开关磁阻电机及其数字化智能控制系统

1最新一代高效、节电电机之首：开关磁阻电机及其数字化智能控制系统磁阻动力，节能社会、助力国家山东德森磁阻动力股份有限公司山东磁阻和智能控制技术实验室第一部分：开关磁阻电机及其控制新系统基本说明一、开关磁阻电机基本概念开关磁阻电机（SwitchedReluctanceDrive：SRD）智能驱动系统，由开关磁阻电机本体及其智能控制系统两大部分构成，是全球范围内最新一代高效电动机，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。其电机部分由于是运用了磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制，故称为开关磁阻电动机。由机壳、定转子、电机轴和转子位置检测器构成。智能控制系统，是开关磁阻电机的大脑，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入的命令，通过自编程序进行分析处理，决2定控制策略，向功率变换器发出执行命令，控制磁阻电机运行。控制器由微机、数字逻辑电路及接口电路等构成。二、开关磁阻电机发展概况1980年，Leeds大学的Lawrenson及其同事们发表论文《开关磁阻调速电动机》，标志着开关磁阻电机正式得到国际承认。作为一种高性能的新型调速系统，SRD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。目前，SRD电机在国外已经得到很大发展。产品已广泛应用于电动车驱动系统、航空航天飞行器、高转速电机、油田设备、通用工业（风机、泵、压缩机等）、牵引电机等领域，功率范围从10W到5MW不等，转速上限高达20万转。这也是国外这些领域的装备性能领先于我国的根本原因之一。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，目前取得了从基础理论到设计制造技术多方面的成果与进展。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和规格的产品，应用于油田、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。但由于此种电机技术复杂，而我国从事此种电机研究的人员少、实际设计和应用人才少，加之国内对这种电机的理解和认识还不够深入，因此，还没有到普及的程度。然而，其划时代的优越性能决定了SR电机全面进入市场是必然的，只是个时间问题。三、开关磁阻电机的基本结构和原理1、开关磁阻电机基本结构开关磁阻电机是开关磁阻电机调速系统的执行单元，它的结构和工作原理与传统交直流电机有着根本的区别，其主要结构分为五个部分，分别为定子、转子、结构件、位置传感部分、散热结构部分。定子部分主要包括定子铁芯、绕组、槽楔、绝缘材料、电机引线等；转子部分包括轴、转子铁芯、平衡块；结构件主要包括机壳、端盖、轴承盖、轴承、接线盒、接线柱、吊环等；位置传感部分包括位置传感器、导磁盘、信号线、密封结构等；散热部分包括风叶、风罩等。以SRM160L-12/8极结构的开关磁阻电机为例，具体结构如下图所示。3图1：开关磁阻电机基本结构2、开关磁阻电机基本工作原理图2以12/8极三相开关磁阻电机为例，上图2表示该电机的横切面和一相电路的原理示意图，Sl、S2是电子开关，Dl、D2是二极管，Us是直流电源。它的定子和转子为双凸极结构，极数互不相等，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子由硅钢片叠片构成，无绕组，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。图3当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线Oa不重合时，如图3，开关S1、S2闭合，A相绕组通电，电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、定子极、气隙、4转子极、转子轭等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线Oa向定子A相磁极轴线OA趋近。图4当OA和Oa轴线重合时，如图2，转子已达到平衡位置，即当A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失，转子不再转动。此时断开A相开关S1、S2，闭合B相开关，即在A相断电的同时B相通电，建立以B相定子磁极为轴线的磁场，电动机内磁场沿顺时针方向转过30°，转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过15°，转子磁极的轴线Ob向定子B相磁极轴线OB趋近,如图4。依此类推，定子绕组A-B-C三相轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距δr（δr=360°/Nr），对于三相12/8极开关磁阻电机，δr=360°/8=45°，定子磁极产生的磁场轴线则顺时针移动了3×30°=90°空间角。可见，连续不断地按A-B-C-A的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿A-B-C-A的方向不断移动，转子沿A-C-B-A的方向逆时针旋转。如果按A-C-B-A的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着A-C-B-A的方向转动，转子则沿着与之相反的A-B-C-A方向顺时针旋转四、开关磁阻电机调速系统的特点开关磁组电动机调速系统是革命性的电机驱动系统，是当代高效电机之首！其之所以能在现代调速系统中异军突起，主要是因为它卓越的系统性能和新技术特性，主要表现在：1、起动转矩大，起动电流小。控制器从电源侧吸收很少的电流，在电机侧得到很大的起动转矩是其最大特点。典型数据是：起动电流为额定电流的15%时，获得起动转矩为100%的额定转矩；起动电流为额定5电流的30%时，起动转矩可达其额定转矩的150%。而其他调速系统的起动特性与之相比，如直流电机为100%的电流，鼠笼感应电动机为300%的电流，获得100%的转矩。起动电流小而转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此本系统十分合适那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械，是这些机械的首选动力。2、适用于频繁带载起停及正反向转换运行。本系统具有的高起动转矩、低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还要小。可控参数多使其制动运行能与电动运行具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。二者综合作用的结果必然使之适用于频繁起停及正反向转换运行。3、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37kWSRD为例，其系统效率在低、中、高速的广泛范围内都在80%以上，这是其它一些调速系统难以达到的。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5～15个百分点。01020304050607080901002468101214161820222426283032SRD交流变频37KWSRD与交流变频调速1000rpm不同负载下效率比较37KWSRD与交流变频调速500rpm不同负载下效率比较4、低速下可实现大转矩，调速范围广从0到最高转速的范围内均可带载长期运行，电机及控制系统的温升均低于额定状态。6山东德森磁阻动力股份有限公司90KW修井机用磁阻电机，在300rpm的低转速下可以实现约3000N.M扭矩，堵转扭矩可以达到3倍，是取代柴油机作业的首选电机。5、电动机结构简单，适用于低速、中速、高速各种速度的运转SRD的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组，因此不会有鼠笼感应电机制造过程中铸造不良和使用过程中的断条等问题。其转子机械强度极高，可以用于超高速运转（如每分钟几十万转）。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便、绝缘结构简单。转子：没有绕组，硅钢片叠压或粘压而成定子：硅钢片叠压而成，绕组采用集中绕组6、电机系统、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，开关磁阻电动机调速系统较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。而开关磁阻电动机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。因此开关磁阻电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，有很高的工作可靠性。7、可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机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。这是三相异步电动机所无法比拟的。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。7第二部分：电动机和节能，各类电动机综合效能比较一、节能电动机发展状况目前，我国各类电动机的装机容量目前已超过4亿kW，中小型电动机已超过150个系列，900个品种，4000多个规格。近十多年来，在国家的大力支持下，相关单位先后设计研制了多种节能电动机，取得了一定的成效。这些节能电动机主要分成两大类：*高效电动机（提高电动机效率）*调速电动机。高效电动机的代表产品有：(1)Y(IP44)系列异步电动机(2)Yx系列高效电动机调速电动机的代表产品根据其调速方式可以划分为：(1)变极调速电机(2)电磁滑差调速电机（异步电机为基础）(3)变频调速电机（异步电机为基础）最新兴起的开关磁阻电机和永磁电机兼具高效和调速两种特性，是节能电动机里面，最具前途的两种驱动系统，但后者的失磁特性及永磁材料的性能不稳定性，造成了该类电机在工业应用上的极大阻碍。二、特性和节能分析开关磁阻电机，是革命性的节能电机电动机种类优点缺点节能综合评价高效三项异步电动机结构简单、运行可靠、价格相对低。调速困难【n=f/px(1-s)x60rpm】，可控制因素只有极对数、转差率、网电频率。启动冲击电流大，大功率电机另需要软启动设备；非常不适合带负载启动，尤其是重负通过改进电机本身的设计和电机精度，来实现“高效”进而节能的，因此无法改8载；在负载变动大的场合，运行非常不经济变三相异步电动机本身固有的局限性。节能效果实际上并不理想。综合节能效能：1变频三相异步电机结构简单，运行可靠，具有软启动功能；改变电机磁场频率，实现调速。低速区效率仍然很差；大功率电机仍不能带重负载启动，需要机械软启动设备；重载需大电流，变频器容量加大，但仍不能改变重载下频繁保护状况，作业效率差；功率逆变器易产生高次谐波和瞬流浪涌,使电机定子发热严重，产生扭矩震动和机械噪声，缩短电机寿命；多个大功率逆变器的高次谐波迭加，容易对电网造成污染，影响电网供电安全根据场合不同，比单独的三相异步电机有所节能，但变频器本身的耗电，几乎抵消了变频节能效果。节能效能：2高转差三项异步电机节能效能：2双速双功率三项异步电机节能效能：2直流电机控制简单、技术成熟,易于调速有电刷，机械磨损，转子不易散热，对附近的电气设备有较大干扰永磁无刷电动机能量密度大，效率高。电机技术较成熟。可实现低速大转矩永磁材料在受到高温、振动和过载电流作用时发生较快退磁，最终成为低效、耗能电机节能效能新：4旧：0高效开关磁阻电动机结构简单，运行可靠；在广阔的速度范围内具有高效率；电流小、扭矩大；没有启动冲击电流，可以带负重载轻转矩有波动，低速噪声偏大，技术较复杂，产品尚不普及，市场还不完全认知节能效能：5