- 開關磁阻電機調速系統發展概況
- 開關磁阻電機調速系統基本構成
- 開關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
開關磁阻電動機調速系統SRD（SwitchedReluctanceDrive）是繼變頻調速系統、無換向器電動機調速系統之后發展起來的最新一代交流無級調速系統。它具有結構簡單、堅固、成本低、工作可靠、控制靈活、運行效率高等諸多優點，由其構成的傳動系統具有交、直流傳動系統所沒有的優點。本文主要介紹了開關磁阻電機調速系統的發展概況及基本構成，并對開關磁阻電機調速原理進行分析，并在對其優缺點的基礎上詳細闡述了其應用場合與領域。
1開關磁阻電機調速系統發展概況
開關磁阻電機（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，開關磁阻電機的發展緩慢。1975年，英國Leeds大學和Nottingha大學這2所大學的研究小組聯合參了Chlorid公司發起的制造蓄電池車輛驅動裝的研究，成功地研制出驅動電動汽車的SRD。1980年，Leeds大學的Lawrenson及其同事總結了自己的研究成果，發表論文“開關磁阻調速電動機”，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個規格的系列產品[1]。作為一種性能價格高的新型調速系統，SRD的問世不久，引起各界的廣泛關注。美國、加拿大等國競相發展，并在系統一體化設計、微機應用、電動機電磁分析、功率元件應用、新型結構開發等方面取得了很大進展。
我國對開關磁阻電動機調速系統的研究起步盡管較晚，但是起點較高，在借鑒國外經驗的基礎上發展速度較快。我國對開關磁阻電動機調速系統的研究與試制起步于20世紀80年代。1988年在南京召開的第一屆開關磁阻電機研討會。1992年，在中國電工技術學會中小型電機專業委員會領導下成立了開關磁阻電機學組，以更好地推動開關磁阻電機研究工作的進展。在借鑒國外經驗的基礎上，國內對開關磁阻電機調速系統的開發研究盡管起步較晚，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磁阻電動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格產品，應用于紡織、冶金、機械、運輸等行業的數十種生產機械和交通工具中，開關磁阻電動機調速系統在一些機械中發揮出獨有的優勢。
2開關磁阻電機調速系統基本構成
開關磁阻電動機調速系統主要由開關磁阻電動機（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（簡稱極數）不相等，定子裝有集中繞組，直徑方向相對的兩個繞組串聯成為“一相”；轉子由疊片構成，沒有繞組、換向器、集電環等。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，主開關器件多，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個齒，轉子有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構成一相繞組，共有4組繞組，轉子上無繞組。
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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′重合的位置轉動，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，轉子即會逆著勵磁順序以逆時針方向連續旋轉；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動。可見，SR電動機的轉向與相繞組的電流方向無關，而僅取于相繞組通電的順序[3]。
另外，當主開關器件S2導通時，A相繞組從直流電源U吸收電能，而當S1、S2關斷，繞組電流經續流二極管VD1、VD2繼續流通，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、寬度及其與轉子的相對位置（即導通角、關斷角），即可控制SR電機轉矩的大小與方向，這正是SR電動機調速控制的基本原理。
（2）功率變換器
功率變換器是SR電機運行時所需能量的供給者，是連接電源和電機繞組的開關部件，其作用是將電源提供的能量經適當轉換后提供給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關元件。功率變換器的線路有多種形式，并且與開關磁阻電動機的相數、繞組形式（單繞組或雙繞組）有關。
功率變換主電路的結構型式很多，有不對稱半橋型、雙繞組型、電容裂相型、H型、電容轉儲型等。
可以用來構成SRD功率變換器的主開關器件主要有普通晶閘管、大功率晶體管（High-powerTransistors，GTR）、可關斷晶閘管（GateTurn-OffThyristor，GTO）、MOS場效應晶體管（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；另外還與主開關器件本身的開關速度、觸發難易、開關損耗、抗沖擊性、耐用性及市場普及性有關系。
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，但是因為沒有自關斷能力，開關頻率低，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元件。大功率晶體管（GTR）的開關頻率高，具有自關斷能力，在中、小容量的SRD應用廣泛，但其電壓、電流過載能力差，承受浪涌電流的能力差，存在二次擊穿現象，不易保護。
可關斷晶閘管（GTO）在不斷關斷時要求相當大的反向控制電流，關斷控制實現有難度，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關的應用并不廣泛。功率場效應管（MOSFET）是一種單極型的電壓控制器件，具有驅動電路簡單、開關速度快、熱穩定性好等優點，但是容量有限制并且比雙極型功率晶體管通態壓降大，只適用于低電壓、小功率的開關磁阻電機系統中。
絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是80年代出現的新型復合開關器件，具有工作頻率較高，控制實現比較簡單，而且單管的電壓定額與電流定額也已經做得很大，已經可以滿足對本裝置功率器件的要求，因此經綜合考慮選用IGBT作為本系統SRD功率變換器的主開關器件。
（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，通過分析處理，決定控制策略，向功率變換器發出執行命令，控制SR電機運行。控制器由微機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，其作用是及時向控制器提供定、轉子齒極間實際相對位置的信號和轉子運行速度的信號。
開關磁阻電機調速系統的優點理論與實踐表明，與其它電動機調速系統比較，SRD具有如下顯著優點：
（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。
（2）轉矩方向與相電流方向無關。只要控制各相在不同電感區域內的瞬時電流，即能方便地實現四象限運行，無須輔助電力電子開關器件，故可降低系統成本；相電流的單向流動，使得其功率主電路結構簡單。
（3）轉子無繞組，也無永久磁體，定子為集中繞組。比任何傳統類型的電動機都簡單，制造和維護起來也比較方便。中小功率的調速系統具有很高的性價比，其成本低于同功率的異步電機變頻調速系統。
（4）較小的起動電流，可獲得較大起動轉矩，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開關磁阻電機調速系統的應用
我國從80年代初開始進行SR的研究工作，十幾年來國內的一些高等學校和科研院所競相開展研制、開發。起步雖較晚，但發展的速度很快。
（1）在有特殊要求的場所中的應用在要求快速正反轉的一些工業應用中，如紡織印染業，要求電動機反應速度要快，其反應時間不得大于0.3秒，電動機要能長期地、連續地、頻繁地處于正、反轉交替變換的工作狀態，電動機要有能在較寬廣的范圍內無級調速的性能，電動機能長期地在濕、熱的環境中工作。這時候，使用開關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應用中，如化纖行業，開關磁阻調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中的應用開關磁阻調速電動機良好的調速性能、寬廣的調速范圍、比較小的起動電流獲得較大的起動轉矩、對稱的四象限運行特性等一系列突出優點，對于滿足龍門刨主傳動的高技術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
利用開關磁阻調速電動機恒轉矩特性好、動態響應特性好的優點，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提供了一種性價比很高的新動力。
（4）開關磁阻調速電動機在家電行業中的應用
空調、冰箱、洗衣機等家電發展的總趨勢是采用具有現代調速系統的電動機來取代不調速的電動機。這里最具資格的當數無刷直流電動機調速系統和開關磁阻調速電動機系統。而在性價比上開關磁阻調速電動機系統還占有一定的優勢。
（5）在電動車、船驅動控制系統中的應用
開關磁阻調速電動機高效、節能、調速范圍寬、啟、制動特性卓越，顯然是電動車驅動與控制系統的理想動力。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用，其優勢已經明顯凸現出來，國內這方面的研究開發也已取得了顯著的成效。[6]將開關磁阻調速電動機應用于水域的船只驅動上，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用領域。
開關磁阻調速電動機還可以用在其他許多領域，這需要相關人士更多的努力。相信開關磁阻調速電動機技術一旦普及和推廣，一定會取得良好的經濟效益和社會效益。
隨著國內外電氣界深入廣泛的研究，基于DSP的開關磁阻電機調速系統顯示出越來越強大的生命力，相信在它會作為新一代調速系統，有著更加廣闊的發展潛力。
