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開關磁阻電動機

開關磁阻電動機

發布日期:2015-02-02 00:00 來源: 點擊:

一、開關磁阻電動機簡要

  開關磁阻電動機(Switched Reluctance Drive :SRD)是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统,是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。 英、美等经济发达国家对開關磁阻電動機调速系统的研究起步较早,并已取得显著效果,男人的天堂功率等级从数w直到数百kw,广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。

二、開關磁阻電動機简介

  開關磁阻電機是一種新型調速電機,調速系統兼具直流、交流兩類調速系統的優點,是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統的最新一代無極調速系統。它的結構簡單堅固,調速範圍寬,調速性能優異,且在整個調速範圍內都具有較高效率,系統可靠性高。主要有開關磁阻電機、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。控制器内包含功率变换器和控制电路,而转子位置检测器则安装在电机的一端。现如今,開關磁阻電機的应用和发展取得了明显的进步,已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域,功率范围从10W到5MW,最大速度高达100,000r/min。

三、開關磁阻電動機通用系列

  我国对開關磁阻電動機调速系统的研究与试制起步于20世纪80年代末90年代初,取得了从基础理论到设计制造技术多方面的成果与进展,但产业化及应用性研究工作相对滞后。由于SRD的产业化,人们通常将其男人的天堂称为“开关磁阻调速电动机”。

四、開關磁阻電動機SRD系統

  開關磁阻電動機调速系统主要由開關磁阻電動機(SRM)、功率变换器、控制器、转子位置检测器四大部分组成,系统框图如图1。控制器内包含控制电路与功率变换器,而转子位置检测器则安装在电机的一端,电动机与国产Y系列感应电动机同功率同机座号同外形。

五、開關磁阻電動機工作原理

  開關磁阻電動機调速系统所用的開關磁阻電動機(SRM)是SRD中实现机电能量转换的部件,也是SRD有别于其他电动机驱动系统的主要标志。SRM系双凸极可变磁阻电动机,其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体,定子极上绕有集中绕组,径向相对的两个绕组联接起来,称为“一相”,SR电动机可以设计成多种不同相数结构,且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数多、步距角小,有利于减少转矩脉动,但结构复杂,且主开关器件多,成本高,现今应用较多的是四相(8/6)结构和三相(12/8)结构。

  图1示出四相(8/6)结构SR电动机原理图。为简单计,图中只画出A相绕组及其供电电路。SR电动机的运行原理遵循“磁阻最小原理”— ‘磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合,而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时,必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。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相励磁绕组的电感最大。若以图中定、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向转动。可见,SR电动机的转向与相绕组的电流方向无关,而仅取决于相绕组通电的顺序。另外,从图2可以看出,当主开关器件S1、S2导通时,A相绕组从直流电源US吸收电能,而当S1、S2关断时,绕组电流经续流二极管VD1、VD2继续流通,并回馈给电源US。因此,SR电动机传动的共性特点是具有再生作用,系统效率高。

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图1 四相8/6级開關磁阻電動機典型结构(只画出一相)

  由此可見,通過控制加到SR電動機繞組中電流脈沖的幅值、寬度及其與轉子的相對位置(即導通角、關斷角),即可控制SR電動機轉矩的大小與方向,這正是SR電動機調速控制的基本原理。

六、開關磁阻電動機系统特点

  開關磁組電動機調速系統之所以能在現代調速系統中異軍突起,主要是因爲它卓越的系統性能,主要表現在:

  1、結構簡單:電動機結構簡單、成本低、可用于高速運轉。SRD的結構比鼠籠式感應電動機還要簡單。其突出的優點是轉子上沒有任何形式的繞組,因此不會有鼠籠感應電機制造過程中鑄造不良和使用過程中的斷條等問題。其轉子機械強度極高,可以用于超高速運轉(如每分鍾上萬轉)。在定子方面,它只有幾個集中繞組,因此制造簡便、絕緣結構簡單。

  2、電路可靠: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,開關磁阻電動機调速系统较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。而開關磁阻電動機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。

  3、系統可靠性高:系統可靠性高。從電動機的電磁結構上看,各項繞組和磁路相互獨立,各自在一定軸角範圍內産生電磁轉矩。而不像在一般電動機中必須在各相繞組和磁路共同作用下産生一個旋轉磁場,電動機才能正常運轉。從控制結構上看,各相電路各自給一相繞組供電,一般也是相互獨立工作。由此可知,當電動機一相繞組或控制器一相電路發生故障時,只需停止該相工作,電動機除總輸出功率能力有所減小外,並無其他妨礙。

  4、起動優點:起動轉矩大,起動電流低。控制器從電源側吸收較少的電流,在電機側得到較大的起動轉矩是本系統的一大特點。典型男人的天堂的數據是:起動電流爲額定電流的15%時,獲得起動轉矩爲100%的額定轉矩;起動電流爲額定電流的30%時,起動轉矩可達其額定轉矩的250%。而其他調速系統的起動特性與之相比,如直流電機爲100%的電流,鼠籠感應電動機爲300%的電流,獲得100%的轉矩。起動電流小而轉矩大的優點還可以延伸到低速運行段,因此本系統十分合適那些需要重載起動和較長時間低速重載運行的機械。

  5、頻繁起停:適用于頻繁起停及正反向轉換運行。本系統具有的高起動轉矩、低起動電流的特點,使之在起動過程中電流沖擊小,電動機和控制器發熱較連續額定運行時還要小。可控參數多使其制動運行能與電動運行具有同樣優良的轉矩輸出能力和工作特性。二者綜合作用的結果必然使之適用于頻繁起停及正反向轉換運行,次數可達1000次/小時。

  6、性能好:可控参数多,调速性能好。控制開關磁阻電動機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。

  7、效率高損耗小: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,易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。以3kW SRD为例,其系统效率在很宽范围内都在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。

  滿足各種要求;可通過機和電的統一協調設計滿足各種特殊使用要求。

七、男人的天堂優缺點

  開關磁阻電動機传动系统综合了感应电动机传动系统和直流电动汽车电机传动系统的优点,是这些传动系统的有力竞争者,其主要优点如下:

  1、開關磁阻電動機有较大的电动机利用系数,可以是感应电动机利用系数的1.2~1.4倍。

  2、電動機的結構簡單,轉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。

  3、開關磁阻電動機的转矩与电流极性无关,只需要单向的电流激励,理想上公率变换电路中每相可以只用一个开关元件,且与电动机绕组串联,不会像PWM逆变器电源那样,存在两个开关元件直通的危险。所以,開關磁阻電動機驱动系统SED线路简单,可靠性高,成本低于PWM交流调速系统。

  4、開關磁阻電動機转子的结构形式对转速限制小,可制成高转速电动机,而且转子的转动惯量小,在电流每次换相时又可以随时改变相匝转矩的大小和方向,因而系统有良好的动态响应。

  5、SRD系統可以通过对电流的导通、断开和对幅值的控制,得到满足不同负载要求的机械特性,易于实现系统的软启动和四象限运行等功能,控制灵活。又由于SRD系統是自同步系统运行,不会像变频供电的感应电动机那样在低频时出现不稳定和振荡问题。

  6、由于SR開關磁阻電動機采用了独特的结构和设计方法以及相应的控制技巧,其单位处理可以与感应电动机相媲美,甚至还略占优势。SRD系統的效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都可以维持在教导水平。

  開關磁阻電動機驱动系统SRD系統的主要缺点是:

  1、有转矩脉动。从工作原理可知,S開關磁阻電動機转子上产生的转矩是由一些列脉冲转矩叠加而成的,由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影响,合成转矩不是一个恒定转矩,而有一定的谐波分量,这影响了SR电动机低速运行性能。

  2、SR電動機傳動系統的噪聲與震動比一般電動機大。

  3、SR电动机的出线头较多,如三相SR 电动机至少有四根出线头,四相SR电动机至少有五根出线头,而且还有位置检测器出线端。上述缺点通过对电动汽车电机进行精心设计,采取适当措施,并从控制角度考虑采用合理策略可以得到改进。

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