开关磁阻电机调速系统及其应用

　　摘要：本文介绍了开关磁阻电机调速系统的发展概况及基本构成,并对开关磁阻电机调速原理进行分析,详细阐述了该系统作为一种新型调速系统的优点及其应用。

　　0 引言

　　开关磁阻电动机调速系统SRD（Switched Reluctance Drive）是继变频调速系统、无换 向器电动机调速系统之后发展起来的一代交流无级调速系统。它具有结构简单、坚固、 成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高等诸多优点，由其构成的传动系统具有交、直流 传动系统所没有的优点。本文主要介绍了开关磁阻电机调速系统的发展概况及基本构成，并 对开关磁阻电机调速原理进行分析，并在对其优缺点的基础上详细阐述了其应用场合与领 域。

　　1 开关磁阻电机调速系统发展概况

　　开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor， SRM 或SR 电机）基本原理早提出在19 世纪40 年代，当时的研究人员认为利用顺序磁拉力使电动机旋转是简单可行的。1842 年， 英国的Aberdeen 和Davidson 制造出了初的SRM 模型，但是因为当时的科技条件落后， 电动机的运行特性很差。以后的100 多年间，开关磁阻电机的发展缓慢。 1975 年，英国 Leeds 大学和Nottingha 大学这2 所大学的研究小组联合参了Chlorid 公司发起的制造蓄电池 车辆驱动装的研究，成功地研制出驱动电动汽车的SRD。1980 年，Leeds 大学的Lawrenson 及其同事总结了自己的研究成果，发表论文“开关磁阻调速电动机”，标志着SR 正式得到 国际承认。1983 年，英国TASC Driv 公司推出第1 台商品化SRD——Oulton 传动置（7.5 kW， 1500 r/min）；1984 年又推出4~kW 4 个规格的系列产品[1]。作为一种性能价格高的新型调速 系统，SRD 的问世不久，引起各界的广泛关注。美国、加拿大等国竞相发展，并在系统一 体化设计、微机应用、电动机电磁分析、功率元件应用、新型结构开发等方面取得了很大进 展。

　　我国对开关磁阻电动机调速系统的研究起步尽管较晚，但是起点较高，在借鉴国外经验 的基础上发展速度较快。我国对开关磁阻电动机调速系统的研究与试制起步于20 世纪80 年代。1988 年在南京召开的届开关磁阻电机研讨会。1992 年，在中国电工技术学会中 小型电机委员会领导下成立了开关磁阻电机学组，以更好地推动开关磁阻电机研究工作 的进展。在借鉴国外经验的基础上，国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽管起步较晚，但是起点较高，研制目标基本都集中在较为成熟的三相或四相控制方案上。一批高等院校、 研究所开展了这项工作，部分重点高校招了多期以开关磁阻电动机调速系统为课题的博士 生、硕士生，取得了从基础理论到设计制造技术多方面成果与进展。迄今为止，已有十余家 单位推出不同性能、不同用途的几十个系列规格产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等行 业的数十种生产机械和交通工具中，开关磁阻电动机调速系统在一些机械中发挥出独有的优 势。

　　2 开关磁阻电机调速系统基本构成

　　开关磁阻电动机调速系统主要由开关磁阻电动机（SRM）、功率变换器、控制器和检测 器组成[2]。如图1 所示：

　　（1）磁阻电机

　　磁阻电机是SRD 系统的执行元件。一般采用凸极定子和凸极转子，即双凸极结构，并 且定、转子齿极数（简称极数）不相等，定子装有集中绕组，直径方向相对的两个绕组串联 成为“一相”；转子由叠片构成，没有绕组、换向器、集电环等。SR 电机可做成单相、两相、 三相、四相和多相，相数越多，性能越好，但结构复杂，主开关器件多，成本较高，故相数 不宜太多。[1]图2 所示为一台4 相8/6 极SR 电机示意图。定子有8 个齿，转子有6 个齿。 每个定子齿上绕有一个线圈，其中径向相对的两个极的线圈串联构成一相绕组，共有4 组绕 组，转子上无绕组。

　　SR 电动机的运行原理遵循“磁阻原理”——磁通总要沿着磁阻的路径闭合， 而具有一定形状的铁心在移动到磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。在 图2 中，当定子D-D′极励磁时， 1-1′向定子轴线D-D′重合的位置转动，并使D 相励磁绕组 的电感以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给D→A→B→C 相绕组通电， 转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给B→A→D→C 相通电，则 电动机即会沿顺时针方转动。可见， SR 电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取于 相绕组通电的顺序[3]。

　　另外，当主开关器件S2 导通时， A 相绕组从直流电源U 吸收电能，而当S1、S2 关断， 绕组电流经续流二极管VD1、VD2 继续流通，并回馈给电源U。此， SR 电动机传动的共 性特点是具有再生作用，系统效率高。

　　通过控制加到SR 电动机绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置（即导通角、关断角），即可控制SR 电机转矩的大小与方向，这正是SR 电动机调速控制的基本原理。

　　（2）功率变换器

　　功率变换器是SR 电机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电机绕组的开关部件， 其作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给SRM，由蓄电池或交流电整流后得到的直 流电供电。因此，它包括蓄电池或整流器所形成的直流电源和开关元件。功率变换器的线路 有多种形式，并且与开关磁阻电动机的相数、绕组形式（单绕组或双绕组）有关[4]。

　　功率变换主电路的结构型式很多，有不对称半桥型、双绕组型、电容裂相型、H 型、电 容转储型等。

　　可以用来构成SRD 功率变换器的主开关器件主要有普通晶闸管、大功率晶体管 （High-power Transistors，GTR）、可关断晶闸管（Gate Turn-Off Thyristor，GTO）、MOS 场效应晶体管（MOS Field-effect Transistor，MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistors，IGBT）。电动机功率变换器主开关器件的选择与电动机的功率等级、供 电电压、峰值电流、成本等有关；另外还与主开关器件本身的开关速度、触发难易、开关损 耗、抗冲击性、耐用性及市场普及性有关系。

　　普通晶闸管是使用时间长、伏安容量，并且价格比较便宜，但是因为没有自关断 能力，开关频率低，强迫换相电路成本高、可靠性差，故不适宜做功率电路中开关元件。 大功率晶体管（GTR）的开关频率高，具有自关断能力，在中、小容量的SRD 应用广 泛，但其电压、电流过载能力差，承受浪涌电流的能力差，存在二次击穿现象，不易保护。

　　可关断晶闸管（GTO）在不断关断时要求相当大的反向控制电流，关断控制实现有难度， 并存在管压降比普通晶闸管高等不足，因此作为功率电路的开关的应用并不广泛。 功率场效应管（MOSFET）是一种单极型的电压控制器件，具有驱动电路简单、开关速 度快、热稳定性好等优点，但是容量有限制并且比双极型功率晶体管通态压降大，只适用于 低电压、小功率的开关磁阻电机系统中。

　　绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是80 年代出现的新型复合开关器件，具有工作频率较高， 控制实现比较简单，而且单管的电压定额与电流定额也已经做得很大，已经可以满足对本装 置功率器件的要求，因此经综合考虑选用IGBT 作为本系统SRD 功率变换器的主开关器件。

　　（3）控制器

　　控制器是SRD 系统的大脑。它综合位置检测器、电流检测器所提供的电机转子位置、 速度和电流等反馈信息及外部输人的命令，通过分析处理，决定控制策略，向功率变换器发 出执行命令，控制SR 电机运行。控制器由微机或数字逻辑电路及接口电路等构成。

　　（4）位置检测器

　　位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者，其作用是及时向控制器提供定、转子齿 极间实际相对位置的信号和转子运行速度的信号。

　　3 开关磁阻电机调速系统的优点 理论与实践表明[4]，与其它电动机调速系统比较，SRD 具有如下显著优点：

　　（1）SR 电机坚固、简单、成本低，适于高速运行，特别适用于煤矿井下、纺织等行业。

　　（2）转矩方向与相电流方向无关。只要控制各相在不同电感区域内的瞬时电流，即能 方便地实现四象限运行，无须辅助电力电子开关器件，故可降低系统成本；相电流的单向流 动，使得其功率主电路结构简单。

　　（3）转子无绕组，也无磁体，定子为集中绕组。比任何传统类型的电动机都简单， 制造和维护起来也比较方便。中小功率的调速系统具有很高的性价比，其成本低于同功率的 异步电机变频调速系统。

　　（4）较小的起动电流，可获得较大起动转矩，在宽广的转速和功率范围内均具有高输 出和高效率。

　　（5）控制参数多，控制方式灵活。

　　4 开关磁阻电机调速系统的应用

　　我国从80 年代初开始进行SR 的研究工作，十几年来国内的一些高等学校和科研院所 竞相开展研制、开发。起步虽较晚，但发展的速度很快。

　　（1）在有特殊要求的场所中的应用 在要求快速正反转的一些工业应用中，如纺织印染业，要求电动机反应速度要快，其反 应时间不得大于0.3 秒，电动机要能长期地、连续地、频繁地处于正、反转交替变换的工作 状态，电动机要有能在较宽广的范围内无级调速的性能，电动机能长期地在湿、热的环境中 工作。这时候，使用开关磁阻电机能收到意想不到的良好效果。 还有在要求转速高度稳定的一些工业应用中，如化纤行业，开关磁阻调速电动机具有良 好的同步性能，而且不存在电刷磨损（如直流电动机）或恒磁体退化（如永磁同步电动机） 的问题，可长期可靠工作。

　　（2）在龙门刨床主传动系统中的应用 开关磁阻调速电动机良好的调速性能、宽广的调速范围、比较小的起动电流获得较大的 起动转矩、对称的四象限运行特性等一系列突出优点，对于满足龙门刨主传动的高技术要求 提供了完全的可行性。[5]

　　（3）在数控机床主轴直驱系统中的应用

　　利用开关磁阻调速电动机恒转矩特性好、动态响应特性好的优点，将其应用于数控机床 主轴直驱系统，取得了成功。这为我国普及型小型数控机床的主轴驱动提供了一种性价比很 高的新动力。

　　（4） 开关磁阻调速电动机在家电行业中的应用

　　空调、冰箱、洗衣机等家电发展的总趋势是采用具有现代调速系统的电动机来取代不调 速的电动机。这里资格的当数无刷直流电动机调速系统和开关磁阻调速电动机系统。而 在性价比上开关磁阻调速电动机系统还占有一定的优势。

　　（5）在电动车、船驱动控制系统中的应用

　　开关磁阻调速电动机高效、节能、调速范围宽、启、制动特性卓越，显然是电动车驱动 与控制系统的理想动力。国外已将SRD 在电瓶车、铲车、无轨电车、电动轿车、城市轻轨 列车等方面进行广泛应用，其优势已经明显凸现出来，国内这方面的研究开发也已取得了显 著的成效。[6] 将开关磁阻调速电动机应用于水域的船只驱动上，可以避免机油、汽油、柴油对水域的 污染，还可以大大减少噪声污染，这同样是一个很有前途的应用领域。

　　开关磁阻调速电动机还可以用在其他许多领域，这需要相关人士更多的努力。相信开关 磁阻调速电动机技术一旦普及和推广，一定会取得良好的经济效益和社会效益。

　　5 结束语

　　随着国内外电气界深入广泛的研究，基于DSP 的开关磁阻电机调速系统显示出越来越 强大的生命力，相信在它会作为新一代调速系统，有着更加广阔的发展潜力。

　　本文作者创新点：本文对开关磁阻电机调速系统的发展进行梳理，并对开关磁阻电机调 速原理进行分析，阐述了该系统作为一种新型调速系统的优点及其应用。