四相8/6極開關磁阻電機調速系統的設計與研究

梁澤坤

【摘 要】四相8/6極開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，SRM）以其多樣的優點在調速領域中受到廣泛應用和關注。本研究對開關磁阻電機的工作特性和直接轉矩控制的基本原理進行分析研究，針對開關磁阻電機的氣隙偏心故障、提高工作穩定性、功率變換器的選擇等問題總結出相應的解決辦法，以提高開關磁阻電機在各種條件下工作的適應能力，減少故障率，盡量做到在不增加外加電路的情況下，有效提高開關磁阻電機工作的準確性、可靠性。

【關鍵詞】四相開關磁阻電機；轉矩脈動；動態及穩態性能

0 前言

四相8/6極開關磁阻電機為雙凸極結構，由于具有結構簡單、工作可靠、可操作性好、相間控制獨立、動態性能好、適用范圍廣等特點，吸引了世界各國國家對開關磁阻電機各種性能和工作能力的研究分析。開關磁阻電機啟動過程中易出現定子電流脈沖大，磁路飽和，渦流、磁滯效應，使脈動幅度增大，對電機內各零件的沖擊和磨損加大，工作性能由此受到影響，因此根據實踐要求對四相8/6極開關磁阻電機建立模型，為實物的設計與完善提供堅實的理論基礎，作出改進，選擇相間獨立、電源電壓利用率高的功率變換器拓撲，提高四相開關磁阻電機的動態及穩態性能。

1 開關磁阻電機的調速系統的分析

1.1 開關磁阻電機的工作原理和轉矩特性

開關磁阻電機的工作原理為運行時遵循“磁阻最小原理”，即哪條通道磁阻最小該條路徑磁通通路，當轉子鐵芯轉動到磁阻最小位置時，電路通路，由扭曲的磁場形成的磁拉力產生力矩帶動磁阻電機開始運轉。四相開關磁阻電機系統磁路和電路相互獨立，該特性使電機容錯能力增強，工作穩定可靠，一相或多相出現故障時，其余相不受影響，依然可以正常工作。開關磁阻電機調速系統由開關磁阻電機、驅動電路、控制電路、功率變換電路、轉子位置監測和電流檢測電路等組成，開關磁阻電機調速系統的結構組成如圖1所示：

開關磁阻電機調速系統（SRD）受到越來越多的關注，高能低耗、電力電子技術越來越進步，SRD系統在電動汽車領域得到青睞，起動轉矩大，易啟動，功率大，爬坡能力強，行駛穩定性和動力性都十分優越，低速時恒轉矩輸出，高速時恒功率輸出，能源利用率高，不僅節約能源，也能減少有害尾氣的排放，保護環境，緩解高峰期交通出行壓力，增加出行方式，提高出行方便性和靈活性。開關磁阻電機結構簡單，轉子上無繞組，減少了工序復雜性，而且轉子十分堅固，能夠在高轉速下工作，適用范圍十分廣泛。開關磁阻電機調速系統會根據轉子的位置傳感器輸出相應的驅動脈沖，功率電路根據驅動信號的控制來向電動機的繞組通電，從而使轉子產生轉動。并根據電動機的轉速情況進行相應的電壓斬波控制，避免運行過程中出現過流、過壓和欠壓故障，保證開關磁阻電機的正常運行。

1.2 氣隙偏心故障的檢測與改進

開關磁阻電機的容錯性具有很大優勢，但是容錯能力也是有限的，出現故障后運行電機會加劇電機零部件之間的摩擦，導致磨損，影響電機的工作性能。氣隙偏心是開關磁阻電機運行過程中較常見到的故障之一，由于機械零件的質量問題和運行工況的復雜多樣性，就會導致氣隙偏心故障。氣隙偏心故障會使定子與轉子之間的氣隙層不均勻，導致磁阻變化較大，徑向力不能相互抵消，從而導致開關磁阻電機運行不穩定，產生較大的震動和噪聲，是定子和轉子受到的摩擦力加大，對定子和轉子磨損嚴重，甚至會造成整個系統失控。氣隙偏心故障的檢測方法為使一相處于完全對齊位置，分別向其余三相注入正弦脈沖信號，記錄下非勵磁相中產生的電流波形，將氣隙偏心狀態下的電流波形與正常狀態下的相比較得出影響氣隙偏心故障的因素和產生氣隙偏心的原因以及得到解決辦法。

1.3 對開關磁阻電機進行直接轉矩控制

開關磁阻電機對轉矩的控制主要有T=i兩種方法：直接轉矩控制和直接瞬時轉矩控制兩種。直接瞬時轉矩控制是通過檢測電機的轉矩誤差根據設定的標準值判斷控制電機繞組上的電壓，從而進一步控制輸出轉矩，保證電機運轉平穩可靠。根據公式可得轉矩的方向與電流無關，而是由（1）的正負控制，（1）>0時，瞬時轉矩T>0；當（1）<0時，瞬時轉矩T<0。從式中可以看出轉矩大小與電流瞬時值和磁共能與轉子位置相關，可以通過控制繞組電壓來改變瞬時轉矩的大小以得到合適的目標值。

2 開關磁阻電機在功率變換器方面的分析與選擇

2.1 功率變換器故障對對開關磁阻電機系統的影響

功率變換器作為開關磁阻電機的關鍵性部件，若出現故障會對開關磁阻電機的運行產生極大的影響。功率變換器的正常運行是電機可靠運轉的重要保障，功率變換器在高頻轉速下和經常性的啟動關閉極容易出現過熱、磨損嚴重等現象，從而導致電路的開路或短路。針對功率變換器是磁阻電機較薄弱環節這一狀況，要對功率變換器在各種工作條件下能承受的極限、電路開路短路對電機工作產生的影響進行研究，通過對比磁阻電機在正常工況下和功率變換器出現故障等級不同的情況下進行對比，得到科學客觀的數據，分析功率變換器出現故障的原因，并提出相應的解決辦法。

2.2 對功率變換器的故障檢測技術

通過分析比較對功率變換器在正常工況和故障情況下工作狀況進行分析比較，功率變換器短路會造成相電流幅值過大，電流起伏較大會導致電機運行不穩定，工作效率不高。而在低速運行時，電流幅值起伏不大，不容易檢測到，具有一定的潛伏性，對于故障檢測和故障元件的識別會造成一定的難度。功率變換器的開路故障則會直接導致開關磁阻電機電路故障而停止工作，該類故障相電流波形變化明顯，容易檢測出故障發生。一般采用的準確有效的檢測方法為以電機正常工作、開路與短路故障時直流母線電流差值作為判斷依據，判定是否發生故障以及開路故障還是短路故障，并根據直流母線電流的差值絕對值與各相電流比較，以得到具體那個相出現故障，再對該故障相進行故障元件排查已得到具體的故障元件，精確快速的對故障元件進行維修或者更換，排除故障。

2.3 開關磁阻電機驅動系統在電動自行車方面的應用

開關磁阻電機以構造簡單、節省能源等優點在電動汽車等方面得到了廣泛的應用。電動車作為一種新興的交通工具，無排放尾氣污染、保護環境、噪音小、靈活性好。將結構簡單、低速力矩大的開關磁阻電機應用在電動車上，更可以凸顯電動車相較于傳統的內燃機車所具有的優勢。四相開關磁阻電機能夠滿足電動車需能頻繁起動，行駛平穩，承載能力強的要求，并能提供較大的力矩來應對各種壞路面、自然路障和無路地段。而電動車成本較低，開關磁阻電機也應滿足經濟型要求，減少主電路開關器件數量，避免使用大的儲能電容來保證電動車的經濟性能。開關磁阻電機運用在電動車上是要經過各方面的實驗和性能檢測，以確保能夠達到電動車正常行駛需要的動力。對電機進行起動和加載試驗，觀察四相繞組電流波形是否平穩，從而判斷電機能否實現可靠啟動；觀察在有一定負載情況下電流波形情況，觀察得到電流波形基本對稱，則可以得到電機能夠實現在一定負載情況下運行平穩的要求。

3 結語

開關磁阻電機具有結構簡單，成本較低，適用范圍廣等優點，受到廣泛應用。本研究針對磁阻電機工作時轉矩脈動較大、工作狀況復雜、偏心故障等問題進行研究，提出相應的措施判斷偏心故障產生原因、故障類型及解決偏心故障；提出解決電機頻繁啟動以及復雜工況下電機對應的工作策略，提高開關磁阻電機工作可靠性、精確性、安全性、穩定性；降低轉矩脈動，實現模糊控制，提高系統的適應性、能夠及時響應等工作特性。

【參考文獻】

[1]甘醇.開關磁阻電機新型功率變換器的研究與設計[J].電機與控制應用，2011. 38（3）：12-16.

[2]何林，孫鶴旭.SRM的兩種功率拓撲結構的性能研究[J].電力電子技術，2011（3）：41-42.

[責任編輯：王偉平]