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開關磁阻電機的發展及優點

開關磁阻電機的發展及優點

發布日期:2015-10-08 00:00 來源: 點擊:

  開關磁阻電機是80年代初隨著電力電子、微電腦和控制技術的迅猛發展而發展起來的一種新型調速驅動系統,具有結構簡單、運行可靠及效率高等突出特點,成爲交流電機調速系統、直流電機調速系統和無刷直流電機調速系統的強有力的競爭者,引起各國學者和企業界的廣泛關注。跨國電機公司Emerson電氣公司還將開關磁阻電機视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。目前開關磁阻電機已广泛或开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域。 

開關磁阻電機.jpg

   1970年,英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor, SRM)雏形,这是关于開關磁阻電機最早的研究。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。到了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年在英国成立了開關磁阻電機驱动装置有限公司(SRD Ltd.),专门进行SRD系统的研究、开发和设计。

  1983年英国(SRD Ltd.)首先推出了SRD系列男人的天堂,该男人的天堂命名为OULTON。1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的男人的天堂。另外SRD Ltd. 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统,到1986年已运行500km。该男人的天堂的出现,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。  

  從上世紀90年代國際會議的上有關SRD系統的文章來看,對SRD系統的研究工作已經從論證它的優點、開發應用階段進入到設計理論、優化設計研究階段。對SR電機、控制器、功率變換器等的運行理論、優化設計、結構形式等方面進行了更加深入的研究。

  開關磁阻電機的优点:

  1.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.功率電路簡單可靠。因爲電動機轉矩方向與繞組電流方向無關,即只需單方相繞組電流,故功率電路可以做到每相一個功率開關。對比異步電動機繞組需流過雙向電流,向其供電的PWM變頻器功率電路每相需兩個功率器件。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。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.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.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。本系統是一種非常高效的調速系統。這是因爲一方面電動機繞組無銅損;另一方面電動機可控參數多,靈活方便,易于在寬轉速範圍和不同負載下實現高效優化控制。以3kWSRD爲例,其系統效率在很寬範圍內都在87%以上,這是其它一些調速系統不容易達到的。將本系統同PWM變頻器鼠籠型異步電動機的系統進行比較,本系統在不同轉速和不同負載下的效率均比變頻器系統高,一般要高5~10個百分點。  

  8.可通過機和電的統一協調設計滿足各種特殊使用要求。

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