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

1、    開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)及其應(yīng)用    開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)及其應(yīng)用    類別：消費電子      摘要：本文介紹了開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況及基本構(gòu)成,并對開關(guān)磁阻電機調(diào)速原理進行分析,最后詳細闡述了該系統(tǒng)作為一種新型調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點及其應(yīng)用。 0 引言 開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)SRD（Switched Reluctance Drive）是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無換 向器電動機調(diào)速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代交流無級

2、調(diào)速系統(tǒng)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固、 成本低、工作可靠、控制靈活、運行效率高等諸多優(yōu)點，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。本文主要介紹了開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況及基本構(gòu)成，并 對開關(guān)磁阻電機調(diào)速原理進行分析，并在對其優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上詳細闡述了其應(yīng)用場合與領(lǐng) 域。 1 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展概況 開關(guān)磁阻電機（Switched Reluctance Motor， SRM 或SR 電機）基本原理最早提出在19 世紀40 年代，當(dāng)時的研究人員認為利用順序磁拉力使電動機旋轉(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

3、為當(dāng)時的科技條件落后， 電動機的運行特性很差。以后的100 多年間，開關(guān)磁阻電機的發(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”，標志著SR 正式得到 國際承認。1983 年，英國TASC Driv 公司推出第1 臺商品化SRDOulton 傳動置（7.5 kW， 1500 r/min）；1984 年又推出4kW 4 個規(guī)格的系列產(chǎn)品1。

4、作為一種性能價格高的新型調(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、微機應(yīng)用、電動機電磁分析、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 展。 我國對開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)的研究起步盡管較晚，但是起點較高，在借鑒國外經(jīng)驗 的基礎(chǔ)上發(fā)展速度較快。我國對開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)的研究與試制起步于20 世紀80 年代。1988 年在南京召開的第一屆開關(guān)磁阻電機研討會。1992 年，在中國電工技術(shù)學(xué)會中 小型電機專業(yè)委員會領(lǐng)導(dǎo)下成立了開關(guān)磁阻電機學(xué)組，以更好地推動開關(guān)磁阻電機研究工作 的進展。在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，國內(nèi)對開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的開

5、發(fā)研究盡管起步較晚，但是起點較高，研制目標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、 研究所開展了這項工作，部分重點高校招了多期以開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)為課題的博士 生、碩士生，取得了從基礎(chǔ)理論到設(shè)計制造技術(shù)多方面成果與進展。迄今為止，已有十余家 單位推出不同性能、不同用途的幾十個系列規(guī)格產(chǎn)品，應(yīng)用于紡織、冶金、機械、運輸?shù)刃?業(yè)的數(shù)十種生產(chǎn)機械和交通工具中，開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)在一些機械中發(fā)揮出獨有的優(yōu) 勢。 2 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)基本構(gòu)成 開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電動機（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 磁阻電機是

6、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繞組串聯(lián) 成為“一相”；轉(zhuǎn)子由疊片構(gòu)成，沒有繞組、換向器、集電環(huán)等。SR 電機可做成單相、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。1圖2 所示為一臺4 相8/6 極SR 電機示意圖。定子有8 個齒，轉(zhuǎn)子有6 個齒。 每個定子齒上繞有一個線圈，其中徑向相對的兩個極的線圈串聯(lián)構(gòu)成一相繞組，共有4 組繞 組，轉(zhuǎn)子上無繞組。 SR 電動機的運行原理遵循“磁阻最小原理”磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合， 而

7、具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，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， 1-1向定子軸線D-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DABC 相繞組通電， 轉(zhuǎn)子即會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給BADC 相通電，則 電動機即會沿順時針方轉(zhuǎn)動。可見， SR 電動機的轉(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， 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， S

8、R 電動機傳動的共 性特點是具有再生作用，系統(tǒng)效率高。 通過控制加到SR 電動機繞組中電流脈沖的幅值、寬度及其與轉(zhuǎn)子的相對位置（即導(dǎo)通角、關(guān)斷角），即可控制SR 電機轉(zhuǎn)矩的大小與方向，這正是SR 電動機調(diào)速控制的基本原理。 （2）功率變換器 功率變換器是SR 電機運行時所需能量的供給者，是連接電源和電機繞組的開關(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)磁阻電動機的相數(shù)、繞組形式（單繞組或雙繞組）有關(guān)4。 功率變換主電路的結(jié)構(gòu)型式很多，有不對稱

9、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 功率變換器的主開關(guān)器件主要有普通晶閘管、大功率晶體管 （High-power Transistors，GTR）、可關(guān)斷晶閘管（Gate Turn-Off Thyristor，GTO）、MOS 場效應(yīng)晶體管（MOS Field-effect Transistor，MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistors，IGBT）。電動機功率變換器主開關(guān)器件的選擇與電動機的功率等級、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

10、擊性、耐用性及市場普及性有關(guān)系。 普通晶閘管是使用時間最長、伏安容量最大，并且價格比較便宜，但是因為沒有自關(guān)斷 能力，開關(guān)頻率低，強迫換相電路成本高、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。 可關(guān)斷晶閘管（GTO）在不斷關(guān)斷時要求相當(dāng)大的反向控制電流，關(guān)斷控制實現(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、

11、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但是容量有限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 電機運行?？刂破饔晌C或數(shù)字邏

12、輯電路及接口電路等構(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，其作用是及時向控制器提供定、轉(zhuǎn)子齒 極間實際相對位置的信號和轉(zhuǎn)子運行速度的信號。 3 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點 理論與實踐表明4，與其它電動機調(diào)速系統(tǒng)比較，SRD 具有如下顯著優(yōu)點： （1）SR 電機堅固、簡單、成本低，適于高速運行，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)的瞬時電流，即能 方便地實現(xiàn)四象限運行，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

13、何傳統(tǒng)類型的電動機都簡單， 制造和維護起來也比較方便。中小功率的調(diào)速系統(tǒng)具有很高的性價比，其成本低于同功率的 異步電機變頻調(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)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用 我國從80 年代初開始進行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)，要求電動機反應(yīng)速度要快，其反 應(yīng)時間不得大于0.3 秒，電動機要能長期地、連續(xù)地、頻繁地處于

14、正、反轉(zhuǎn)交替變換的工作 狀態(tài)，電動機要有能在較寬廣的范圍內(nèi)無級調(diào)速的性能，電動機能長期地在濕、熱的環(huán)境中 工作。這時候，使用開關(guān)磁阻電機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)速電動機具有良 好的同步性能，而且不存在電刷磨損（如直流電動機）或恒磁體退化（如永磁同步電動機） 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、對稱的四象限運行特性等一系列突出優(yōu)點，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)控機床主軸直驅(qū)系統(tǒng)中

15、的應(yīng)用 利用開關(guān)磁阻調(diào)速電動機恒轉(zhuǎn)矩特性好、動態(tài)響應(yīng)特性好的優(yōu)點，將其應(yīng)用于數(shù)控機床 主軸直驅(qū)系統(tǒng)，取得了成功。這為我國普及型小型數(shù)控機床的主軸驅(qū)動提供了一種性價比很 高的新動力。 （4） 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機在家電行業(yè)中的應(yīng)用 空調(diào)、冰箱、洗衣機等家電發(fā)展的總趨勢是采用具有現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的電動機來取代不調(diào) 速的電動機。這里最具資格的當(dāng)數(shù)無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)和開關(guān)磁阻調(diào)速電動機系統(tǒng)。而 在性價比上開關(guān)磁阻調(diào)速電動機系統(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)這方面的研究開發(fā)也已取得了顯 著的成效。6 將開關(guān)磁阻調(diào)速電動機應(yīng)用于水域的船只驅(qū)動上，可以避免機油、汽油、柴油對水域的 污染，還可以大大減少噪聲污染，這