新型开关磁阻电机调速系统的特点与应用

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本文作者：艾伦电气自动化技术有限公司 吴星华
开关磁阻电机调速系统的特点开关磁阻电机调速系统是近几十年来发展较快的变频调速电动机,它的发展是随着大功率电子器件及大规模专用集成电路、控制技术、电力电子技术及单片机的发展与应用，一种基于改变供电电源频率的调速方式 — 交流变频调速系统应运而生。而开关磁阻电机调速系统(又称开关磁阻电机驱动系统)简称SRD系统,是它们中崭新的一种系统,并且已经是智能化和模块化,不仅调速性优越，而且各种保护功能也很完善，已在很多方面大量使用。从图1中可以看出SRD系统是磁阻电动机和电力电子技术相结合而产生的一种机电一体化装置,主要由SRM开关磁阻电动机、功率变换器、单片机、电流及位置检测器等五大部分组成。
其特点： ◆ 开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor,简称SRM) 是系统中实现能量转换的部件, 它与传统的磁阻电动机相比，具有本质的区别。在结构上，SRM采用双凸极形式，即定子、转子均为凸极式构造 ；定子线圈采用集中式而不是分布式绕组 ；加在定子绕组上的电压为不连续的矩形波而非连续的正弦波。图2所示为8/6极（定子八极、转子六极）四相SRM剖面图。SRM有两种独特的运行方式 ：低速时采用电流斩波方式 ；高速时采用单脉冲角度控制方式。在电流斩波方式中，系统是通过调节相绕组电流的大小来控制转矩，因此能准确知道绕组中实际电流的大小，对电流进行反馈是很必要的；在角度位置控制方式中，系统通过调节触发角和关断角来实现对转矩的控制，此时电流己不再作为控制量，但为了防止系统过载或故障则要进行过流保护，所以系统中需要进行电流检测。
◆ 功率变换器是开关磁阻电动机(运行时所需能量的提供者，是连接电源和电动机绕组的开关部件。通过它将电源能量馈入电机，也可将电机内的磁场储能反馈回电源,其功率变换电路所用的开关部件为快速绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。 理论与实践证明 ：SRD系统在单位体积转矩值、效率、逆变器伏安容量及其性能参数上，可与目前的变频调速系统竞争。该机种在转矩/转动惯量的比值上占有较大的优势，特别是两种临界转速的，使可变范围广，可控因素多，是一种较理想的新型调速系统。

值此需要特别指出,它与众不同的是，SRD系统很容易通过改变电动机的工作方式和控制参数实现不同的性能特点和满足特殊的性能指标，尤其当采用单片机或DSP单片可编程微处理器芯片为控制核心时，往往只需通过修改软件，便能满足用户许多不同的性能要求。

随着科技能力的不断进步，以及半导体集成控制技术水平的提高，SRD系统已有了系列化产品，其多种中小功率SRD系统在不同的工业部门和家用电器中得到应用。 SRD系统的特性主要特点
● 启动电流小(≤30%额定电流)，启动转矩大，大于额定转矩的2-3倍；
● 调速范围广；调速比大于20:1，调速平滑无极；
● 负载特性好；稳定精度高，在负载大小变化时，转速保持不变其稳速精度≤正负0.5%；
● 系统效率高，从低速、中速到高速，系统效率均达到85%以上；
● 机械结构牢固，可免维护运行；
● 具有启动时低电流、大转矩的特性，其电动机和控制 图1 ： 开关磁阻电动机调速系统 器在启动过程中电流冲击小，发热较连续额定运转时还小；
● 在制动运行和电动运转时，同样具有优良的转矩输出能力和工作特性。因此，适用于频繁启动或频繁正反转运行的场合，转换频率可达1000次/ｈ。真因为具有以上特点，所以能开发应用的领域相当广泛。

开关磁阻电机调速系统的应用随着科技能力的不断进步，以及半导体集成控制技术水平的提高，SRD系统已有了系列化产品，其多种功率SRD系统在不同的工业部门和家用电器中得到应用。
◆ 用于龙门创床：工业上需要电动机能频繁启、停及正反转，只有开关磁阻调速电动机能较好的实现。如机械工业中龙门刨床、铣床、治金行业的可逆轧机、飞锯、飞剪、电弧炉的电极升降系统，建设工程中的沥青、水泥混凝土冷料级配系统等等。为了满足对电气传动的苛刻要求，获得较好的静态与动态指示，过去或传统技术,只能采用直流电动机作为工作台的拖动电机，并与电机放大机、直流发电机组成直流调速系统，虽则这样的系统基本可满足需求，但存在结构笨重复杂、占地面积大、用材多、操作使用与保养维修困难、效率低、耗电量大等一系列缺点和不足。
◆ 用于纺织“探边”设备：经过纺织行业的“探边” 与“对中”设备的实践使用，取得了较好的效果。对作为“探边”设备的动力，其反应速度小于0.3s，即电动机运转时，接到指令后，能在0.3s内实现反转，并要求在24小时内连续频繁运转，同时要求在较宽广范围内进行无级调速。这些功能都是在变频调速系统难以实现的。
◆ 用于家用电器: 将克服当今洗衣机和空调机、电冰箱的缺陷，成为更完善新一代产品。目前世界上使用面广的现代洗衣机主要有二大类 ：一是波轮式全自动洗衣机，二是滚筒式全自动洗衣机。这两类洗衣机对电动机有共同的性能要求 ：即洗涤时要电机低速旋转，且能适应频繁正反转；脱水时要电机高速旋转。为此，它们均采用一种2极/16极变极双速单相异步电动机，勉强达到使用要求，但存在着调速性能差与效率低(一般均在30%以下)、启动电流大(特别是作频繁正反转洗涤状况时竟达到额定电流的7-8倍以上)。 而采用SRD系统代替原2极/16极变极双速单相异步电动机,则可以克服上述缺陷。因SRD系统有宽广的调速范围，可以使“洗涤”与“脱水”均工作在最佳的转速上; SRD系统良好的启动性能可消除洗涤过程中启动电流对电网的冲击，使冼涤、换向平稳无噪声; 实现全部调速范围的高效率，大大减少耗电量。

空调、电冰箱的核心部件都是压缩机，大都是由单相异步电动机带动压缩机，作二位置式的通断控温，因而系统效率与功率因数均低，并且温度的起伏范围大。况且启动时因电流大对电网有严重的冲击。虽则近年来有“变频空调”新产品，它采用异步电动变频调速系统取代单相异步电机空调机并获得了制冷速度快、运行噪音小，效率高，节能等一系优越性，但由于变频调速系统通常运 图2：四相SRM剖面示意图 行在中、低速时，机械特性差，系统效率和功率因素下降明显。而变频空调系统的压缩机电机恰恰大多数时间运行在中、低速，仅在刚刚开启才会运行在高速，所以这给变频空调的节能优越性大大地打了个折扣。反之SRD系统具有优良的调速性能，有更高的电能机械能转换效率，特别是在中低速时，优势尤为突出。从而能有效的克服了变频调速系统的弊端，使节能更为有效。一般情况下,空调均是高耗能型家电，如果能节5%能以上，必将会获得较大的经济与社会效益。

◆ 在电动车与驱动上的应用：由于燃油汽车废气严重污染环境，故发展和完善无污染的电动车是社会的必然. 而发展电动车除了随车的蓄电池要有高能量密封之外，再则就是要有性能和效率很优越的电动机调速系统作动力。而SRD系统高效率、高可靠性、宽广的调速范围，卓越的启、制动性能，它是各类电动车最理想的动力之一。据有关资料报道，以为动力的城市内使用的轻轨电动车列车将列入我国“十五”重大科技攻关项目。
◆ 高速运行应用场合的开发 ：由于SRM电动机具有坚固性和需要相对低的开关频,所以在叠片性能和轴承满足的条件下可作高速传动与运行，为此，作为开发高速SRD系统又是一个应用方向。据有关资料，美国为空间技术应用研制了25000r/min、90Kw的高速SRD样机，其电动机有效材料仅为10Kg。

虽然SRD系统系统在我国出现较晚，产业化工作滞后，它的特点目前尚未被广大用户所了解，但由于SRD系统具有十分优良的控制性能，从而使得某些领域可取代现在仍广泛采用的交流变频调速系统，特别是在一些现有调速系统难以胜任的场所，发挥作用。为此，可以肯定开关磁阻电动机调速系统可望在21世纪尽显光彩。

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