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基于开关磁阻电机技术的矿山机械调速系统
梁南丁
（平顶山工业职业技术学院，河南 平顶山 467001）
摘 要：开关磁阻电机具有结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低，工作可靠，能适用于各种恶劣环境; 有很好的容错能力，可以缺相运行等优点。由其组成的SRD调速系统调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性;在较广的转速和功率范围内具有较高的效率。能四象限运行，具有较强的再生制动能力;在对SRD的组成及整体工作原理分析的基础上，指出了SRD有进一步研究方向。
关键词：开关磁阻电机‘调速系统 控制 检测

    开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)最早可以追溯到1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机雏形。到1972年进一步对带半导体开关的小功率电动机(10W～1kW)进行了研究。1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司(SRD Ltd.)，专门进行SRD系统的研究、开发和设计。1983年英国(SRD Ltd.)首先推出了SRD系列产品，该产品命名为OULTON。1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品。美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家也都开展了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。同时高速性能也是SRD的一个特长的研究方向。据报道，美国为空间技术研制了一个25000r/min、90kW的高速SRD样机。我国大约在1985年才开始对SRD系统进行研究。SRD系统的研究已被列入我国中、小型电机“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。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，取得了显著的经济效益。目前，我国的定型产品DT系列矿用SRD已运用于皮带运输机，刮板运输机、各种绞车、泵类机械和其它矿山机械。
1 SRD系统的特点
开关磁阻电机调速系统（SRD）兼有直流、交流两类调速系统的优点，是继交流变频器之后，推出的一种性能价格比较高的、具有典型机电一体化结构的无级调速系统，其主要性能特点为：
1）起动转矩达额定转矩的150%，起动电流为额定电流的30%，适用于频繁正反转和带载启动，即使“堵转”也不烧电机。
2）电动机无电刷整流子，控制器电路简单，适用在恶劣环境中工作。
3）系统效率高，特别是能在转速和负载矩均在较大范围变化时保持高效率，具有良好的节能效果。
4）系统属可逆调速系统，适用于需四象限工作的机械。
5）系统经防潮、防干扰等专门设计，适合煤矿井下使用经久耐用。
图1 开关磁阻电动机调速系统（SRD）框图
2 SRD系统构成
    SRD系统主要由四部分组成:SRM电机本体、功率变换器、控制器及位置和电流检测器。它们之间的关系如图1所示：
图2 三相双凸极磁阻电动机结构示意图
V2

U
V1
A
B
C
A‘
C‘
B‘
2.1 SRM电机本体
    SRM电机本体是SRD的执行元件， 如图2所示为三相6/4极开关磁阻电机的电机结构原理图，电机为了增加出力而设计成双凸极结构，定、转子均由硅钢片叠压而成，转子上有4个极，没有任何型式的绕组。定子上有6个极，其上绕有集中绕组，圆周上相对的两个极的绕组相串联，构成一相，共构成三相绕组。其工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因此磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。若顺序给A-B-C-A…相绕组通电,则转子便按逆时针方向连续转动起来。若改变通电相序为A-C-B-A…，则可使转子顺时针转动。若改变相电流的大小，则可改变电动机转矩的大小，进而可以改变电动机转速。若在转子极转离定子极时通电，所产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，为制动转矩。由此可知，通过简单地改变控制方式便可改变磁阻电动机的转向、转矩、转速和工作状态。
2.2 功率变换器
    功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的功率开关部件。图2中S1、S2为开关管，V1、V2为续流二极管。例如当A相绕组通电主开关管S1、S2导通时，A相绕组从直流电源U吸收电能;当S1、S2关断时,绕组电流通过续流二级管V1、V2将剩余的能量回馈给电源。
 80年代初，主开关器件皆用晶闸管SCR。鉴于SRD电流脉冲峰值较大，而SCR电流峰值/平均电流比值高，能承受很大的浪涌冲击，一度被视为SRD中最理想的主开关器件。但SCR无自关断能力，开关频率低，强迫换相电路成本高，可靠性差，构成的SRD总体性能有局限。后来较多应用大功率晶体管GTR，但GTR承受浪涌电流能力差，存在二次击穿问题，不易保护，限制了其在高压、大功率场合下的应用。
    80年代中期，综合了SCR、GTR两者优点的可关断晶闸管GTO受到重视。因GTO兼有自关断、快速开关能力，能承受较GTR高的电流、电压。所以TASC Drives公司的OULTON SRD产品中均用GTO作主开关器件。
    近年来，考虑到GTO在关断时要求相当大的反向控制电流，关断控制实现有难度，国外小功率SRD中常用MOSFET，较大功率则采用IGBT作为主开关器件。
功率变换器的拓扑结构与传统逆变器有很大差异，具有多种形式，并且与开关磁阻电动机的相数、绕组连接形式有密切的关系。其中，最常见的拓扑结构有:不对称半桥式、直流电源分裂式等。
2.3 控制器
    SRM电机的运行离不开控制器，它是实现SRM电机自同步运行和发挥优良性能的关键。它综合位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息，以及外部输入的命令，然后通过分析处理，决定控制策略，向SRD系统的功率变换器发出一系列开关信号，进而控制SRM电动机的运行。
    伴随着微电子器件的飞速发展，SRM电机的控制系统也从早期的分立模拟器件组成的简单控制系统逐渐发展成为以高性能微控制器为核心的数字化控制系统，相应地专为电机控制设计的高性能数字信号处理器(DSP)给各种高级复杂控制策略的实现提供了可能。数字控制器由具有较强的信息处理功能的CPU和数字逻辑电路及接口电路等部分组成。数字控制器的信息处理功能大部分是由软件完成。因此，软件也是控制器的一个重要组成部分。软、硬件的配合是否恰当，对控制器的性能将产生重大影响。
2.4 位置、电流检测器
    位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者。它及时向控制器提供定、转子极间相对位置的信号。常见的位置检测方案有光敏式、磁敏式及接近开关等。
电流检测器向控制器提供SRM电机绕组的电流信息，常见的电流检测方案有:电阻采样、霍尔元件采样和磁敏电阻采样等。
3 SRD系统的工作原理
SRD调速系统的工作过程是：当控制电路接受起动命令信号，在检测系统状态一切正常的情况下，根据角位移传感器提供的电动机转子位置信号，按起动逻辑给出相应的输出信号。该信号控制功率电路向电动机绕组供电，使电动机转子开始转动。当转子转过一定角度时，控制电路根据角位移传感器信号的变化通过功率电路使电动机通电相改变。当电动机转速达到一定值时，控制电路从起动逻辑转换为低速运行逻辑，或再从低速运行逻辑转换为高速运行逻辑。运行中，控制电路测试电动机运行中的转速或转矩等，并对其进行连续调节。当操作命令改变时，如停车、制动等，控制电路再次改变工作逻辑，通过功率电路使电动机实现操作要求。若运行中出现故障情况，如堵转、过载等，控制电路通过功率电路采取故障停车等保护措施，并通过显示电路报警。由此可知，开关磁阻电动机调速系统实际上是由电动机角位移传感器、功率电路和控制电路等组成的机电统一体，工作时各部分密切结合，缺一不可。虽然其中的每一部分都难以单独使用，但几部分组合起来便构成了高性能的机电一体化产品SRD。
4 SRD系统研究的几个关键点
    针对SRD系统的特点，目前应从以下几个方面进行深入的研究。
4.1 功率变换器拓扑结构设计
    由于SRD系统的性能和成本很大程度上取决于功率变换器的性能和成本，因此功率变换器的研究意义重大，目前研究主要集中在功率变换器拓扑结构设计、主开关器件的选择和使用等方面。理想的功率变换器拓扑结构应该为:
①能够独立、快速又精确地对SR电机各相相电流进行控制；②磁场储能尽可能地转换为机械能输出，当向电源回馈时应高效、快速；③驱动同等功率等级的SR电机，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量，可以驱动更高功率等级的SR电机；④每相主开关器件数目最少。
4.2 消除转矩脉动控制
    SR电机转矩脉动产生机理较为复杂，受到许多因素的影响，如电机结构、几何尺寸、绕组匝数、转速及控制参数等。由于SRM的双凸极结构，电磁特性以及开关的非线性影响，采用传统控制策略得到的合成转矩不是一恒定转矩，因而导致了相当大的转矩脉动。这点限制了SRD在很多直接驱动领域的应用。提出有效减小转矩脉动的方法具有十分重要的意义。
目前已有很多文献论及这个领域，取得了一定的效果。
4.3 低噪声控制
    针对SR电机本体，噪声是一个非常突出和有待解决的问题。早期的SRD由于很少考虑电机的噪声，所有的样机或产品都具有相对较大的噪声，以至于成为SRD的一大特点而为人们接受。随着研究的深入和SR电机应用的日益广泛，降低SR电机的噪声成了一个关键的研究课题。
4.4 无转子位置检测
    位置检测是SR电机同步运行的基础，也是SR电机区别于步进电机的主要方面之一，SR电机的各种高级控制技术都是以高精度的位置检测为首要条件，为了得到良好的性能，SR电机的控制器需要知道转子的位置信息。目前普遍采用外装光电式或磁敏式等轴位置检测器，这不仅增加了系统的体积和成本，而且降低了系统的可靠性。为了消除轴位置检测器这一不利因素，无转子位置检测技术成为SR电机研究的一大热点。
5 结束语
SRD调速系统具有诸多调速系统所不具有的特点。在煤矿生产机械中的应用越来越多。本文以三相6/4极SR电机为例着重讨论了其运行机理、系统组成和控制方式。开关磁阻电机的应用正处于方兴未艾的阶段，随着研究的进一步深入，系统设计技术的进一步成熟，SRD会得到越来越多的应用。

作者简介：梁南丁（1953.9），副教授，安徽省肥东人，毕业于中国矿业大学自动化系，现任教于平顶山工业职业技术学院。研究方向：电气自动化。