开关磁阻调速电机系统概述

李 纲

开关磁阻电机调速系统(SRD)是20世纪80年代初随着电力电子、微电脑和自动控制技术的迅猛发展而研发的一种新型调速驱动系统，它兼具交直流调速的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统而出现的新一代的无极调速系统［1］。它的结构简单，定型产品坚固耐用，调速范围宽，性能优异，且在整个调速范围内具有较高的效率，电能利用率高，损耗小，系统可靠性高。目前，开关磁阻电机已广泛应用于工业、航空业和家用电器等各个领域［2］。

SRD系统在很多性能指标上达到了很高的水平，整个系统的综合性能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。

1 SRD结构及工作原理

开关磁阻电动机调速系统(SRD)是较为复杂的机电一体化装置，主要是由开关磁阻电动机、功率变换组件、控制器与位置检测传感器四部分组成。控制器包括控制电路与功率变换组件，而检测转子相位的位置检测传感器则安装在电机一端。SRD的运行需要在线实时监测，所跟踪的数据有转子的位置、转轴的速度及电机各极的电流等，然后根据控制目标综合这些信息输出控制指令，实现运行控制及保护等功能。转子的位置检测环节是SRD的重要部分，检测到的转子相位信号是各相主令开关器件正确进行逻辑切换的依据，也为速度控制提供速度反馈信号。SRD电机系统的结构与工作原理示意图，见图1。

图1 SRD电机系统的结构与工作原理示意图

具体情形则比图1要复杂，其极对数为4组，且电源为三相电，由控制器根据转子的具体位置发出信号，控制四组大功率开关器件依次打开(电机端部内的相位传感器及码盘将电机转子相对定子的位置传至控制器，由此决定触发哪组开关)，则定子的相应电极通电，产生磁力吸引转子转动。

2 优点

开关磁阻电机的四象限运行，具有电动与制动储能运行状态，称之为再生能力，所以系统效率较高。理论研究证明，该调速系统具有诸多优点：

1)电机结构简单坚固，因转子无绕组，所以制造工艺简单，成本低廉，可工作于极高转速;定子坚固耐用，线圈嵌放容易，制作方便，端部短而牢固，其严谨的设计结构使得工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动的环境。

2)控制器的工作原理简单，电路设计思路宽，后续改进幅度大，较易实现智能化与集成化;其转矩方向与电流流向无关，从而可最大限度地简化功率变换装置，降低系统的制造成本。

3)由控制器根据起动与运行的不同，可以预定控制起动极导通时间，协调各极通电时差，所以可以使电机起动转矩增大，相对其他起动方式起动电流缩小，30%额定电流对应150%额定转矩，适用于频繁起制动和正反转，特别适合重载起动、频繁起动的机械设备;低速性能好，没有感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象，进而震动大幅减小，对电机而言安全系数提高。

4)可实现转速和转矩调节，电动与发电运行状态自动转换，工作效率高，节约电能;其损耗主要产生于定子，且温升较小(主要为机械摩擦升温、电磁热升温与极小的空气摩擦升温)，所以电机易于冷却;其转子无永磁体，可允许有较高温升，而不必担心消磁导致性能降低。

5)速度调节范围较宽，控制灵活，易于满足各种特殊要求的转矩—速度指标，尤其适合冲击负载和高速应用。

6)由于整个系统的先进设计使得功率变换器工作时不会出现直通故障，所以无直通短路危险，其主要元器件IGBT不易烧毁，大大提高其可靠性。

7)其具备四象限运行状态，较强的再生制动大幅度节约电能，有利于环保;其模糊控制使得容错能力增强，即使某一相故障，电机仍可以转动，只是其转矩有所减小。

3 不足

该调速技术是一种比较新型的电机控制方式，与变频调速相比，存在着一些不足。

1)电机控制只能1拖1，不像交流变频调速中一台变频器可带动两台或多台电机。

2)只能专机专用，不像交流变频调速中当变频器发生故障时可将电机切换至工频电源继续运行。

3)理论特殊，仍未像其他较成熟的调速技术普及，推广难度大。交流变频调速在20世纪60年代时技术上已趋成熟，我国引进的纺织机械中已大量应用，但真正意义上的普及推广是在40年以后，其原因是要培养教育大批专业技术人员以开发新产品、维修与维护。SRD的理论推广还在初中期，因此，还需要教育培养大量技术人员，不断完善系统，提高其集成化程度，开发新产品，培训售后维护人员。

4 SRD产品的新发展

4.1 高精度伺服型SRD

目前，国内外相关产品虽不断更新换代，采用最新的控制芯片，但其控制策略仍是20世纪80年代的技术，即根据位置检测传感器提供的相位信号采用电流斩波、电压脉宽调制和单脉冲控制，因此，其控制的结果总是响应慢、转矩波动大，很难在50 r/min以下取得良好的实用效果。高精度伺服型产品采用了绝对位置编码器作为电机的传感器，将测速信号由原有的每转几脉冲至十几脉冲提高到每转几百至几千脉冲，大大减小了测速反馈时间，提高了控制相应速度［3］。再结合相绕组波形控制技术，改善电源波形，平滑低速转矩脉动，使其实用的最低转速达到10 r/min以下，电机的动态响应时间减少至3 ms，产品最大规格达315 kW。

4.2 大功率组合式SRD

与交流变频调速相仿，受电力电子元件容量和价格的限制，SRD向大容量发展也受到限制。例如，目前国内使用的技术成熟的最大功率SRD产品仅为400 kW。但是如果利用SRD电机的结构特点，把所有绕组分为两组，则可以用两台同功率的控制器同步驱动一台更大功率的电机，同理，以倍增可以驱动的电机功率［4］。这样不仅在成熟的控制器技术和一定的电力电子元件条件下实现了2倍、多倍的电机容量，而且，比单机大功率SRD具备下列优点。

1)因为控制器为多台，可以使用降压变压器供电，整个系统可以实现高压调速。

2)由于这种提高控制功率的做法使用了多台控制器，故在其中一台故障时可切除，电机输出功率按比例降低，但电机仍可正常工作，大大提高了系统可靠性。

3)多台控制器可使用数台移相变压器(或1台多副边变压器)供电，实现脉冲整流，改善电网侧功率因数，减小谐波危害。

4.3 六相 SRD

根据SRD原理，为减小电机的转矩脉动，可增加电机相数，但相数增加将使功率电路复杂程度增加，提高SRD系统成本［5］。采用六相12/10极六相电机，见图2(a)，其绕组连接见图2(b)，将A1与A2，B1与B2，C1与C2，D1与D2各绕组串接，其功率电路见图2(c)、图2(d)。电路中仅采用6只功率开关元件和6只续流二极管，与通常三相SRD中采用的三相半桥式电路完全一样，实现既降低转矩脉动又不增加系统成本的目的。

图2 六相12/10极电机结构、绕组连接、六相功率电路示意图

5 效果

与当前广泛应用的交流变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等方面都具有明显的优势。开关磁阻电机在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率和较高的起动转矩，这是交流变频调速感应电动机难以比拟的。

感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统，而SRD电机通过调整占空比、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，并且由于是纯逻辑的控制方式，因此，容易智能化，可通过修改程序软件调整电机工作特性满足不同的应用要求。

SRD电机的转矩波动，可能导致较大的噪声和振动，这种情况与电机设计和控制的不合理相关，通过优化电机设计和控制策略，转矩的波动和转动噪音完全可以得到有效抑制。

［1］ 胡崇岳.现代交流调速技术［M］.北京：机械工业出版社，2005：18－21.

［2］ 高 超.电牵引采煤机用组合式驱动器［J］.煤矿机电，2006(4)：33－34.

［3］ 毕 伟.开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置：中国，200720140545.8［P］.2007－07－06.

［4］ 高 超.开关磁阻电动机每相绕组线圈分组驱动装置：中国，200720170292.9［P］.20017－04－13.

［5］ 高 超.一种六相开关磁阻电动机系统的功率逆变电路：中国，200620119437.8［P］.2006－09－08.