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开关磁阻电机驱动系统发展概况（讲座）

讲座

（一） 开关磁阻电机驱动系统发展概况

Development of Switched Reluctance Drive

摘　　要:

本文介绍了开关磁阻电机驱动系统（Switched Reluctance Drive, SRD）的发展概况、系统构成以及目前的研究热点。

关键词:

开关磁阻电机   研究热点

Abstract:

In this paper, development, construction and research focus of Switched Reluctance Drive were introduced.

Keywords:

Switched Reluctance Motor      Research focus

1 发展简介

开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor,SRM）最早可以追溯到1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机雏形。

到1972年进一步对带半导体开关的小功率电动机（10w～1kw）进行了研究。

1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。

1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司（SRDLtd.），专门进行SRD系统的研究、开发和设计。

1983年英国（SRDLtd.）首先推出了SRD系列产品，该产品命名为OULTON。

1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品。

另外SRDLtd.研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，到1986年已运行500km。

该产品的出现，在电气传动界引起不小的反响。

在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。

下表是当时对几种常用变速传动系统各项主要经济指标所作的比较。

成本 1.0 1.5 1.0

美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家也都开展了SRD系统的研制工作。

在国外的应用中，SRD一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车。

同时高速性能是SRD的一个特长的方向。

据报道，美国为空间技术研制了一个25000r/min、90kW的高速SRD样机。

我国大约在1985年才开始对SRD系统进行研究。

SRD系统的研究已被列入我国中、小型电机“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。

华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出使用SRD的纯电动轿车，在“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。

纺织机械研究所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机，煤矿牵引及电动车辆等，取得了显著的经济效益。

从上世纪90年代国际会议的上有关SRD系统的文章来看，对SRD系统的研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶段。

对SR电机、控制器、功率变换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方面进行了更加深入的研究。

2 SRD系统的特点

SR电机系统具有一些很有特色的优点:

（1）电机结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速;定子线圈嵌放容易，端部尺寸短而牢固。

工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境;

（2）损耗主要产生在定子，电机易于冷却;转子无永磁体高温退磁现象:

可允许有较高的温度;

（3）转矩方向与电流方向无关，因而可简化功率变换器，降低系统成本。

同时功率变换器不会出现直通故障，可靠性高;

（4）起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。

（5）调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性;

（6）在较广的转速和功率范围内具有较高的效率。

能四象限运行，具有较强的再生制动能力;

（7）有很好的容错能力，可以缺相运行。

   这些优点使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机等方面的到广泛的应用。

早期的SRD由于很少考虑电机的噪声，所有的样机或产品都具有相对较大的噪声，以至于成为SRD的一大特点而为人们接受。

同时，SRD还具有很大的转矩脉动。

目前，转矩脉动和噪声这两个突出问题已经制约了SRD的进一步推广和应用。

随着研究的深入，降低SR电机的噪声和减小转矩脉动成了SRD的研究热点。

3 SRD系统构成

   SRD系统主要由四部分组成:

SR电机本体、功率变换器、控制器及位置和电流检测器。

它们之间的关系如图1所示:

图1  开关磁阻电机驱动系统（SRD）框图

 3.1SR电机本体

   SR电机本体是SRD的执行元件，如图2所示开关磁阻电机的电机结构原理图，电机为了增加出力而设计成双凸极结构，转子仅由硅钢叠片叠压而成，既无绕组也无永磁体;定子各极上有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。

其工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因此磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。

若顺序给D-A-B-C-D相绕组通电,则转子便按逆时针方向连续转动起来。

当主开关管S1、S2导通时，A相绕组从直流电源V吸收电能;当S1、S2关断时,绕组电流通过续流二级管D1、D2将剩余的能量回馈给电源。

图2    典型的4相8/6极SRM横截面图

3.2 功率变换器

   功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的功率开关部件。

   80年代初，主开关器件皆用SCR。

鉴于SRD电流脉冲峰值较大，而SCR电流峰值/平均电流比值高，能承受很大的浪涌冲击，一度被视为SRD中最理想的主开关器件。

但SCR无自关断能力，开关频率低，强迫换相电路成本高，可靠性差，构成的SRD总体性能有局限。

后来较多应用GTR，但GTR承受浪涌电流能力差，存在二次击穿问题，不易保护，限制了其在高压、大功率场合下的应用。

   80年代中期，结合了SCR、GTR两者优点的GTO受到重视。

因GTO兼有自关断、快速开关能力，能承受较GTR高的电流、电压。

所以TASCDrives公司的OULTONSRD产品中均用GTO作主开关器件。

   近年来，考虑到GTO在关断时要求相当大的反向控制电流，关断控制实现有难度，国外小功率SRD中常用MOSFET，较大功率则采用IGBT。

功率变换器的拓扑结构与传统逆变器有很大差异，具有多种形式，并且与开关磁阻电动机的相数、绕组连接形式有密切的关系。

其中，最常见的拓扑结构有:

不对称半桥式、直流电源分裂式等。

3.3 控制器

   SR电机的运行离不开控制器，它是实现SR电机自同步运行和发挥优良性能的关键。

它综合位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息，以及外部输入的命令，然后通过分析处理，决定控制策略，向SRD系统的功率变换器发出一系列开关信号，进而控制SR电动机的运行。

   伴随着微电子器件的飞速发展，SR电机的控制系统也从早期的分立模拟器件组成的简单控制系统逐渐发展成为以高性能微控制器为核心的数字化控制系统，相应地专为电机控制设计的高性能数字信号处理器（DSP）给各种高级复杂控制策略的实现提供了可能。

数字控制器由具有较强的信息处理功能的CPU和数字逻辑电路及接口电路等部分组成。

数字控制器的信息处理功能大部分是由软件完成。

因此，软件也是控制器的一个重要组成部分。

软、硬件的配合是否恰当，对控制器的性能将产生重大影响。

3.4 位置、电流检测器

   位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者。

它及时向控制器提供定、转子极间相对位置的信号。

常见的位置检测方案有光敏式、磁敏式及接近开关等含机械的检测方案。

电流检测器向控制器提供SR电机绕组的电流信息，常见的电流检测方案有:

电阻采样、霍尔元件采样和磁敏电阻采样等。

4 SRD系统研究热点

   针对SRD系统的特点，国内外学者正在进行以下几个方面的深入研究。

4.1 功率变换器拓扑结构设计

   由于SRD系统的性能和成本很大程度上取决于功率变换器的性能和成本，因此功率变换器的研究意义重大，目前研究主要集中在功率变换器拓扑结构设计、主开关器件的选择和使用等方面。

SRD系统功率变换器是由一定数量的电力电子器件按照一定的拓扑结构组合而成。

SRD系统功率变换器研究初期，最少量主开关器件的拓扑结构曾是研究的热点，这是因为主开关器件的减少，意味者相应的驱动电路、缓冲电路以及功率损耗等相应减少，因此系统的体积以及成本会全面降低。

随着研究深入，这种观点不再特别突出，主要原因是各种以减少主开关器件数目的拓扑结构在减少主开关器件数目的同时，又引进了其他诸如电容、电感等无源储能元件以及辅助开关器件，系统的体积与成本并未显著降低，其实质只是通过增加单个主开关器件的容量来减少主开关器件的数目。

因此更理想的功率变换器拓扑结构应该为:

（1）能够独立、快速又精确地对SR电机各相相电流进行控制;

（2）磁场储能尽可能地转换为机械能输出，当向电源回馈时应高效、快速;

（3）驱动同等功率等级的SR电机，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量，可以驱动更高功率等级的SR电机;

（4）每相主开关器件数目最少。

4.2 多目标优化控制

   在控制参数的优化方面，根据不同的系统要求，可选取不同的目标函数，如系统的效率最高、平均转矩最大、转矩脉动系数最小等。

由于SRD控制参数多、电机模型复杂，使得优化过程计算量大，而且得到的只是针对单个系统的优化结果。

与传统的电机调速系统相比，SRD系统实现优化控制的难度要高一些。

但是随着各种控制理论在传统电机调速系统中应用的研究日益深入，它们在SRD系统中的应用也逐渐增多。

如采用传统的PI调节器，以斩波电流限为控制变量，实现了SR电机的转速和转矩控制。

一些现代的控制理论和方法在SR电机的控制中也得到了应用，如模糊控制、模糊控制与PI控制结合在一起的混合式调节、滑模控制，自适应控制、线性回馈控制以及人工神经网络控制等。

这些现代控制技术的使用部分解决了SRD系统的非线性多变量强耦合问题，但离实用技术还有一定距离，主要表现在一些控制技术中为设计目的提出的模型太过复杂而难以用于SR电机实时控制，而有的为控制目的提出的模型则过于简单而影响了控制的实际效果，或者因控制参数难于确定而失去实用的价值。

但随着微电子技术和高级控制技术的发展，这些控制技术必将在SRD系统中得到切实应用。

4.3 消除转矩脉动控制

SR电机转矩脉动产生机理较为复杂，受到许多因素的影响，如电机结构、几何尺寸、绕组匝数、转速及控制参数等。

由于SRM的双凸极结构，电磁特性以及开关的非线性影响，采用传统控制策略得到的合成转矩不是一恒定转矩，因而导致了相当大的转矩脉动。

这点限制了SRD在很多直接驱动领域的应用。

提出有效减小转矩脉动的方法具有十分重要的意义。

目前已有很多文献论及这个领域，取得了一定的效果。

4.4 低噪声控制

   针对SR电机本体，噪声是一个非常突出和有待解决的问题。

早期的SRD由于很少考虑电机的噪声，所有的样机或产品都具有相对较大的噪声，以至于成为SRD的一大特点而为人们接受。

随着研究的深入和SR电机应用的日益广泛，降低SR电机的噪声成了一个关键的研究课题。

4.5 无转子位置检测

   位置检测是SR电机同步运行的基础，也是SR电机区别于步进电机的主要方面之一，SR电机的各种高级控制技术都是以高精度的位置检测为首要条件，为了得到良好的性能，SR电机的控制器需要知道转子的位置信息。

目前普遍采用外装光电式或磁敏式等轴位置检测器，这不仅增加了系统的体积和成本，而且降低了系统的可靠性。

为了消除轴位置检测器这一不利因素，无转子位置检测技术成为SR电机研究的一大热点。

参考文献

[1]詹琼华.开关磁阻电动机[M].武汉:

华中理工大学出版社,1992.

[2]王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技[M].机械工业出版社,1995.

讲座

（二）开关磁阻电机驱动系统的运行原理

Principle of Operation for Switched Reluctance Drive System

摘　　要:

本文分别从电路和能量角度简要叙述了开关磁阻电机的电动和发电运行原理。

关键词:

开关磁阻电机   运行原理

Abstract:

Principle of operation for Switched Reluctance Drive system which runs as motor and generator respectively are introduced in brief based on the views of circuit and energy in this paper.

Keywords:

Switched Reluctance Motor      Principle of Operation

1 引言

   开关磁阻电机驱动系统（SwitchedReluctanceDrivesystem,SRD）具有一些很有特色的优点:

电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，启动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率访问内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。

这使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。

   SR电机是一种机电能量转换装置。

根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能—电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能—发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。

本文将从SR电机电动和发电运行这两个角度阐述SR电机的运行原理。

2 电动运行原理

2.1转矩产生原理

   如图1所示，控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令（正转或反转），导通相应的定子相绕组的主开关元件。

对应相绕组中有电流流过，产生磁场;磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。

当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合（平衡位置）时，电磁转矩消失。

此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动;这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行;再根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小，就可使系统在最隹状态下运行。

图1   三相SR电动机剖面图

   从上面的分析可见，电流的方向对转矩没有任何影响，电动机的转向与电流方向无关，而仅取决于相绕组的通电顺序。

若通电顺序改变，则电机的转向也发生改变。

为保证电机能连续地旋转，位置检测器要能及时给出定转子极间相对位置，使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，使SRM能产生所要求的转矩和转速，达到预计的性能要求。

2.2电路分析

   图2中电源Vcc是一直流电源，3个电感分别表示SRM的三相绕组，IGBT1～IGBT6为与绕组相连的可控开关元件，6个二极管为对应相的续流二极管。

当第一相绕组的开关管导通时，电源给第一相励磁，电流的回路（即励磁阶段）是由电源正极→上开关管→绕组→下开关管→电源负极，如图2（a）所示。

开关管关断时，由于绕组是一个电感，根据电工理论，电感的电流不允许突变，此时电流的续流回路（即去磁阶段）是绕组→上续流二极管→电源→下续流二极管→绕组，如图2（b）所示。

图2    SRM电路工作示意图

2.3能量转换关系

   当忽略铁耗和各种附加损耗时，SRM工作时的能量转换过程为:

通电相绕组的电感处在电感上升区域内（转子转向“极对极”位置），当开关管导通时，输入的净电能一部分转化为磁场储能，一部分转化为机械能输出;当开关管关断时，绕组电流通过二极管和电源续流，存储的磁场储能一部分转化为电能回馈电源，另一部分则转化为机械能输出。

2.4SR电动机的运行特性[1][2]

   SR电动机运行速度低于ωfc（第一临界速度）的范围内，为了保证Ψmax和i不超过允许值，采用改变电压、导通角和触发角三者中任一个或任两个，或三者同时配合控制。

当SR电动机在高于ωfc范围运行时，在外加电压、导通角和触发角都一定的条件下，随着转速的增加，磁链和电流将下降，转矩则随着转速的平方下降（如图3中细实线）。

为了得到恒功率特性，必须采用可控条件。

但是外施电压最大值是由电源功率变换器决定的，而导通角又不能无限增加（一般不能超过半个转子极距）。

因此，在电压和导通角都达最大时，能得到的最大功率的最高转速ωsc被称之为“第二临界转速”。

当转速再增加时，由于可控条件都已经达到极限，转矩将随转速的二次方下降，如图3所示。

图3    SR电动机的运行特性

   开关磁阻电机一般运行在恒转矩区和恒功率区。

在这两个区域中，电机的实际运行特性可控。

通过控制条件，可以实现在粗实线以下的任意实际运行特性。

而在串励特性区，电机的可控条件都已达极限，电机的运行特性不再可控，电机呈现自然串励运行特性，故电机一般不会运行在此区域。

   运行时存在着第一、第二两个临界运行点是开关磁阻电机的一个重要特点。

采用不同的可控条件匹配可以得到两个临界点的不同配置，从而得到各种各样所需的机械特性，这就是开关磁阻电动机具有优良调速性能的原因之一。

从设计的观点看，两个临界点的合理配置是保证SR电动机设计合理，满足给定技术指标要求的关键。

   从控制角度看，在上述两个区域采用不同的控制方法，在第一临界转速以下一般采用电流斩波控制方式（CCC方式），在第一、第二临界转速之间采用角度位置控制方式（APC方式）。

3 发电运行原理

3.1开关磁阻发电机（SwitchedReluctanceGenerator）简介

   开关磁阻发电机（SRG）的研究始于20世纪80年代末。

初期它是被用作飞机上的起动/发电机的，所以，又称为SR起动/发电机[4][5][6]。

由于开关磁阻电机在航天飞机中的广阔应用前景，引起了一些国家政府部门和航天企业的高度重视。

1990年美国空军（USAF）、Wright实验室、WPAFB联合与通用电气飞机发动机公司（GeneralElectricaircraftEngine）签约，共同资助GE公司开展开关磁阻组合起动/发电机的研究。

Lucas航空公司（LucasAerospace）也开展了SR起动/发电机的研究，认为SR起动/发电机可以在飞机发动机熄火的紧急情况下，由风力发动机（Windmillingengine）驱动为众多的机载设备提供更加可靠的应急电源。

   我国在SR发电机的领域也开展了相关的研究活动。

其中西北工业大学、西安交通大学在国家“九五”预研基金和国家教委博士点基金的资助下进行SR起动/发电机的相关研究，研制了4kW的SR起动/发电机[3]。

南京航天航空大学也开展了SR发电机的研究工作。

与其它发电机相比，开关磁阻发电机具有独特的结构特点:

（1）结构简单

其定、转子均为简单的叠片式双凸极结构，定子上绕有集中绕组，转子上无绕组及永磁体;

（2）容错能力强

无论从物理方面还是从电磁方面来讲，电机定子各相绕组间都是相互独立的，因而在一相甚至两相故障的情况下，仍然能有一定功率的电能输出;

（3）可以作成很高转速的发电装置，从而达到很高的能流密度。

3.2转矩产生原理

   如图4所示，与电动运行时不同，绕组在转子转离“极对极”位置（即电感下降区）时通电，产生的磁阻性电磁转矩趋使电机回到“极对极”位置，但原动机驱动转子克服电磁转矩继续逆时针旋转。

此时电磁转矩与转子运动方向相反，阻碍转子运动，是阻转转矩性质。

图4   三相SR发电机剖面图

   当转子转到下一相的“极对极”位置时，控制器根据新的位置信息向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则下一相绕组会在转子转离“极对极”位置通电。

这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的阻转转矩，在原动机的拖动下发电。

3.3电路分析

   根据法拉第电磁感应定律“运动导体在磁场中会产生电势”，而SRG转子仅由叠片构成，没有任何带磁性的磁体。

这就需要在SRG发电前有电源提供给SRG励磁，使其内部产生磁场。

所以，SRG的特点是首先要通过定子绕组对电机励磁。

这一点和其它发电机有着很明显的区别。

SRG的工作原理如下:

   图5中电源Vcc是一直流电源，既可以是电池，也可以是直流电机。

三个电感分别表示SRG的三相绕组，IGBT1～IGBT6为与绕组相连的可控开关元件，6个二极管为对应相的续流二极管。

当第一相绕组的开关管导通时（即励磁阶段），电源给第一相励磁，电流的回路是由电源正极→上开关管→绕组→下开关管→电源负极，如图5（a）所示。

开关管关断时，由于绕组是一个电感，根据电工理论，电感的电流不允许突变，电流的续流回路（即发电阶段）是绕组→上续流二极管→电源→下续流二极管→绕组，如图5（b）所示。

3.4能量转换关系

   当忽略铁耗和各种附加损耗时，SRG工作时的能量转换过程为:

通电相绕组的电感处在电感下降区域内（转子转离“极对极”位置），当开关管导通时，输入的净电能转化为磁场储能，同时原动机拖动转子克服SRG产生的与旋转方向相反的转矩对SRG做功使机械能也转化为磁场储能;当开关管关断时，SRG绕组电流续流，磁场储能转化为电能回馈电源，并且机械能也转化为电能给电源充电。

图5    SRG电路工作示意图

3.5SR发电机的运行特性

   SR发电机的运行特性与SR电动机的运行特性类似，只不过将曲线沿速度轴翻转到转矩为负的第四象限，在此不再赘述。

4 结束语

   虽然SRD系统的发展历程仅仅二十余年，但它取得了令人瞩目的成绩。

其产品已在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域得到成功应用，其功率范围也覆盖了从10W到5MW的宽广范围。

它已成为现代调速系统中一支不可忽视的竞争力量。

作为一种结构简单、鲁棒性能好、价格便宜的新型调速系统，开关磁阻电机及其调速系统引起各国电气传动界的广泛关注和浓厚兴趣，在世界范围内，正在形成理论研究和实际应用齐头并进的发展趋势。

参考文献

[1]詹琼华.开关磁阻电动机[M].武汉:

华中理工大学出版社,1992.

[2]王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术[M].北京:

机械工业出版社，1995

[3]刘闯,朱学忠,刘迪吉,立磊.基于微机控制的开关磁阻发电机研究[J].电力电子技术,1999,5:

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[4]RadunAVHighpowerdensityswitchedreluctancemotordriveforaerospaceapplication[J].IEEETransonIA,1992,28

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[5]FerreiraCA,StephenRJ,BarryTDetal.Designandimplementationofafive-hp,switchedreluctance,fuel-lube,pump,motordriveforagasturbineengine[J].IEEETransonPE.1995,10

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[6]ArthurV.Radun,CaioA.Ferreira,EikeRichter.Two-ChannelSwitchedReluctanceSta