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开关磁阻电机调速系统综述

  随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展,开关磁阻电机逐渐发展成为一种新型调速驱动系统。它具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点,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的竞争者,引起各国学者和企业界的广泛关注。本文首先对开关磁阻电机的基本工作原理和特点做以介绍;然后针对开关磁阻电机的运行状态建立了用状态方程表示的非线性动态模型,系统地概述该电机的应用和研究现状;最后将该电机与其他电机在设计和运行性能等方面进行比较,进一步了解该电机的特点和发展趋势。

  开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor)简称SRM,是一种新型调速电机,调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点,是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。开关磁阻电机调速系统(SDR)因其具有如下特点而得到许多企业的青睐: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;定子嵌放容易,端部短而牢固、适用于恶劣、高温甚至强震环境;功率变换器的开关器件数少,系统成本低,可靠性很高;调速范围宽,控制灵活,易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性,具有较强的再生制动能力。开关磁阻电机通过调整开通角、关断角、电压和电流,可以得到不同负载要求的机械特性,控制简单、灵活,能容易地实现软启动和四象限运行。

  1.开关磁阻电机调速系统原理介绍

  开关磁阻电机调速系统是一种新型调速系统,其原理是通过定转子双凸极结构, LGBT开关控制相绕组及使转子连续转动并调速。

  开关磁阻电机是带位置闭环速度控制的步进电机,又称开关磁阻电机驱动系统(SRD)。主要由控制器、功率变换器、检测器和开关磁阻电机(SRM或SR电机)四部分组成。控制器内往往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。  SR电机相数比较自由,可以设计成单相、两相、三相、四相及多相等不同参数结构,且有每极单齿结构和每极多齿结构,轴向气隙、径向气隙和轴向-径向混合气隙结构,内转子和外转子结构。低于三相的SR电机一般没有自启动能力。相数多,有利于减少转矩波动,但导致结构复杂、主开关器件多和成本增高。目前应用较多的是三相、四相和五相结构。

  SR电机虽从电机结构与运行原理上看与大步距角的反应式步进电机很相似,但SR电机有其自己特点:可控参数多,既可以调节主开关管的开通角和关断角,也可采用调压或限流斩波控制。

  SR电机的电磁转矩为磁阻性质,故电机的转向与相绕组的电流方向无关,仅取决于相绕组通电顺序,这使得能够充分简化功率变换器电路。联通任何一相的主开关由接通变为段开始,可以将电路中剩余的能量回馈给电源。SR电机的这种能量回馈和系统效率高的特点使得其应用的更加扩大。同时需要注意的是,SR电机有两个限制其应用推广的两个重要特征:一是磁路非线性严重,二是电流的非正弦性。

  2.电机运行状态的分析

  通过控制相绕组电流导通的时刻、相电流脉冲的幅值和宽度,可以控制SR电机转矩的大小和方向。由于是磁阻性质的电磁转矩,故SR电机的转向与相绕组的电流方向无关,仅取决于相绕组通电的顺序,这使得能够充分简化功率变换器电路。

  3.SR电动机角度控制

  SR电动机角度控制(即控制开通角和关断角)。对绕组加正电压,在绕组中建立和维持电流。在之后一段时间内,对绕组加反电压,电流续流并快速下降,直至消失。

  角度控制的电动机特性主要有以下特点:

  ① 可改变电动机工作状态,使该电流波形的主要部分置于电感波形的上升段,则使电动机运行;反之,使电流波形的主要部分置于电感波形的下降段,则电动机制动运行。

  ②可改变电动机的转矩和转速,电动状态下开通角提前,则在最小电感区段电流上升时间加长,使电流波形加宽,峰值和有效值增加,改变了与电感波形的相对值。

  ③改变一般不会影响电流峰值,但影响电流波形宽度及其同电感曲线相对位置,电流有效值也随之变化,因此同样影响电动机的转矩转速,但影响小于。

  采用角度控制,SR电机性能有以下特点:

  ①转矩调节范围广,如果定义电流存在区间占电流周期的比例为电流占空比,则角度控制下电流占空比的变化范围几乎从0%~100%。

  ②通电的相数可变,电动机出力较大,转矩脉动较小。

  ③电动机效率高,通过角度优化控制,使电动机在不同负载下均能保持高效率。

  ④不适用于低速。角度控制方式中,电流峰值主要由旋转电势限制。低速时旋转电势减小,可使电流峰值大至不允许。

  4. 开关磁阻电机的非线性动态模型建立

  以下为开关磁阻电机的非线性动态模型,并以此模型编制仿真软件,通过仿真测试,得出开关磁阻电机最佳起动状态。

  假设:①忽略铁心的磁滞和涡流效应;②主电路电源的直流电压U保持不变;③电机各相参数对称,每相的两个线圈对称,且忽略相互互感。则得到开关磁阻电机用状态方程表示的数学模型为:为相电流;为相绕组外加电压;为相电阻;为相电感;J为转动惯量;为电磁转矩;为角速度;D为粘滞系

  表示电机各相,式中,和a为系数;为转子极数;为各相的位置角。

  根据式3和式4所描述的开关磁阻电机的动态模型编制仿真软件,对其动态性能进行仿真计算。图4表示给定转速为1200r/min时的空载电流波形和转速波形及给定转速为1200r/min、负载转矩为4.23Nm的电流波形和转速波形。比较图5中仿真计算的电流波形(虚线)与实验测得的电流波形(实线),可见两者很接近,空载时误差小于10%,负载是电流误差小于5%。

  5.开关磁阻电机的应用

  近些年来,开关磁阻电机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100000 r/min。

  ①电动车应用:开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。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,在宽广的转速范围内效率都比较高,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。开关磁阻电机不仅效率高,而且在很宽的功率和转速范围内都能保持高效率,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。满足电动车四象限运行的要求,能在高速运行区域保持强有力的制动能力。

  ②纺织工业应用:近十多年来我国纺织机械行业的机电一体化水平有了较明显的提高,在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术。无梭织机的主传动技术也有了新的突破:采用开关磁阻电机作为无梭织机的主传动带来许多好处,减少传动齿轮、不用皮带和皮带盘,不用电磁离合器和刹车盘,不用寻纬电机,节能10%等优点。

  ③焦炭工业应用:SRD因其起动力矩大、启动电流小,可以频繁重载起动,无需其它的电源变压器,节能,维护简单,特别适用于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等。

  ④ 家电行业应用:洗衣机电机由简单的有级调速电机发展为无级调速电机。开关磁阻电机由于低成本、高性能、智能化已开始应用于洗衣机,明显的优点:洗涤速度低、滚筒平衡性好、可快速安全停机、最大速度高低速转矩大等。

  6.开关磁阻电机的发展趋势展望

  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。

  我国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,取得了显着的经济效益。

  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。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。