開關(guān)磁阻電動機(jī)的系統(tǒng)理論研究

開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電動機(jī)(SRM)、功率變換器、控制器、轉(zhuǎn)子位置檢測器四大部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1?？刂破鲀?nèi)包含控制電路與功率變換器，而轉(zhuǎn)子位置檢測器則安裝在電機(jī)的一端，電動機(jī)與國產(chǎn)Y系列感應(yīng)電動機(jī)同功率同機(jī)座號同外形。

圖1 SRM系統(tǒng)框圖

開關(guān)磁組電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)之所以能在現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)中異軍突起，主要是因為它卓越的系統(tǒng)性能，主要表現(xiàn)在:

結(jié)構(gòu)簡單;電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。SRD的結(jié)構(gòu)比鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)還要簡單。其突出的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組，因此不會有鼠籠感應(yīng)電機(jī)制造過程中鑄造不良和使用過程中的斷條等問題。其轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度極高，可以用于超高速運(yùn)轉(zhuǎn)(如每分鐘上萬轉(zhuǎn))。在定子方面，它只有幾個集中繞組，因此制造簡便、絕緣結(jié)構(gòu)簡單。

電路可靠;功率電路簡單可靠。因為電動機(jī)轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流方向無關(guān)，即只需單方相繞組電流，故功率電路可以做到每相一個功率開關(guān)。對比異步電動機(jī)繞組需流過雙向電流，向其供電的PWM變頻器功率電路每相需兩個功率器件。因此，開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)較PWM變頻器功率電路中所需的功率元件少，電路結(jié)構(gòu)簡單。另外，PWM變頻器功率電路中每橋臂兩個功率開關(guān)管直接跨在直流電源側(cè)，易發(fā)生直通短路燒毀功率器件。而開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中每個功率開關(guān)器件均直接與電動機(jī)繞組相串聯(lián)，根本上避免了直通短路現(xiàn)象。因此開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中功率電路的保護(hù)電路可以簡化，即降低了成本，又有較高的工作可靠性。

系統(tǒng)可靠性高;系統(tǒng)可靠性高。從電動機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)上看，各項繞組和磁路相互獨(dú)立，各自在一定軸角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。而不像在一般電動機(jī)中必須在各相繞組和磁路共同作用下產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，電動機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。從控制結(jié)構(gòu)上看，各相電路各自給一相繞組供電，一般也是相互獨(dú)立工作。由此可知，當(dāng)電動機(jī)一相繞組或控制器一相電路發(fā)生故障時，只需停止該相工作，電動機(jī)除總輸出功率能力有所減小外，并無其他妨礙。

起動優(yōu)點(diǎn);起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流低。控制器從電源側(cè)吸收較少的電流，在電機(jī)側(cè)得到較大的起動轉(zhuǎn)矩是本系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。典型產(chǎn)品的數(shù)據(jù)是:起動電流為額定電流的15%時，獲得起動轉(zhuǎn)矩為100%的額定轉(zhuǎn)矩;起動電流為額定電流的30%時，起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)其額定轉(zhuǎn)矩的250%。而其他調(diào)速系統(tǒng)的起動特性與之相比，如直流電機(jī)為100%的電流，鼠籠感應(yīng)電動機(jī)為300%的電流，獲得100%的轉(zhuǎn)矩。起動電流小而轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)還可以延伸到低速運(yùn)行段，因此本系統(tǒng)十分合適那些需要重載起動和較長時間低速重載運(yùn)行的機(jī)械。

頻繁起停;適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)換運(yùn)行。本系統(tǒng)具有的高起動轉(zhuǎn)矩、低起動電流的特點(diǎn)，使之在起動過程中電流沖擊小，電動機(jī)和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定運(yùn)行時還要小?？煽貐?shù)多使其制動運(yùn)行能與電動運(yùn)行具有同樣優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩輸出能力和工作特性。二者綜合作用的結(jié)果必然使之適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)換運(yùn)行，次數(shù)可達(dá)1000次/小時。

性能好;可控參數(shù)多，調(diào)速性能好。控制開關(guān)磁阻電動機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)和常用方法至少有四種:相導(dǎo)通角、相關(guān)斷角、相電流幅值、相繞組電壓?？煽貐?shù)多，意味著控制靈活方便?？梢愿鶕?jù)對電動機(jī)的運(yùn)行要求和電動機(jī)的情況，采取不同控制方法和參數(shù)值，即可使之運(yùn)行于最佳狀態(tài)(如出力最大、效率最高等)，還可使之實現(xiàn)各種不同的功能的特定曲線。如使電動機(jī)具有完全相同的四象限運(yùn)行能力，并具有最高起動轉(zhuǎn)矩和串勵電動機(jī)的負(fù)載能力曲線。由于SRD速度閉環(huán)是必備的，因此系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)速精度，可以很方便的構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)。

效率高損耗小;效率高，損耗小。本系統(tǒng)是一種非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。這是因為一方面電動機(jī)繞組無銅損;另一方面電動機(jī)可控參數(shù)多，靈活方便，易于在寬轉(zhuǎn)速范圍和不同負(fù)載下實現(xiàn)高效優(yōu)化控制。以3kW SRD為例，其系統(tǒng)效率在很寬范圍內(nèi)都在87%以上，這是其它一些調(diào)速系統(tǒng)不容易達(dá)到的。將本系統(tǒng)同PWM變頻器鼠籠型異步電動機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行比較，本系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)載下的效率均比變頻器系統(tǒng)高，一般要高5~10個百分點(diǎn)。

滿足各種要求;可通過機(jī)和電的統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計滿足各種特殊使用要求。

開關(guān)磁阻電動機(jī)傳動系統(tǒng)綜合了感應(yīng)電動機(jī)傳動系統(tǒng)和直流電動汽車電機(jī)傳動系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，是這些傳動系統(tǒng)的有力競爭者，其主要優(yōu)點(diǎn)如下:

1、開關(guān)磁阻電動機(jī)有較大的電動機(jī)利用系數(shù)，可以是感應(yīng)電動機(jī)利用系數(shù)的1.2~1.4倍。

2、電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組;定子上只有簡單的集中繞組，端部較短，沒有相間跨接線。因此，具有制造工序少、成本低、工作可靠、維修量小等特點(diǎn)。

3、開關(guān)磁阻電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流極性無關(guān)，只需要單向的電流激勵，理想上公率變換電路中每相可以只用一個開關(guān)元件，且與電動機(jī)繞組串聯(lián)，不會像PWM逆變器電源那樣，存在兩個開關(guān)元件直通的危險。所以，開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)SED線路簡單，可靠性高，成本低于PWM交流調(diào)速系統(tǒng)。

4、開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式對轉(zhuǎn)速限制小，可制成高轉(zhuǎn)速電動機(jī)，而且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小，在電流每次換相時又可以隨時改變相匝轉(zhuǎn)矩的大小和方向，因而系統(tǒng)有良好的動態(tài)響應(yīng)。

5、SRD系統(tǒng)可以通過對電流的導(dǎo)通、斷開和對幅值的控制，得到滿足不同負(fù)載要求的機(jī)械特性，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動和四象限運(yùn)行等功能，控制靈活。又由于SRD系統(tǒng)是自同步系統(tǒng)運(yùn)行，不會像變頻供電的感應(yīng)電動機(jī)那樣在低頻時出現(xiàn)不穩(wěn)定和振蕩問題。

6、由于SR開關(guān)磁阻電動機(jī)采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法以及相應(yīng)的控制技巧，其單位處理可以與感應(yīng)電動機(jī)相媲美，甚至還略占優(yōu)勢。SRD系統(tǒng)的效率和功率密度在寬廣的速度和負(fù)載范圍內(nèi)都可以維持在教導(dǎo)水平。

開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)SRD系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是:

1、有轉(zhuǎn)矩脈動。從工作原理可知，S開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由一些列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成的，由于雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路飽和非線性的影響，合成轉(zhuǎn)矩不是一個恒定轉(zhuǎn)矩，而有一定的諧波分量，這影響了SR電動機(jī)低速運(yùn)行性能。

2、SR電動機(jī)傳動系統(tǒng)的噪聲與震動比一般電動機(jī)大。

3、SR電動機(jī)的出線頭較多，如三相SR 電動機(jī)至少有四根出線頭，四相SR電動機(jī)至少有五根出線頭，而且還有位置檢測器出線端。

上述缺點(diǎn)通過對電動汽車電機(jī)進(jìn)行精心設(shè)計，采取適當(dāng)措施，并從控制角度考慮采用合理策略可以得到改進(jìn)。