开关磁阻电机调速系统.docx

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开关磁阻电机调速系统

开关磁阻电机调速系统

开关磁阻电机调速系统（SwitchedReluctanceDriver，简称SRD）是以现代电力电子与微机控制技术为基础的机电—体化产品。

除了具有显著的节能效果外，开关磁阻电机的理论研究和实践证明，它与常用的三相异步电动机相比还有以下优点:

   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.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；

 3.调速围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩；

 4.在宽广的转速和功率围都具有高效率；

 5.损耗主要产生在定子，电机易于冷却，转子无永磁体，无高温退磁现象；

 6.转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本；

 7.功率变换器不会出现直通故障，可靠性高；

 8.能四象限运作，具有较强的再生制动能力；

开关磁阻电机调速系统（SRD）

开关磁阻电机调速系统（SRD）是当今世界最新、性能价格比最高的调速系统。

它是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。

这项技术一经问世，便以其宽广的调速围，良好的机械特性，卓越的启动制动性能，节能，易维护等一系列突出优点而引起电气及其他行业的关注。

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（或DSP芯片）、电流及位置检测器等五大部分组成。

其组成与特点：

1.1开关磁阻电动机（SwitchedReluctanceMotor,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。

转子仅由硅钢片叠压而成，既无绕组也无永磁体，定子各极上绕有集中绕组。

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。

1.11开关磁阻电动机（SRM）工作原理遵循“磁阻最小原理”，通电后，磁路有向磁阻最小路径变或化的趋势。

当转子凸极与电子凸极错位时，气隙大、磁阻大：

一旦定子磁极绕组通电，就会形成对转子凸起的磁拉力，使气隙变小一一磁路磁阻变小。

与此同时用电子开关按一定逻辑关系切换定子磁极绕组的通电相序，即可形成连续旋转的力矩。

开关磁阻调速电动机的调速功能是由开关磁阻电动机转子位置检测器、功率变换器和控制器（即单片机或DSP芯片）共同配合实.

开关磁阻电动机的发展趋势展望

　　作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机以其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性，愈来愈得到人们的认可和应用。

目前已成功应用于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中，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力竞争者。

　　美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家都开展了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。

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。

　　近年来功率电子技术,数字信号处理技术和控制技术的快速发展，而且随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片（DSP）的出现，利用高性能DSP开发各种复杂算法的间接位置检测技术,无需附加外部硬件电路，大大提高了开关磁阻电机检测的可靠性和适用性,必将更大限度地显示SRD的优越性。

　　90年代进一步以计算机控制的柔性制造系统、主体仓库、机器人进行装配等组合起来，由计算机控制材料、部件的供应管理、达到全厂高效率、高质量的全自动化均衡生产，设计和制造水平不断提高，专用控制芯片和集成功率器件不断被开发出来，开关磁阻电机性能和适用性不断增强。

随着国民经济建设的日益发展，各行各业的机械化、自动化程度越来越高，为开关磁阻电机提供了巨大的潜在市场。

开关磁阻电机调速系统

为开关磁阻电动机的机械特性,至所以说它机械特性好是因启动转矩大于额定转矩的2-3倍。

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。

2、SRD系统的特性 主要表现在：

＊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。

正因为具有以上特点，所以能开发应用的领域相当广泛。

3、开关磁阻电机调速系统（SRD）的应用开关磁阻电机调速系统（SRD）的应用围非常广泛，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及国防军工中得到应用。

如需频繁启动、停止、快速频繁正反转及需在很宽围调速的设备。

如机械行业的龙门刨床、铣床，冶金行业的可逆轧机、飞锯、飞剪、电弧炉的电极升降，科研试验设备、医疗设备、食品、印刷机械、汽车、电力机车及空间技术、家用电器等。

3.1在龙门刨床中的应用龙门刨床是加工大面积金属平面的常见机床，其切削过程为：

横梁和侧刀架在立柱上移动，垂直刀架在横梁上左右移动，工件所在的工作台在导轨上作直线往复运动。

单就工作台的传动电机则要求：

*能频繁快速地实现启动、制动及正反旋转，并能在直线往复运动中自动平稳地变换速度。

*能在≥20的速比围平滑地调速。

*能在工件吃刀后，不低于吃刀前速度的95％。

*在任一速度下换向时，冲击电流限制在允许值。

*工作台在往复换向时切削点过切刀的距离不超过7一Bom，并能实现良好地制动。

过去多采用直流电动机和直流调速系统，虽然在性能上满足了需要，但缺点是：

结构复杂，体积大，操作麻烦，维护量多，效率低，能耗高。

近年来，使用了SRD后，省去了减速器，简化了结构，方便了操作，减少了能耗，降低了成本。

3.2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实现反转，并要求在24小时连续频繁运转，同时要求在较宽广围进行无级调速。

这些功能都是在变频调速系统难以实现的。

3.3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。

3.3.1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；实现全部调速围的高效率，大大减少耗电量。

3.3.2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。

3.4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、宽广的调速围，卓越的启、制动性能，它是各类电动车最理想的动力之一。

除此以还,国外还在下列车辆中开发使用:

电动自行车和电动摩托车、公共汽车、轮椅车、高尔夫球车、割草机、小型电动汽车。

3.5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。

4、结束语虽然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。

开关磁组电动机的优势一

   开关磁组电动机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突起，主要是因为它卓越的系统性能，主要表现在：

   1.电动机结构简单成本低

   2.电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。

SRD的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。

其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组，因此不会有鼠笼感应电机制造过程中铸造不良和使用过程中的断条等问题。

其转子机械强度极高，可以用于超高速运转（如每分钟上万转）。

在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便、绝缘结构简单。

功率电路简单可靠

   3.功率电路简单可靠。

因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方相绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。

对比异步电动机绕组需流过双向电流，向其供电的PWM变频器功率电路每相需两个功率器件。

因此，开关磁阻电动机调速系统较PWM变频器功率电路中所需的功率元件少，电路结构简单。

另外，PWM变频器功率电路中每桥臂两个功率开关管直接跨在直流电源侧，易发生直通短路烧毁功率器件。

而开关磁阻电动机调速系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，根本上避免了直通短路现象。

因此开关磁阻调速电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，即降低了成本，又有较高的工作可靠性。

   4.系统可靠性高。

从电动机的电磁结构上看，各项绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角围产生电磁转矩。

而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个旋转磁场，电动机才能正常运转。

从控制结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般也是相互独立工作。

由此可知，当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相工作，电动机除总输出功率能力有所减小外，并无其他妨碍。

起动转矩大起动电流低

开关磁组电动机的优势二

   5.起动转矩大，起动电流低。

控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。

典型产品的数据是：

起动电流为额定电流的15%时，获得起动转矩为100%的额定转矩；起动电流为额定电流的30%时，起动转矩可达其额定转矩的250%。

而其他调速系统的起动特性与之相比，如直流电机为100%的电流，鼠笼感应电动机为300%的电流，获得100%的转矩。

起动电流小而转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此本系统十分合适那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械。

适用于频繁起停及正反向转换运行

   6.适用于频繁起停及正反向转换运行。

本系统具有的高起动转矩、低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还要小。

可控参数多使其制动运行能与电动运行具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。

二者综合作用的结果必然使之适用于频繁起停及正反向转换运行，次数可达1000次/小时。

可控参数多调速性能好

   7.可控参数多，调速性能好。

控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种：

相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。

可控参数多，意味着控制灵活方便。

可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采取不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态（如出力最大、效率最高等），还可使之实现各种不同的功能的特定曲线。

如使电动机具有完全相同的四象限运行能力，并具有最高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线。

由于SRD速度闭环是必备的，因此系统具有很高的稳速精度，可以很方便的构成无静差调速系统。

效率高损耗小

   8.效率高，损耗小。

本系统是一种非常高效的调速系统。

这是因为一方面电动机绕组无铜损；另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速围和不同负载下实现高效优化控制。

以3kWSRD为例，其系统效率在很宽围都在87%以上，这是其它一些调速系统不容易达到的。

将本系统同PWM变频器鼠笼型异步电动机的系统进行比较，本系统在不同转速和不同负载下的效率均比变频器系统高，一般要高5～10个百分点。

开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。

目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。

当高能量密度和系统效率为关键指标时，开关磁阻电机变为首选对象。

　　SRD开关磁阻电机驱动系统的电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速围效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。

这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。

SRD的最大特点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；另一个缺点是要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。

因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。

其优点主要表现在以下几个方面：

（1）开关磁阻电机不仅效率高，而且在很宽的功率和转速围都能保持高效率，这是其它类型驱动系统难以达到的。

这种特性对电动车的运行情况尤为适合，有利于提高电动车的续驶里程。

（2）开关磁阻电机很容易通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的要求，并且还能在高速运行区域保持强有力的制动能力。

　　（3）开关磁阻电机有很好的散热特性，从而能以小的体积取得较大的输出功率，减小电机体积和重量。

　　（4）通过调整开通角和关断角，开关磁阻电机完全可以达到它激直流电机驱动系统良好的控制特性，而且这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，从而能通过重新编程或替换电路元件，方便地满足不同运行特性的要求。

　　（5）开关磁阻电机无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠，无需或很少需要维护，适用于各种恶劣、高温环境，具有良好的适应性。