- 開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統發(fā)展概況
- 開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統基本構成
- 開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統的應用
- 磁阻電機
- 功率變換器
- 控制器
- 位置檢測器
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統SRD（SwitchedReluctanceDrive）是繼變頻調速系統、無(wú)換向器電動(dòng)機調速系統之后發(fā)展起來(lái)的最新一代交流無(wú)級調速系統。它具有結構簡(jiǎn)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(diǎn)，由其構成的傳動(dòng)系統具有交、直流傳動(dòng)系統所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。本文主要介紹了開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統的發(fā)展概況及基本構成，并對開(kāi)關(guān)磁阻電機調速原理進(jìn)行分析，并在對其優(yōu)缺點(diǎn)的基礎上詳細闡述了其應用場(chǎng)合與領(lǐng)域。
1開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統發(fā)展概況
開(kāi)關(guān)磁阻電機（SwitchedReluctanceMotor，SRM或SR電機）基本原理最早提出在19世紀40年代，當時(shí)的研究人員認為利用順序磁拉力使電動(dòng)機旋轉是簡(jiǎn)單可行的。1842年，英國的Aberdeen和Davidson制造出了最初的SRM模型，但是因為當時(shí)的科技條件落后，電動(dòng)機的運行特性很差。以后的100多年間，開(kāi)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(chē)輛驅動(dòng)裝的研究，成功地研制出驅動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的SRD。1980年，Leeds大學(xué)的Lawrenson及其同事總結了自己的研究成果，發(fā)表論文“開(kāi)關(guān)磁阻調速電動(dòng)機”，標志著(zhù)SR正式得到國際承認。1983年，英國TASCDriv公司推出第1臺商品化SRD——Oulton傳動(dòng)置（7.5kW，1500r/min）；1984年又推出4~kW4個(gè)規格的系列產(chǎn)品[1]。作為一種性能價(jià)格高的新型調速系統，SRD的問(wèn)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，并在系統一體化設計、微機應用、電動(dòng)機電磁分析、功率元件應用、新型結構開(kāi)發(fā)等方面取得了很大進(jìn)展。
我國對開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統的研究起步盡管較晚，但是起點(diǎn)較高，在借鑒國外經(jīng)驗的基礎上發(fā)展速度較快。我國對開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統的研究與試制起步于20世紀80年代。1988年在南京召開(kāi)的第一屆開(kāi)關(guān)磁阻電機研討會(huì )。1992年，在中國電工技術(shù)學(xué)會(huì )中小型電機專(zhuān)業(yè)委員會(huì )領(lǐng)導下成立了開(kāi)關(guān)磁阻電機學(xué)組，以更好地推動(dòng)開(kāi)關(guān)磁阻電機研究工作的進(jìn)展。在借鑒國外經(jīng)驗的基礎上，國內對開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統的開(kāi)發(fā)研究盡管起步較晚，但是起點(diǎn)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(kāi)展了這項工作，部分重點(diǎn)高校招了多期以開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統為課題的博士生、碩士生，取得了從基礎理論到設計制造技術(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)系列規格產(chǎn)品，應用于紡織、冶金、機械、運輸等行業(yè)的數十種生產(chǎn)機械和交通工具中，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統在一些機械中發(fā)揮出獨有的優(yōu)勢。
2開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統基本構成
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統主要由開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)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SRD系統的執行元件。一般采用凸極定子和凸極轉子，即雙凸極結構，并且定、轉子齒極數（簡(jiǎn)稱(chēng)極數）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”；轉子由疊片構成，沒(méi)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，相數越多，性能越好，但結構復雜，主開(kāi)關(guān)器件多，成本較高，故相數不宜太多。圖2所示為一臺4相8/6極SR電機示意圖。定子有8個(gè)齒，轉子有6個(gè)齒。每個(gè)定子齒上繞有一個(gè)線(xiàn)圈，其中徑向相對的兩個(gè)極的線(xiàn)圈串聯(lián)構成一相繞組，共有4組繞組，轉子上無(wú)繞組。
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SR電動(dòng)機的運行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通總要沿著(zhù)磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使自己的主軸線(xiàn)與磁場(chǎng)的軸線(xiàn)重合。在圖2中，當定子D-D′極勵磁時(shí)，1-1′向定子軸線(xiàn)D-D′重合的位置轉動(dòng)，并使D相勵磁繞組的電感以圖中定、轉子所處的相對位置作為起始位置，則依次給D→A→B→C相繞組通電，轉子即會(huì )逆著(zhù)勵磁順序以逆時(shí)針?lè )较蜻B續旋轉；反之，若依次給B→A→D→C相通電，則電動(dòng)機即會(huì )沿順時(shí)針?lè )睫D動(dòng)?？梢?jiàn)，SR電動(dòng)機的轉向與相繞組的電流方向無(wú)關(guān)，而僅取于相繞組通電的順序[3]。
另外，當主開(kāi)關(guān)器件S2導通時(shí)，A相繞組從直流電源U吸收電能，而當S1、S2關(guān)斷，繞組電流經(jīng)續流二極管VD1、VD2繼續流通，并回饋給電源U。此，SR電動(dòng)機傳動(dòng)的共性特點(diǎn)是具有再生作用，系統效率高。
通過(guò)控制加到SR電動(dòng)機繞組中電流脈沖的幅值、寬度及其與轉子的相對位置（即導通角、關(guān)斷角），即可控制SR電機轉矩的大小與方向，這正是SR電動(dòng)機調速控制的基本原理。
（2）功率變換器
功率變換器是SR電機運行時(shí)所需能量的供給者，是連接電源和電機繞組的開(kāi)關(guān)部件，其作用是將電源提供的能量經(jīng)適當轉換后提供給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(kāi)關(guān)元件。功率變換器的線(xiàn)路有多種形式，并且與開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的相數、繞組形式（單繞組或雙繞組）有關(guān)。
功率變換主電路的結構型式很多，有不對稱(chēng)半橋型、雙繞組型、電容裂相型、H型、電容轉儲型等。
可以用來(lái)構成SRD功率變換器的主開(kāi)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(chǎng)效應晶體管（MOSField-effectTransistor，MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（InsulatedGateBipolarTransistors，IGBT）。電動(dòng)機功率變換器主開(kāi)關(guān)器件的選擇與電動(dòng)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(kāi)關(guān)器件本身的開(kāi)關(guān)速度、觸發(fā)難易、開(kāi)關(guān)損耗、抗沖擊性、耐用性及市場(chǎng)普及性有關(guān)系。
普通晶閘管是使用時(shí)間最長(cháng)、伏安容量最大，并且價(jià)格比較便宜，但是因為沒(méi)有自關(guān)斷能力，開(kāi)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(kāi)關(guān)元件。大功率晶體管（GTR）的開(kāi)關(guān)頻率高，具有自關(guān)斷能力，在中、小容量的SRD應用廣泛，但其電壓、電流過(guò)載能力差，承受浪涌電流的能力差，存在二次擊穿現象，不易保護。
可關(guān)斷晶閘管（GTO）在不斷關(guān)斷時(shí)要求相當大的反向控制電流，關(guān)斷控制實(shí)現有難度，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(kāi)關(guān)的應用并不廣泛。功率場(chǎng)效應管（MOSFET）是一種單極型的電壓控制器件，具有驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度快、熱穩定性好等優(yōu)點(diǎn)，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(kāi)關(guān)磁阻電機系統中。
絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是80年代出現的新型復合開(kāi)關(guān)器件，具有工作頻率較高，控制實(shí)現比較簡(jiǎn)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(mǎn)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SRD功率變換器的主開(kāi)關(guān)器件。
（3）控制器
控制器是SRD系統的大腦。它綜合位置檢測器、電流檢測器所提供的電機轉子位置、速度和電流等反饋信息及外部輸人的命令，通過(guò)分析處理，決定控制策略，向功率變換器發(fā)出執行命令，控制SR電機運行?？刂破饔晌C或數字邏輯電路及接口電路等構成。
（4）位置檢測器
位置檢測器是轉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、轉子齒極間實(shí)際相對位置的信號和轉子運行速度的信號。
開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統的優(yōu)點(diǎn)理論與實(shí)踐表明，與其它電動(dòng)機調速系統比較，SRD具有如下顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)：
（1）SR電機堅固、簡(jiǎn)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）轉矩方向與相電流方向無(wú)關(guān)。只要控制各相在不同電感區域內的瞬時(shí)電流，即能方便地實(shí)現四象限運行，無(wú)須輔助電力電子開(kāi)關(guān)器件，故可降低系統成本；相電流的單向流動(dòng)，使得其功率主電路結構簡(jiǎn)單。
（3）轉子無(wú)繞組，也無(wú)永久磁體，定子為集中繞組。比任何傳統類(lèi)型的電動(dòng)機都簡(jiǎn)單，制造和維護起來(lái)也比較方便。中小功率的調速系統具有很高的性?xún)r(jià)比，其成本低于同功率的異步電機變頻調速系統。
（4）較小的起動(dòng)電流，可獲得較大起動(dòng)轉矩，在寬廣的轉速和功率范圍內均具有高輸出和高效率。
（5）控制參數多，控制方式靈活。
4開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統的應用
我國從80年代初開(kāi)始進(jìn)行SR的研究工作，十幾年來(lái)國內的一些高等學(xué)校和科研院所競相開(kāi)展研制、開(kāi)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(chǎng)所中的應用在要求快速正反轉的一些工業(yè)應用中，如紡織印染業(yè)，要求電動(dòng)機反應速度要快，其反應時(shí)間不得大于0.3秒，電動(dòng)機要能長(cháng)期地、連續地、頻繁地處于正、反轉交替變換的工作狀態(tài)，電動(dòng)機要有能在較寬廣的范圍內無(wú)級調速的性能，電動(dòng)機能長(cháng)期地在濕、熱的環(huán)境中工作。這時(shí)候，使用開(kāi)關(guān)磁阻電機能收到意想不到的良好效果。還有在要求轉速高度穩定的一些工業(yè)應用中，如化纖行業(yè)，開(kāi)關(guān)磁阻調速電動(dòng)機具有良好的同步性能，而且不存在電刷磨損（如直流電動(dòng)機）或恒磁體退化（如永磁同步電動(dòng)機）的問(wèn)題，可長(cháng)期可靠工作。
（2）在龍門(mén)刨床主傳動(dòng)系統中的應用開(kāi)關(guān)磁阻調速電動(dòng)機良好的調速性能、寬廣的調速范圍、比較小的起動(dòng)電流獲得較大的起動(dòng)轉矩、對稱(chēng)的四象限運行特性等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，對于滿(mǎn)足龍門(mén)刨主傳動(dòng)的高技術(shù)要求提供了完全的可行性。[5]
（3）在數控機床主軸直驅系統中的應用
利用開(kāi)關(guān)磁阻調速電動(dòng)機恒轉矩特性好、動(dòng)態(tài)響應特性好的優(yōu)點(diǎn)，將其應用于數控機床主軸直驅系統，取得了成功。這為我國普及型小型數控機床的主軸驅動(dòng)提供了一種性?xún)r(jià)比很高的新動(dòng)力。
（4）開(kāi)關(guān)磁阻調速電動(dòng)機在家電行業(yè)中的應用
空調、冰箱、洗衣機等家電發(fā)展的總趨勢是采用具有現代調速系統的電動(dòng)機來(lái)取代不調速的電動(dòng)機。這里最具資格的當數無(wú)刷直流電動(dòng)機調速系統和開(kāi)關(guān)磁阻調速電動(dòng)機系統。而在性?xún)r(jià)比上開(kāi)關(guān)磁阻調速電動(dòng)機系統還占有一定的優(yōu)勢。
（5）在電動(dòng)車(chē)、船驅動(dòng)控制系統中的應用
開(kāi)關(guān)磁阻調速電動(dòng)機高效、節能、調速范圍寬、啟、制動(dòng)特性卓越，顯然是電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)與控制系統的理想動(dòng)力。國外已將SRD在電瓶車(chē)、鏟車(chē)、無(wú)軌電車(chē)、電動(dòng)轎車(chē)、城市輕軌列車(chē)等方面進(jìn)行廣泛應用，其優(yōu)勢已經(jīng)明顯凸現出來(lái)，國內這方面的研究開(kāi)發(fā)也已取得了顯著(zhù)的成效。[6]將開(kāi)關(guān)磁阻調速電動(dòng)機應用于水域的船只驅動(dòng)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，這同樣是一個(gè)很有前途的應用領(lǐng)域。
開(kāi)關(guān)磁阻調速電動(dòng)機還可以用在其他許多領(lǐng)域，這需要相關(guān)人士更多的努力。相信開(kāi)關(guān)磁阻調速電動(dòng)機技術(shù)一旦普及和推廣，一定會(huì )取得良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
隨著(zhù)國內外電氣界深入廣泛的研究，基于DSP的開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統顯示出越來(lái)越強大的生命力，相信在它會(huì )作為新一代調速系統，有著(zhù)更加廣闊的發(fā)展潛力。
