲型等。可以用來構(gòu)成 SRD 功率變

9、換器的主開關(guān)器件主要有普通晶閘管、大功率晶體管（ High-powerTransistors ，GTR ）、可關(guān)斷晶閘管 （ GateTurn-OffThyristor ，GTO ）、 MOS 場效應(yīng)晶體管（ MOSField-effectTransistor ， MOSFET ）和絕緣柵雙極晶體 管（ InsulatedGateBipolarTransistors ， IGBT ）。電動機(jī)功率變換器主開關(guān)器件的 選擇與電動機(jī)的功率等級、供電電壓、峰值電流、成本等有關(guān)；另外還與主開關(guān)器 件本身的開關(guān)速度、 觸發(fā)難易、 開關(guān)損耗、 抗沖擊性、 耐用性及市場普及性有關(guān)系。普通晶閘管是使用時(shí)間最長、

10、 伏安容量最大， 并且價(jià)格比較便宜， 但是因?yàn)闆]有自 關(guān)斷能力，開關(guān)頻率低，強(qiáng)迫換相電路成本高、可靠性差，故不適宜做功率電路中 開關(guān)元件。大功率晶體管（ GTR ）的開關(guān)頻率高，具有自關(guān)斷能力，在中、小容量 的 SRD 應(yīng)用廣泛，但其電壓、電流過載能力差，承受浪涌電流的能力差，存在二 次擊穿現(xiàn)象，不易保護(hù)?？申P(guān)斷晶閘管（ GTO ）在不斷關(guān)斷時(shí)要求相當(dāng)大的反向控制電流，關(guān)斷控制實(shí)現(xiàn) 有難度， 并存在管壓降比普通晶閘管高等不足， 因此作為功率電路的開關(guān)的應(yīng)用并 不廣泛。功率場效應(yīng)管（ MOSFET ）是一種單極型的電壓控制器件，具有驅(qū)動電 路簡單、 開關(guān)速度快、 熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)， 但是容量有限

11、制并且比雙極型功率晶體 管通態(tài)壓降大，只適用于低電壓、小功率的開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)中。絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT ）是 80 年代出現(xiàn)的新型復(fù)合開關(guān)器件，具有工作頻率 較高， 控制實(shí)現(xiàn)比較簡單， 而且單管的電壓定額與電流定額也已經(jīng)做得很大，已經(jīng)可以滿足對本裝置功率器件的要求，因此經(jīng)綜合考慮選用 IGBT 作為本系統(tǒng) SRD 功率變換器的主開關(guān)器件。3）控制器 控制器是 SRD 系統(tǒng)的大腦。它綜合位置檢測器、電流檢測器所提供的電機(jī)轉(zhuǎn)子位 置、速度和電流等反饋信息及外部輸人的命令，通過分析處理，決定控制策略，向 功率變換器發(fā)出執(zhí)行命令， 控制 SR 電機(jī)運(yùn)行。 控制器由微機(jī)或數(shù)字邏輯電路及接 口電

12、路等構(gòu)成。（4）位置檢測器位置檢測器是轉(zhuǎn)子位置及速度等信號的提供者，其作用是及時(shí)向控制器提供定、 轉(zhuǎn)子齒極間實(shí)際相對位置的信號和轉(zhuǎn)子運(yùn)行速度的信號。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)理論與實(shí)踐表明，與其它電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)比較， SRD具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：（ 1）SR 電機(jī)堅(jiān)固、簡單、成本低，適于高速運(yùn)行，特別適用于煤礦井下、紡織 等行業(yè)。（ 2 ）轉(zhuǎn)矩方向與相電流方向無關(guān)。只要控制各相在不同電感區(qū)域內(nèi)的瞬時(shí)電流， 即能方便地實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行， 無須輔助電力電子開關(guān)器件， 故可降低系統(tǒng)成本； 相 電流的單向流動，使得其功率主電路結(jié)構(gòu)簡單。（3）轉(zhuǎn)子無繞組，也無永久磁體，定子為集中繞組。比任何傳統(tǒng)類型的電動機(jī)都

13、 簡單， 制造和維護(hù)起來也比較方便。 中小功率的調(diào)速系統(tǒng)具有很高的性價(jià)比， 其成 本低于同功率的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。（ 4 ）較小的起動電流，可獲得較大起動轉(zhuǎn)矩，在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)均具有 高輸出和高效率。（5）控制參數(shù)多，控制方式靈活。4 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用我國從 80 年代初開始進(jìn)行 SR 的研究工作，十幾年來國內(nèi)的一些高等學(xué)校和科研 院所競相開展研制、開發(fā)。起步雖較晚，但發(fā)展的速度很快。（1）在有特殊要求的場所中的應(yīng)用在要求快速正反轉(zhuǎn)的一些工業(yè)應(yīng)用中，如紡織 印染業(yè)，要求電動機(jī)反應(yīng)速度要快，其反應(yīng)時(shí)間不得大于 0.3 秒，電動機(jī)要能長期 地、連續(xù)地、頻繁地處于正、反轉(zhuǎn)交替變

14、換的工作狀態(tài)，電動機(jī)要有能在較寬廣的范圍內(nèi)無級調(diào)速的性能，電動機(jī)能長期地在濕、熱的環(huán)境中工作。這時(shí)候，使用開 關(guān)磁阻電機(jī)能收到意想不到的良好效果。 還有在要求轉(zhuǎn)速高度穩(wěn)定的一些工業(yè)應(yīng)用 中， 如化纖行業(yè)， 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)具有良好的同步性能，而且不存在電刷磨損（如直流電動機(jī)）或恒磁體退化（如永磁同步電動機(jī)）的問題，可長期可靠工作。（2）在龍門刨床主傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)良好的調(diào)速性能、寬廣 的調(diào)速范圍、 比較小的起動電流獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩、 對稱的四象限運(yùn)行特性等一 系列突出優(yōu)點(diǎn)，對于滿足龍門刨主傳動的高技術(shù)要求提供了完全的可行性。 5（ 3 ）在數(shù)控機(jī)床主軸直驅(qū)系統(tǒng)中的應(yīng)用利用

15、開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)恒轉(zhuǎn)矩特性好、 動態(tài)響應(yīng)特性好的優(yōu)點(diǎn)， 將其應(yīng)用于數(shù)控 機(jī)床主軸直驅(qū)系統(tǒng)， 取得了成功。 這為我國普及型小型數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動提供了 一種性價(jià)比很高的新動力。（4）開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)在家電行業(yè)中的應(yīng)用空調(diào)、冰箱、 洗衣機(jī)等家電發(fā)展的總趨勢是采用具有現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)來取代 不調(diào)速的電動機(jī)。 這里最具資格的當(dāng)數(shù)無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和開關(guān)磁阻調(diào)速電 動機(jī)系統(tǒng)。而在性價(jià)比上開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)系統(tǒng)還占有一定的優(yōu)勢。（ 5 ）在電動車、船驅(qū)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)高效、節(jié)能、調(diào)速范圍寬、啟、制動特性卓越，顯然是電動車 驅(qū)動與控制系統(tǒng)的理想動力。國外已將 SRD 在電瓶車、鏟車、無軌電車、電動轎 車、 城市輕軌列車等方面進(jìn)行廣泛應(yīng)用， 其優(yōu)勢已經(jīng)明顯凸現(xiàn)出來， 國內(nèi)這方面的 研究