- 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展概況
- 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)基本構(gòu)成
- 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用
- 磁阻電機
- 功率變換器
- 控制器
- 位置檢測器
開關(guān)磁阻電動機調(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（SwitchedReluctanceMotor，SRM或SR電機）基本原理最早提出在19世紀40年代，當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，但是因為當時的科技條件落后，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4~kW4個規(guī)格的系列產(chǎn)品[1]。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)刃袠I(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。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。
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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D→A→B→C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B→A→D→C相通電，則電動機即會沿順時針方轉(zhuǎn)動?？梢?，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)。
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、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。
開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點理論與實踐表明，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，這同樣是一個很有前途的應(yīng)用領(lǐng)域。
開關(guān)磁阻調(diào)速電動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。相信開關(guān)磁阻調(diào)速電動機技術(shù)一旦普及和推廣，一定會取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
隨著國內(nèi)外電氣界深入廣泛的研究，基于DSP的開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)顯示出越來越強大的生命力，相信在它會作為新一代調(diào)速系統(tǒng)，有著更加廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?br />
