李 綱

開關磁阻電機調速系統(tǒng)(SRD)是20世紀80年代初隨著電力電子、微電腦和自動控制技術的迅猛發(fā)展而研發(fā)的一種新型調速驅動系統(tǒng)，它兼具交直流調速的優(yōu)點，是繼變頻調速系統(tǒng)、無刷直流電動機調速系統(tǒng)而出現的新一代的無極調速系統(tǒng)［1］。它的結構簡單，定型產品堅固耐用，調速范圍寬，性能優(yōu)異，且在整個調速范圍內具有較高的效率，電能利用率高，損耗小，系統(tǒng)可靠性高。目前，開關磁阻電機已廣泛應用于工業(yè)、航空業(yè)和家用電器等各個領域［2］。

SRD系統(tǒng)在很多性能指標上達到了很高的水平，整個系統(tǒng)的綜合性能指標達到或超過了工業(yè)中長期廣泛應用的一些變速傳動系統(tǒng)。

1 SRD結構及工作原理

開關磁阻電動機調速系統(tǒng)(SRD)是較為復雜的機電一體化裝置，主要是由開關磁阻電動機、功率變換組件、控制器與位置檢測傳感器四部分組成?？刂破靼刂齐娐放c功率變換組件，而檢測轉子相位的位置檢測傳感器則安裝在電機一端。SRD的運行需要在線實時監(jiān)測，所跟蹤的數據有轉子的位置、轉軸的速度及電機各極的電流等，然后根據控制目標綜合這些信息輸出控制指令，實現運行控制及保護等功能。轉子的位置檢測環(huán)節(jié)是SRD的重要部分，檢測到的轉子相位信號是各相主令開關器件正確進行邏輯切換的依據，也為速度控制提供速度反饋信號。SRD電機系統(tǒng)的結構與工作原理示意圖，見圖1。

圖1 SRD電機系統(tǒng)的結構與工作原理示意圖

具體情形則比圖1要復雜，其極對數為4組，且電源為三相電，由控制器根據轉子的具體位置發(fā)出信號，控制四組大功率開關器件依次打開(電機端部內的相位傳感器及碼盤將電機轉子相對定子的位置傳至控制器，由此決定觸發(fā)哪組開關)，則定子的相應電極通電，產生磁力吸引轉子轉動。

2 優(yōu)點

開關磁阻電機的四象限運行，具有電動與制動儲能運行狀態(tài)，稱之為再生能力，所以系統(tǒng)效率較高。理論研究證明，該調速系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點：

1)電機結構簡單堅固，因轉子無繞組，所以制造工藝簡單，成本低廉，可工作于極高轉速;定子堅固耐用，線圈嵌放容易，制作方便，端部短而牢固，其嚴謹的設計結構使得工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強振動的環(huán)境。

2)控制器的工作原理簡單，電路設計思路寬，后續(xù)改進幅度大，較易實現智能化與集成化;其轉矩方向與電流流向無關，從而可最大限度地簡化功率變換裝置，降低系統(tǒng)的制造成本。

3)由控制器根據起動與運行的不同，可以預定控制起動極導通時間，協調各極通電時差，所以可以使電機起動轉矩增大，相對其他起動方式起動電流縮小，30%額定電流對應150%額定轉矩，適用于頻繁起制動和正反轉，特別適合重載起動、頻繁起動的機械設備;低速性能好，沒有感應電動機在起動時所出現的沖擊電流現象，進而震動大幅減小，對電機而言安全系數提高。

4)可實現轉速和轉矩調節(jié)，電動與發(fā)電運行狀態(tài)自動轉換，工作效率高，節(jié)約電能;其損耗主要產生于定子，且溫升較小(主要為機械摩擦升溫、電磁熱升溫與極小的空氣摩擦升溫)，所以電機易于冷卻;其轉子無永磁體，可允許有較高溫升，而不必擔心消磁導致性能降低。

5)速度調節(jié)范圍較寬，控制靈活，易于滿足各種特殊要求的轉矩—速度指標，尤其適合沖擊負載和高速應用。

6)由于整個系統(tǒng)的先進設計使得功率變換器工作時不會出現直通故障，所以無直通短路危險，其主要元器件IGBT不易燒毀，大大提高其可靠性。

7)其具備四象限運行狀態(tài)，較強的再生制動大幅度節(jié)約電能，有利于環(huán)保;其模糊控制使得容錯能力增強，即使某一相故障，電機仍可以轉動，只是其轉矩有所減小。

3 不足

該調速技術是一種比較新型的電機控制方式，與變頻調速相比，存在著一些不足。

1)電機控制只能1拖1，不像交流變頻調速中一臺變頻器可帶動兩臺或多臺電機。

2)只能專機專用，不像交流變頻調速中當變頻器發(fā)生故障時可將電機切換至工頻電源繼續(xù)運行。

3)理論特殊，仍未像其他較成熟的調速技術普及，推廣難度大。交流變頻調速在20世紀60年代時技術上已趨成熟，我國引進的紡織機械中已大量應用，但真正意義上的普及推廣是在40年以后，其原因是要培養(yǎng)教育大批專業(yè)技術人員以開發(fā)新產品、維修與維護。SRD的理論推廣還在初中期，因此，還需要教育培養(yǎng)大量技術人員，不斷完善系統(tǒng)，提高其集成化程度，開發(fā)新產品，培訓售后維護人員。

4 SRD產品的新發(fā)展

4.1 高精度伺服型SRD

目前，國內外相關產品雖不斷更新換代，采用最新的控制芯片，但其控制策略仍是20世紀80年代的技術，即根據位置檢測傳感器提供的相位信號采用電流斬波、電壓脈寬調制和單脈沖控制，因此，其控制的結果總是響應慢、轉矩波動大，很難在50 r/min以下取得良好的實用效果。高精度伺服型產品采用了絕對位置編碼器作為電機的傳感器，將測速信號由原有的每轉幾脈沖至十幾脈沖提高到每轉幾百至幾千脈沖，大大減小了測速反饋時間，提高了控制相應速度［3］。再結合相繞組波形控制技術，改善電源波形，平滑低速轉矩脈動，使其實用的最低轉速達到10 r/min以下，電機的動態(tài)響應時間減少至3 ms，產品最大規(guī)格達315 kW。

4.2 大功率組合式SRD

與交流變頻調速相仿，受電力電子元件容量和價格的限制，SRD向大容量發(fā)展也受到限制。例如，目前國內使用的技術成熟的最大功率SRD產品僅為400 kW。但是如果利用SRD電機的結構特點，把所有繞組分為兩組，則可以用兩臺同功率的控制器同步驅動一臺更大功率的電機，同理，以倍增可以驅動的電機功率［4］。這樣不僅在成熟的控制器技術和一定的電力電子元件條件下實現了2倍、多倍的電機容量，而且，比單機大功率SRD具備下列優(yōu)點。

1)因為控制器為多臺，可以使用降壓變壓器供電，整個系統(tǒng)可以實現高壓調速。

2)由于這種提高控制功率的做法使用了多臺控制器，故在其中一臺故障時可切除，電機輸出功率按比例降低，但電機仍可正常工作，大大提高了系統(tǒng)可靠性。

3)多臺控制器可使用數臺移相變壓器(或1臺多副邊變壓器)供電，實現脈沖整流，改善電網側功率因數，減小諧波危害。

4.3 六相 SRD

根據SRD原理，為減小電機的轉矩脈動，可增加電機相數，但相數增加將使功率電路復雜程度增加，提高SRD系統(tǒng)成本［5］。采用六相12/10極六相電機，見圖2(a)，其繞組連接見圖2(b)，將A1與A2，B1與B2，C1與C2，D1與D2各繞組串接，其功率電路見圖2(c)、圖2(d)。電路中僅采用6只功率開關元件和6只續(xù)流二極管，與通常三相SRD中采用的三相半橋式電路完全一樣，實現既降低轉矩脈動又不增加系統(tǒng)成本的目的。

圖2 六相12/10極電機結構、繞組連接、六相功率電路示意圖

5 效果

與當前廣泛應用的交流變頻調速感應電動機相比，開關磁阻電機在成本、效率、調速性能、單位體積功率、可靠性、散熱性等方面都具有明顯的優(yōu)勢。開關磁阻電機在寬廣的速度和功率范圍內都能保持較高的效率和較高的起動轉矩，這是交流變頻調速感應電動機難以比擬的。

感應電動機要取得與直流電機相近的調速特性需采用復雜的矢量控制系統(tǒng)，而SRD電機通過調整占空比、電壓和電流，可以得到不同負載要求的機械特性，控制簡單靈活，能容易地實現軟啟動和四象限運行，并且由于是純邏輯的控制方式，因此，容易智能化，可通過修改程序軟件調整電機工作特性滿足不同的應用要求。

SRD電機的轉矩波動，可能導致較大的噪聲和振動，這種情況與電機設計和控制的不合理相關，通過優(yōu)化電機設計和控制策略，轉矩的波動和轉動噪音完全可以得到有效抑制。

［1］ 胡崇岳.現代交流調速技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005：18－21.

［2］ 高 超.電牽引采煤機用組合式驅動器［J］.煤礦機電，2006(4)：33－34.

［3］ 畢 偉.開關磁阻電機轉子的角位置和轉速檢測裝置：中國，200720140545.8［P］.2007－07－06.

［4］ 高 超.開關磁阻電動機每相繞組線圈分組驅動裝置：中國，200720170292.9［P］.20017－04－13.

［5］ 高 超.一種六相開關磁阻電動機系統(tǒng)的功率逆變電路：中國，200620119437.8［P］.2006－09－08.