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    开关磁阻电动机调速系统

     开关磁阻电动机调速系统(Switched Reluctance Driver ,简称 SRD) 是以现代电力电子技术与微机控制技术为基础的机电一体化产品.它由开关磁阻电动机与微机智能控制器两部分组成,其突出特点是效率高、节能效果好，调速范围广，无起动冲击电流，启动转矩大，控制灵活，此外，还具有结构简单，坚固可靠，成本低等优点。其性能指标高于普通交流变频调速电动机系统及直流电动机调速系统，是一种新颖的、高性价比的、具有典型机电一体化的无级调速系统。除可以取代现有的调速系统（如直流调速、变频调速系统）外，SRD还十分适用于运输车辆驱动、龙门刨床、各种机械等需要重载起动，频繁起动、正反转，长期低速运行等应用场合。

1 、概述

     开关磁阻调速电动机系统（Switched Reluctance Driver，简称SRD）是以现代电力电子与微机控制技术为基础的机电一体化产品。它由开关磁阻电动机与微机智能控制器两部分组成，其突出特点是效率高、节能效果好，调速范围广，无起动冲击电流，起动转矩大，控制灵活，此外，还具有结构简单、坚固可靠，成本低等优点。除可以取代已有的电气传动调速系统（如直流调速、变频调速系统）外，SRD还十分适用于运输车辆驱动、龙门刨床、各种机械等需要重载起动，频繁起动、正反转，长期低速运行等应用场合。我国在1998年就把发展电机调速节能和电力电子节电技术写进《中华人民共和国节能法》中，用法律形式强制改造电机恒速运行为调速方法运行。国家发改委提出的“电机系统节能计划”明确提出目标是：提高电机15%—20%的效率，实现节电1000亿kWh/年。 2001年，通过与公司和科研院校合作，分别发挥各单位在电力电子技术与电机技术开发方面的优势，加快了开关磁阻调速电动机系统SRD产品的开发进度，与高校合作，攻克了数个技术难关，已推出1.1kW～132kW具有自主知识产权的系列产品，鉴定为世界先进水平。

2 、开关磁阻调速电动机系统SRD简介
   2.1 开关磁阻调速电动机系统SRD工作原理
    开关磁阻调速电动机系统由电动机和控制器组成。如图1所示。电动机内安装有位置传感器；控制器由功率电路和控制电路等单元组成。

电动机结构SRD电动机是定子、转子双凸极可变磁阻电动机。定子、转子均由普通硅钢片叠压而成，转子上即无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组（图2）。

    图3中给出的是三相12/8极结构。若以示意图中定、转子的相对位置作为起始位置，依次给B→C →A相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，依次给C→B→A 相通电，则电动机会顺时针方向转动。SRD电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而取决于相绕组通电的顺序。通过控制相绕组的电子开关（IGBT)S1、S2的工作状态，就可以改变电机的转向、转矩、转速、制动等工作状态。

    当定子相绕组通电时，电动机内建立起磁场，当两凸极位置不对齐时，磁力线是弯曲的（图4）。转子受到弯曲磁力线的磁拉力，产生转矩，使转子转动，转子凸极向定子凸极趋近。当两凸极位置对齐时，转子达到平衡位置。位置传感器安装于电动机内部（非出力端），向控制器提供转子相对位置信号，使控制器能够正确的判断和决定电动机定子绕组的导通和关断时刻，确保电动机的正常工作。

    功率电路向电动机提供运转所需要的能量，原理见图5。如果系统采用三相交流电源供电时，由三相整流器和可控功率器件IGBT及其他相关器件组成功率开关电路。当S1、S2导通时，电动机定子绕组一相通电，S1、S2关断时，绕组通过D1、D2续流向电容回馈能量；因此开关磁阻调速电动机系统具有节能的优势。由于开关磁阻电动机定子绕组的电流是单向的，功率开关元件IGBT与电动机绕组相串联，这使得功率电路设计简单化，并且不会出现类似变频器（交变通电，如图6）的上下桥臂因控制错误而造成直通短路的严重事故，故而开关磁阻调速电动机系统的主电路具有很高的工作可靠性。        

    控制电路由微处理器组成的数字控制电路是系统的中枢，中枢的控制核心是控制软件，它综合处理操作指令、速度指令、速度及电流反馈信号、转子位置等反馈信息，来控制功率电路中主功率元件的如相导通、关断角；电流幅值；绕阻电压等工作参数，,以实现对开关磁阻电动机的调速、稳速运行、停止、正反转、制动等状态的控制。由于单片机的软件改动简便易行，所以可以方便的修改控制程序来改变电动机的性能和功能，以满足不同用户、不同驱动方式的特别需求。

2.2 开关磁阻调速电动机系统SRD特点
     （1）效率高，节能效果好。在所有的调速和功率范围内，SRD整体效率比交流异步电动机变频调速系统（简称变频调速）至少高3%以上，在低速工作的状态下其效率能够提高10%以上。与直流调速、串级调速、电磁调速等系统相比，SRD节电效果更明显。
     （2）起动转矩大，特别适合于那些需要重载起动和负载变化明显并且频繁的场合。SRD控制器从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧可得到较大的起动转矩，起动转矩达额定转矩的150%时、起动电流仅为额定电流的30%，比之交流电动机的300%电流获得100%的转矩的性能，优势非常明显。
     （3）调速范围广（图8）。SRD电动机可以在低速下长期运行。由于效率高，在低速下的温升程度比额定工况时还要低，解决了变频调速低速运行下电动机发热问题。此外，SRD电动机最高转速不会像交流电动机那样受极数的限制，可以根据实际需要灵活地设定最高转速。      
     

（4）可频繁正、反转，频繁起动、停止，系统调控性能好，四象限控制灵活（图9）非常适合于龙门刨床、可逆轧机、油田抽油机、螺旋压力机等应用场合。制动性能好，能实现再生制动，节约电能效果显著。

     （5）起动电流小，避免了对电网的冲击。SRD具有软起动特性，没有普通交流电动机起动电流大于额定电流5～7倍的现象。
     （6）功率因数高，不需要加装无功补偿装置。普通交流电动机空载时的功率因数在0.2～0.4之间，满载在0.8～0.9之间；而开关磁阻电动机调速系统在空载和满载下的功率因数均大于0.98。
     （7）电动机结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低。工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。
     （8）缺相与过负载时仍可工作。出现电源缺相、电动机或控制器任一相出现故障时，SR电动机输出功率减小，但仍然可以运行。当系统超过额定负载120%以上时，转速只会下降，而不会烧毁电动机和控制器。
     （9）控制器中功率变换器与电动机绕组串联，不会出现变频调速系统功率变换器可能出现的直通故障，可靠性大为提高。
    表1给出了7.5kW、1500转/分钟 SRD与其他调速系统得性能比较结果。表1 7.5kW、1500转/分钟 SRD与其他调速系统的比较                                              * 表示该项性能指标以直流电动机调速时为1作为比较基准

3、应用场合

   根据以上介绍的特点，SRD可以在各行各业应用，特别适用于以下场合：
  （1）宽调速范围中长时间低速运行的场合；
  （2）宽调速范围中高于交流电机同步转速3000转/分以上的场合；
  （3）频繁正、反转，频繁起动、停止的场合；
  （4）要求有低速起动、重载起动，又不能有起动大电流的场合；
  （5）取代变频调速系统、直流调速系统的使用场合；
  （6）适合于在高粉尘、高速、易燃易爆等恶劣环境下运行。
     应用场合举例：
     通用机械：风机、水泵、油泵、压缩机等
     机床：龙门机床（刨、铣、磨）、钻床等
     塑料机械：挤出机、注塑机等
     压力机械：螺旋压力机、模锻压力机、冲床等
     铸造机械：抛丸机等
     油田机械：抽油机等
     纺织机械：印花机、卷布机、浆纱机、织机等
     造纸机械：造纸机、压光机、卷纸机等
     玻璃机械：制瓶机等
     食品加工机械: 搅拌机 、混合机等
     矿山、煤矿机械：采煤机、掘进机、球磨机等
     冶金机械：轧钢机等
     提升运输机械 ：电梯、绞车、卷扬机、传送带等
     辅助机械：卷取机、开卷机、架线机等
     家用电器：风扇、空调、冰箱、洗衣机、吸尘器等
     电动工具：手钻等
     交通工具：车辆、 机车、轮船、飞机等
     发电设备：风力发电

4、 SRD发展概况
    1821、1831年，法拉第分别发现了载流导体在磁场中受力和电磁感应定律。1842年，英国的Aberdeen和Davidson用两个U型电磁铁进行了开关磁阻电动机的实验。但由于缺少功率开关器件，未能得到发展，随后1884、1885年直流电动机、交流电动机相继问世。1983年，英国TASC公司推出了第一台可以工业化应用的SR电动机（7.5kW，1500转/分钟），之后，美国、加拿大、南斯拉夫、新加坡等国竞相开发SRD技术。 20世纪60年代以前，调速系统以直流机组为主。60年代中期，由晶闸管构成的V-M系统（晶闸管－直流电动机）逐步取代了直流机组。70年代中期，全球范围内的能源危机迫使世界各国投入了大量的财力来研究调速系统。由于交流异步电动机技术比较成熟，人们将研究的重点放到变频调速技术上。到90年代初，变频调速技术趋于成熟，占据了调速市场的主导地位。自1984年起，我国许多单位开展了SRD研究工作。由于SRD是机电一体化的高科技产品，传统的电机企业缺乏电力电子及微机控制技术开发力量，而一些电力电子企业又不具备SR电动机设计和制造能力，因此，长期以来，我国SRD实用化工作进展缓慢，没有得到大量的推广应用。经过20多年的发展，SRD技术上已基本成熟，相信SRD最终将取代直流调速、变频调速，成为调速市场的主力军。

5、产品分类