開關(guān)磁阻調(diào)速電機系統(tǒng)概述

李 綱

開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)(SRD)是20世紀80年代初隨著電力電子、微電腦和自動控制技術(shù)的迅猛發(fā)展而研發(fā)的一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，它兼具交直流調(diào)速的優(yōu)點，是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)而出現(xiàn)的新一代的無極調(diào)速系統(tǒng)［1］。它的結(jié)構(gòu)簡單，定型產(chǎn)品堅固耐用，調(diào)速范圍寬，性能優(yōu)異，且在整個調(diào)速范圍內(nèi)具有較高的效率，電能利用率高，損耗小，系統(tǒng)可靠性高。目前，開關(guān)磁阻電機已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空業(yè)和家用電器等各個領(lǐng)域［2］。

SRD系統(tǒng)在很多性能指標(biāo)上達到了很高的水平，整個系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)達到或超過了工業(yè)中長期廣泛應(yīng)用的一些變速傳動系統(tǒng)。

1 SRD結(jié)構(gòu)及工作原理

開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)(SRD)是較為復(fù)雜的機電一體化裝置，主要是由開關(guān)磁阻電動機、功率變換組件、控制器與位置檢測傳感器四部分組成。控制器包括控制電路與功率變換組件，而檢測轉(zhuǎn)子相位的位置檢測傳感器則安裝在電機一端。SRD的運行需要在線實時監(jiān)測，所跟蹤的數(shù)據(jù)有轉(zhuǎn)子的位置、轉(zhuǎn)軸的速度及電機各極的電流等，然后根據(jù)控制目標(biāo)綜合這些信息輸出控制指令，實現(xiàn)運行控制及保護等功能。轉(zhuǎn)子的位置檢測環(huán)節(jié)是SRD的重要部分，檢測到的轉(zhuǎn)子相位信號是各相主令開關(guān)器件正確進行邏輯切換的依據(jù)，也為速度控制提供速度反饋信號。SRD電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖，見圖1。

圖1 SRD電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖

具體情形則比圖1要復(fù)雜，其極對數(shù)為4組，且電源為三相電，由控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子的具體位置發(fā)出信號，控制四組大功率開關(guān)器件依次打開(電機端部內(nèi)的相位傳感器及碼盤將電機轉(zhuǎn)子相對定子的位置傳至控制器，由此決定觸發(fā)哪組開關(guān))，則定子的相應(yīng)電極通電，產(chǎn)生磁力吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

2 優(yōu)點

開關(guān)磁阻電機的四象限運行，具有電動與制動儲能運行狀態(tài)，稱之為再生能力，所以系統(tǒng)效率較高。理論研究證明，該調(diào)速系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點：

1)電機結(jié)構(gòu)簡單堅固，因轉(zhuǎn)子無繞組，所以制造工藝簡單，成本低廉，可工作于極高轉(zhuǎn)速;定子堅固耐用，線圈嵌放容易，制作方便，端部短而牢固，其嚴謹?shù)脑O(shè)計結(jié)構(gòu)使得工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強振動的環(huán)境。

2)控制器的工作原理簡單，電路設(shè)計思路寬，后續(xù)改進幅度大，較易實現(xiàn)智能化與集成化;其轉(zhuǎn)矩方向與電流流向無關(guān)，從而可最大限度地簡化功率變換裝置，降低系統(tǒng)的制造成本。

3)由控制器根據(jù)起動與運行的不同，可以預(yù)定控制起動極導(dǎo)通時間，協(xié)調(diào)各極通電時差，所以可以使電機起動轉(zhuǎn)矩增大，相對其他起動方式起動電流縮小，30%額定電流對應(yīng)150%額定轉(zhuǎn)矩，適用于頻繁起制動和正反轉(zhuǎn)，特別適合重載起動、頻繁起動的機械設(shè)備;低速性能好，沒有感應(yīng)電動機在起動時所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象，進而震動大幅減小，對電機而言安全系數(shù)提高。

4)可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，電動與發(fā)電運行狀態(tài)自動轉(zhuǎn)換，工作效率高，節(jié)約電能;其損耗主要產(chǎn)生于定子，且溫升較小(主要為機械摩擦升溫、電磁熱升溫與極小的空氣摩擦升溫)，所以電機易于冷卻;其轉(zhuǎn)子無永磁體，可允許有較高溫升，而不必擔(dān)心消磁導(dǎo)致性能降低。

5)速度調(diào)節(jié)范圍較寬，控制靈活，易于滿足各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩—速度指標(biāo)，尤其適合沖擊負載和高速應(yīng)用。

6)由于整個系統(tǒng)的先進設(shè)計使得功率變換器工作時不會出現(xiàn)直通故障，所以無直通短路危險，其主要元器件IGBT不易燒毀，大大提高其可靠性。

7)其具備四象限運行狀態(tài)，較強的再生制動大幅度節(jié)約電能，有利于環(huán)保;其模糊控制使得容錯能力增強，即使某一相故障，電機仍可以轉(zhuǎn)動，只是其轉(zhuǎn)矩有所減小。

3 不足

該調(diào)速技術(shù)是一種比較新型的電機控制方式，與變頻調(diào)速相比，存在著一些不足。

1)電機控制只能1拖1，不像交流變頻調(diào)速中一臺變頻器可帶動兩臺或多臺電機。

2)只能專機專用，不像交流變頻調(diào)速中當(dāng)變頻器發(fā)生故障時可將電機切換至工頻電源繼續(xù)運行。

3)理論特殊，仍未像其他較成熟的調(diào)速技術(shù)普及，推廣難度大。交流變頻調(diào)速在20世紀60年代時技術(shù)上已趨成熟，我國引進的紡織機械中已大量應(yīng)用，但真正意義上的普及推廣是在40年以后，其原因是要培養(yǎng)教育大批專業(yè)技術(shù)人員以開發(fā)新產(chǎn)品、維修與維護。SRD的理論推廣還在初中期，因此，還需要教育培養(yǎng)大量技術(shù)人員，不斷完善系統(tǒng)，提高其集成化程度，開發(fā)新產(chǎn)品，培訓(xùn)售后維護人員。

4 SRD產(chǎn)品的新發(fā)展

4.1 高精度伺服型SRD

目前，國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品雖不斷更新?lián)Q代，采用最新的控制芯片，但其控制策略仍是20世紀80年代的技術(shù)，即根據(jù)位置檢測傳感器提供的相位信號采用電流斬波、電壓脈寬調(diào)制和單脈沖控制，因此，其控制的結(jié)果總是響應(yīng)慢、轉(zhuǎn)矩波動大，很難在50 r/min以下取得良好的實用效果。高精度伺服型產(chǎn)品采用了絕對位置編碼器作為電機的傳感器，將測速信號由原有的每轉(zhuǎn)幾脈沖至十幾脈沖提高到每轉(zhuǎn)幾百至幾千脈沖，大大減小了測速反饋時間，提高了控制相應(yīng)速度［3］。再結(jié)合相繞組波形控制技術(shù)，改善電源波形，平滑低速轉(zhuǎn)矩脈動，使其實用的最低轉(zhuǎn)速達到10 r/min以下，電機的動態(tài)響應(yīng)時間減少至3 ms，產(chǎn)品最大規(guī)格達315 kW。

4.2 大功率組合式SRD

與交流變頻調(diào)速相仿，受電力電子元件容量和價格的限制，SRD向大容量發(fā)展也受到限制。例如，目前國內(nèi)使用的技術(shù)成熟的最大功率SRD產(chǎn)品僅為400 kW。但是如果利用SRD電機的結(jié)構(gòu)特點，把所有繞組分為兩組，則可以用兩臺同功率的控制器同步驅(qū)動一臺更大功率的電機，同理，以倍增可以驅(qū)動的電機功率［4］。這樣不僅在成熟的控制器技術(shù)和一定的電力電子元件條件下實現(xiàn)了2倍、多倍的電機容量，而且，比單機大功率SRD具備下列優(yōu)點。

1)因為控制器為多臺，可以使用降壓變壓器供電，整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)高壓調(diào)速。

2)由于這種提高控制功率的做法使用了多臺控制器，故在其中一臺故障時可切除，電機輸出功率按比例降低，但電機仍可正常工作，大大提高了系統(tǒng)可靠性。

3)多臺控制器可使用數(shù)臺移相變壓器(或1臺多副邊變壓器)供電，實現(xiàn)脈沖整流，改善電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，減小諧波危害。

4.3 六相 SRD

根據(jù)SRD原理，為減小電機的轉(zhuǎn)矩脈動，可增加電機相數(shù)，但相數(shù)增加將使功率電路復(fù)雜程度增加，提高SRD系統(tǒng)成本［5］。采用六相12/10極六相電機，見圖2(a)，其繞組連接見圖2(b)，將A1與A2，B1與B2，C1與C2，D1與D2各繞組串接，其功率電路見圖2(c)、圖2(d)。電路中僅采用6只功率開關(guān)元件和6只續(xù)流二極管，與通常三相SRD中采用的三相半橋式電路完全一樣，實現(xiàn)既降低轉(zhuǎn)矩脈動又不增加系統(tǒng)成本的目的。

圖2 六相12/10極電機結(jié)構(gòu)、繞組連接、六相功率電路示意圖

5 效果

與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的交流變頻調(diào)速感應(yīng)電動機相比，開關(guān)磁阻電機在成本、效率、調(diào)速性能、單位體積功率、可靠性、散熱性等方面都具有明顯的優(yōu)勢。開關(guān)磁阻電機在寬廣的速度和功率范圍內(nèi)都能保持較高的效率和較高的起動轉(zhuǎn)矩，這是交流變頻調(diào)速感應(yīng)電動機難以比擬的。

感應(yīng)電動機要取得與直流電機相近的調(diào)速特性需采用復(fù)雜的矢量控制系統(tǒng)，而SRD電機通過調(diào)整占空比、電壓和電流，可以得到不同負載要求的機械特性，控制簡單靈活，能容易地實現(xiàn)軟啟動和四象限運行，并且由于是純邏輯的控制方式，因此，容易智能化，可通過修改程序軟件調(diào)整電機工作特性滿足不同的應(yīng)用要求。

SRD電機的轉(zhuǎn)矩波動，可能導(dǎo)致較大的噪聲和振動，這種情況與電機設(shè)計和控制的不合理相關(guān)，通過優(yōu)化電機設(shè)計和控制策略，轉(zhuǎn)矩的波動和轉(zhuǎn)動噪音完全可以得到有效抑制。

［1］ 胡崇岳.現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005：18－21.

［2］ 高 超.電牽引采煤機用組合式驅(qū)動器［J］.煤礦機電，2006(4)：33－34.

［3］ 畢 偉.開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝置：中國，200720140545.8［P］.2007－07－06.

［4］ 高 超.開關(guān)磁阻電動機每相繞組線圈分組驅(qū)動裝置：中國，200720170292.9［P］.20017－04－13.

［5］ 高 超.一種六相開關(guān)磁阻電動機系統(tǒng)的功率逆變電路：中國，200620119437.8［P］.2006－09－08.