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| 開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統綜述 |
| 內容簡(jiǎn)介：我國華中科技大學(xué)開(kāi)關(guān)磁阻電機課題組在“九五”項目中研制出使用SRD的純電動(dòng)轎車(chē),在“十五”項目中將SRD應用到混合動(dòng)力城市公交車(chē),均取得了較好的運行效果。 |
隨著(zhù)電力電子、微電腦和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展,開(kāi)關(guān)磁阻電機逐漸發(fā)展成為一種新型調速驅動(dòng)系統。它具有結構簡(jiǎn)單、運行可靠及效率高等突出特點(diǎn),成為交流電機調速系統、直流電機調速系統和無(wú)刷直流電機調速系統的強有力的競爭者,引起各國學(xué)者和企業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文首先對開(kāi)關(guān)磁阻電機的基本工作原理和特點(diǎn)做以介紹;然后針對開(kāi)關(guān)磁阻電機的運行狀態(tài)建立了用狀態(tài)方程表示的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)模型,系統地概述該電機的應用和研究現狀;最后將該電機與其他電機在設計和運行性能等方面進(jìn)行比較,進(jìn)一步了解該電機的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢。
開(kāi)關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor)簡(jiǎn)稱(chēng)SRM,是一種新型調速電機,調速系統兼具直流、交流兩類(lèi)調速系統的優(yōu)點(diǎn),是繼變頻調速系統、無(wú)刷直流電動(dòng)機調速系統的最新一代無(wú)極調速系統。開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統(SDR)因其具有如下特點(diǎn)而得到許多企業(yè)的青睞:電機結構簡(jiǎn)單、堅固、制造工藝簡(jiǎn)單,成本低,可工作于極高轉速;定子嵌放容易,端部短而牢固、適用于惡劣、高溫甚至強震環(huán)境;功率變換器的開(kāi)關(guān)器件數少,系統成本低,可靠性很高;調速范圍寬,控制靈活,易于實(shí)現各種特殊要求的轉矩-速度特性,具有較強的再生制動(dòng)能力。開(kāi)關(guān)磁阻電機通過(guò)調整開(kāi)通角、關(guān)斷角、電壓和電流,可以得到不同負載要求的機械特性,控制簡(jiǎn)單、靈活,能容易地實(shí)現軟啟動(dòng)和四象限運行。
1.開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統原理介紹
開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統是一種新型調速系統,其原理是通過(guò)定轉子雙凸極結構, LGBT開(kāi)關(guān)控制相繞組及使轉子連續轉動(dòng)并調速。
開(kāi)關(guān)磁阻電機是帶位置閉環(huán)速度控制的步進(jìn)電機,又稱(chēng)開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統(SRD)。主要由控制器、功率變換器、檢測器和開(kāi)關(guān)磁阻電機(SRM或SR電機)四部分組成。控制器內往往包含控制電路與功率變換器,而轉子位置檢測器則安裝在電機的一端。 SR電機相數比較自由,可以設計成單相、兩相、三相、四相及多相等不同參數結構,且有每極單齒結構和每極多齒結構,軸向氣隙、徑向氣隙和軸向-徑向混合氣隙結構,內轉子和外轉子結構。低于三相的SR電機一般沒(méi)有自啟動(dòng)能力。相數多,有利于減少轉矩波動(dòng),但導致結構復雜、主開(kāi)關(guān)器件多和成本增高。目前應用較多的是三相、四相和五相結構。
SR電機雖從電機結構與運行原理上看與大步距角的反應式步進(jìn)電機很相似,但SR電機有其自己特點(diǎn):可控參數多,既可以調節主開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通角和關(guān)斷角,也可采用調壓或限流斬波控制。
SR電機的電磁轉矩為磁阻性質(zhì),故電機的轉向與相繞組的電流方向無(wú)關(guān),僅取決于相繞組通電順序,這使得能夠充分簡(jiǎn)化功率變換器電路。聯(lián)通任何一相的主開(kāi)關(guān)由接通變?yōu)槎伍_(kāi)始,可以將電路中剩余的能量回饋給電源。SR電機的這種能量回饋和系統效率高的特點(diǎn)使得其應用的更加擴大。同時(shí)需要注意的是,SR電機有兩個(gè)限制其應用推廣的兩個(gè)重要特征:一是磁路非線(xiàn)性嚴重,二是電流的非正弦性。
2.電機運行狀態(tài)的分析
通過(guò)控制相繞組電流導通的時(shí)刻、相電流脈沖的幅值和寬度,可以控制SR電機轉矩的大小和方向。由于是磁阻性質(zhì)的電磁轉矩,故SR電機的轉向與相繞組的電流方向無(wú)關(guān),僅取決于相繞組通電的順序,這使得能夠充分簡(jiǎn)化功率變換器電路。
3.SR電動(dòng)機角度控制
SR電動(dòng)機角度控制(即控制開(kāi)通角和關(guān)斷角)。對繞組加正電壓,在繞組中建立和維持電流。在之后一段時(shí)間內,對繞組加反電壓,電流續流并快速下降,直至消失。
角度控制的電動(dòng)機特性主要有以下特點(diǎn):
① 可改變電動(dòng)機工作狀態(tài),使該電流波形的主要部分置于電感波形的上升段,則使電動(dòng)機運行;反之,使電流波形的主要部分置于電感波形的下降段,則電動(dòng)機制動(dòng)運行。
②可改變電動(dòng)機的轉矩和轉速,電動(dòng)狀態(tài)下開(kāi)通角提前,則在最小電感區段電流上升時(shí)間加長(cháng),使電流波形加寬,峰值和有效值增加,改變了與電感波形的相對值。
③改變一般不會(huì )影響電流峰值,但影響電流波形寬度及其同電感曲線(xiàn)相對位置,電流有效值也隨之變化,因此同樣影響電動(dòng)機的轉矩轉速,但影響小于。
采用角度控制,SR電機性能有以下特點(diǎn):
①轉矩調節范圍廣,如果定義電流存在區間占電流周期的比例為電流占空比,則角度控制下電流占空比的變化范圍幾乎從0%~100%。
②通電的相數可變,電動(dòng)機出力較大,轉矩脈動(dòng)較小。
③電動(dòng)機效率高,通過(guò)角度優(yōu)化控制,使電動(dòng)機在不同負載下均能保持高效率。
④不適用于低速。角度控制方式中,電流峰值主要由旋轉電勢限制。低速時(shí)旋轉電勢減小,可使電流峰值大至不允許。
4. 開(kāi)關(guān)磁阻電機的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)模型建立
以下為開(kāi)關(guān)磁阻電機的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)模型,并以此模型編制仿真軟件,通過(guò)仿真測試,得出開(kāi)關(guān)磁阻電機最佳起動(dòng)狀態(tài)。
假設:①忽略鐵心的磁滯和渦流效應;②主電路電源的直流電壓U保持不變;③電機各相參數對稱(chēng),每相的兩個(gè)線(xiàn)圈對稱(chēng),且忽略相互互感。則得到開(kāi)關(guān)磁阻電機用狀態(tài)方程表示的數學(xué)模型為:為相電流;為相繞組外加電壓;為相電阻;為相電感;J為轉動(dòng)慣量;為電磁轉矩;為角速度;D為粘滯系
表示電機各相,式中,和a為系數;為轉子極數;為各相的位置角。
根據式3和式4所描述的開(kāi)關(guān)磁阻電機的動(dòng)態(tài)模型編制仿真軟件,對其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真計算。圖4表示給定轉速為1200r/min時(shí)的空載電流波形和轉速波形及給定轉速為1200r/min、負載轉矩為4.23Nm的電流波形和轉速波形。比較圖5中仿真計算的電流波形(虛線(xiàn))與實(shí)驗測得的電流波形(實(shí)線(xiàn)),可見(jiàn)兩者很接近,空載時(shí)誤差小于10%,負載是電流誤差小于5%。
5.開(kāi)關(guān)磁阻電機的應用
近些年來(lái),開(kāi)關(guān)磁阻電機的應用和發(fā)展取得了明顯的進(jìn)步,已成功地應用于電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)、通用工業(yè)、家用電器和紡織機械等各個(gè)領(lǐng)域,功率范圍從10W到5MW,最大速度高達100000 r/min。
①電動(dòng)車(chē)應用:開(kāi)關(guān)磁阻電機最初的應用領(lǐng)域就是電動(dòng)車(chē)。采用開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)有其獨特的優(yōu)勢。當高能量密度和系統效率為關(guān)鍵指標時(shí),開(kāi)關(guān)磁阻電機變?yōu)槭走x對象。SRD開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統的電機結構緊湊牢固,適合于高速運行,并且驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單成本低、性能可靠,在寬廣的轉速范圍內效率都比較高,而且可以方便地實(shí)現四象限控制。這些特點(diǎn)使SRD開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統很適合電動(dòng)車(chē)輛的各種工況下運行,是電動(dòng)車(chē)輛中極具有潛力的機種。開(kāi)關(guān)磁阻電機不僅效率高,而且在很寬的功率和轉速范圍內都能保持高效率,這是其它類(lèi)型驅動(dòng)系統難以達到的。這種特性對電動(dòng)車(chē)的運行情況尤為適合,有利于提高電動(dòng)車(chē)的續駛里程。滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)四象限運行的要求,能在高速運行區域保持強有力的制動(dòng)能力。
②紡織工業(yè)應用:近十多年來(lái)我國紡織機械行業(yè)的機電一體化水平有了較明顯的提高,在新型紡織機械上普遍采用了機電一體化技術(shù)。無(wú)梭織機的主傳動(dòng)技術(shù)也有了新的突破:采用開(kāi)關(guān)磁阻電機作為無(wú)梭織機的主傳動(dòng)帶來(lái)許多好處,減少傳動(dòng)齒輪、不用皮帶和皮帶盤(pán),不用電磁離合器和剎車(chē)盤(pán),不用尋緯電機,節能10%等優(yōu)點(diǎn)。
③焦炭工業(yè)應用:SRD因其起動(dòng)力矩大、啟動(dòng)電流小,可以頻繁重載起動(dòng),無(wú)需其它的電源變壓器,節能,維護簡(jiǎn)單,特別適用于礦井輸送機、電牽引采煤機及中小型絞車(chē)等。
④ 家電行業(yè)應用:洗衣機電機由簡(jiǎn)單的有級調速電機發(fā)展為無(wú)級調速電機。開(kāi)關(guān)磁阻電機由于低成本、高性能、智能化已開(kāi)始應用于洗衣機,明顯的優(yōu)點(diǎn):洗滌速度低、滾筒平衡性好、可快速安全停機、最大速度高低速轉矩大等。
6.開(kāi)關(guān)磁阻電機的發(fā)展趨勢展望
作為一種新型調速驅動(dòng)系統,開(kāi)關(guān)磁阻電機以其結構簡(jiǎn)單、低成本、高效率、優(yōu)良的調速性能和靈活的可控性,愈來(lái)愈得到人們的認可和應用。目前已成功應用于在電動(dòng)車(chē)用驅動(dòng)系統、家用電器、工業(yè)應用、伺服系統、高速驅動(dòng)、航空航天等眾多領(lǐng)域中,成為交流電機調速系統、直流電機調速系統和無(wú)刷直流電機調速系統的強有力競爭者。
美國、加拿大、南斯拉夫、埃及等國家都開(kāi)展了SRD系統的研制工作。在國外的應用中,SRD一般用于牽引中,例如電瓶車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)。同時(shí)高速性能是SRD的一個(gè)特長(cháng)的方向。據報道,美國為空間技術(shù)研制了一個(gè)25000r/min、90kW的高速SRD樣機。
我國華中科技大學(xué)開(kāi)關(guān)磁阻電機課題組在“九五”項目中研制出使用SRD的純電動(dòng)轎車(chē),在“十五”項目中將SRD應用到混合動(dòng)力城市公交車(chē),均取得了較好的運行效果。紡織機械研究所將SRD應用于毛巾印花機、卷布機,煤礦牽引及電動(dòng)車(chē)輛等,取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。
近年來(lái)功率電子技術(shù),數字信號處理技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展,而且隨著(zhù)智能技術(shù)的不斷成熟及高速高效低價(jià)格的數字信號處理芯片(DSP)的出現,利用高性能DSP開(kāi)發(fā)各種復雜算法的間接位置檢測技術(shù),無(wú)需附加外部硬件電路,大大提高了開(kāi)關(guān)磁阻電機檢測的可靠性和適用性,必將更大限度地顯示SRD的優(yōu)越性。以計算機控制的柔性制造系統、主體倉庫、機器人進(jìn)行裝配等組合起來(lái),由計算機控制材料、部件的供應管理、達到全廠(chǎng)高效率、高質(zhì)量的全自動(dòng)化均衡生產(chǎn),設計和制造水平不斷提高,專(zhuān)用控制芯片和集成功率器件不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái),開(kāi)關(guān)磁阻電機性能和適用性不斷增強。隨著(zhù)國民經(jīng)濟建設的日益發(fā)展,各行各業(yè)的機械化、自動(dòng)化程度越來(lái)越高,為開(kāi)關(guān)磁阻電機提供了巨大的潛在市場(chǎng)。
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