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| 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)綜述 |
| 內(nèi)容簡介：我國華中科技大學(xué)開關(guān)磁阻電機(jī)課題組在“九五”項(xiàng)目中研制出使用SRD的純電動(dòng)轎車,在“十五”項(xiàng)目中將SRD應(yīng)用到混合動(dòng)力城市公交車,均取得了較好的運(yùn)行效果。 |
隨著電力電子、微電腦和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展,開關(guān)磁阻電機(jī)逐漸發(fā)展成為一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及效率高等突出特點(diǎn),成為交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的強(qiáng)有力的競爭者,引起各國學(xué)者和企業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文首先對開關(guān)磁阻電機(jī)的基本工作原理和特點(diǎn)做以介紹;然后針對開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)建立了用狀態(tài)方程表示的非線性動(dòng)態(tài)模型,系統(tǒng)地概述該電機(jī)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀;最后將該電機(jī)與其他電機(jī)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能等方面進(jìn)行比較,進(jìn)一步了解該電機(jī)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢。
開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor)簡稱SRM,是一種新型調(diào)速電機(jī),調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最新一代無極調(diào)速系統(tǒng)。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(SDR)因其具有如下特點(diǎn)而得到許多企業(yè)的青睞:電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、制造工藝簡單,成本低,可工作于極高轉(zhuǎn)速;定子嵌放容易,端部短而牢固、適用于惡劣、高溫甚至強(qiáng)震環(huán)境;功率變換器的開關(guān)器件數(shù)少,系統(tǒng)成本低,可靠性很高;調(diào)速范圍寬,控制靈活,易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-速度特性,具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力。開關(guān)磁阻電機(jī)通過調(diào)整開通角、關(guān)斷角、電壓和電流,可以得到不同負(fù)載要求的機(jī)械特性,控制簡單、靈活,能容易地實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和四象限運(yùn)行。
1.開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理介紹
開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一種新型調(diào)速系統(tǒng),其原理是通過定轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu), LGBT開關(guān)控制相繞組及使轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并調(diào)速。
開關(guān)磁阻電機(jī)是帶位置閉環(huán)速度控制的步進(jìn)電機(jī),又稱開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SRD)。主要由控制器、功率變換器、檢測器和開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM或SR電機(jī))四部分組成�？刂破鲀�(nèi)往往包含控制電路與功率變換器,而轉(zhuǎn)子位置檢測器則安裝在電機(jī)的一端�！ R電機(jī)相數(shù)比較自由,可以設(shè)計(jì)成單相、兩相、三相、四相及多相等不同參數(shù)結(jié)構(gòu),且有每極單齒結(jié)構(gòu)和每極多齒結(jié)構(gòu),軸向氣隙、徑向氣隙和軸向-徑向混合氣隙結(jié)構(gòu),內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。低于三相的SR電機(jī)一般沒有自啟動(dòng)能力。相數(shù)多,有利于減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng),但導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、主開關(guān)器件多和成本增高。目前應(yīng)用較多的是三相、四相和五相結(jié)構(gòu)。
SR電機(jī)雖從電機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理上看與大步距角的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)很相似,但SR電機(jī)有其自己特點(diǎn):可控參數(shù)多,既可以調(diào)節(jié)主開關(guān)管的開通角和關(guān)斷角,也可采用調(diào)壓或限流斬波控制。
SR電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為磁阻性質(zhì),故電機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān),僅取決于相繞組通電順序,這使得能夠充分簡化功率變換器電路。聯(lián)通任何一相的主開關(guān)由接通變?yōu)槎伍_始,可以將電路中剩余的能量回饋給電源。SR電機(jī)的這種能量回饋和系統(tǒng)效率高的特點(diǎn)使得其應(yīng)用的更加擴(kuò)大。同時(shí)需要注意的是,SR電機(jī)有兩個(gè)限制其應(yīng)用推廣的兩個(gè)重要特征:一是磁路非線性嚴(yán)重,二是電流的非正弦性。
2.電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的分析
通過控制相繞組電流導(dǎo)通的時(shí)刻、相電流脈沖的幅值和寬度,可以控制SR電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小和方向。由于是磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩,故SR電機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān),僅取決于相繞組通電的順序,這使得能夠充分簡化功率變換器電路。
3.SR電動(dòng)機(jī)角度控制
SR電動(dòng)機(jī)角度控制(即控制開通角和關(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(nèi),對繞組加反電壓,電流續(xù)流并快速下降,直至消失。
角度控制的電動(dòng)機(jī)特性主要有以下特點(diǎn):
�、� 可改變電動(dòng)機(jī)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(jī)運(yùn)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(jī)制動(dòng)運(yùn)行。
�、诳筛淖冸妱�(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,電動(dòng)狀態(tài)下開通角提前,則在最小電感區(qū)段電流上升時(shí)間加長,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相對位置,電流有效值也隨之變化,因此同樣影響電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速,但影響小于。
采用角度控制,SR電機(jī)性能有以下特點(diǎn):
①轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍廣,如果定義電流存在區(qū)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(shù)可變,電動(dòng)機(jī)出力較大,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。
�、垭妱�(dòng)機(jī)效率高,通過角度優(yōu)化控制,使電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載下均能保持高效率。
�、懿贿m用于低速。角度控制方式中,電流峰值主要由旋轉(zhuǎn)電勢限制。低速時(shí)旋轉(zhuǎn)電勢減小,可使電流峰值大至不允許。
4. 開關(guān)磁阻電機(jī)的非線性動(dòng)態(tài)模型建立
以下為開關(guān)磁阻電機(jī)的非線性動(dòng)態(tài)模型,并以此模型編制仿真軟件,通過仿真測試,得出開關(guān)磁阻電機(jī)最佳起動(dòng)狀態(tài)。
假設(shè):①忽略鐵心的磁滯和渦流效應(yīng);②主電路電源的直流電壓U保持不變;③電機(jī)各相參數(shù)對稱,每相的兩個(gè)線圈對稱,且忽略相互互感。則得到開關(guān)磁阻電機(jī)用狀態(tài)方程表示的數(shù)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(zhuǎn)動(dòng)慣量;為電磁轉(zhuǎn)矩;為角速度;D為粘滯系
表示電機(jī)各相,式中,和a為系數(shù);為轉(zhuǎn)子極數(shù);為各相的位置角。
根據(jù)式3和式4所描述的開關(guān)磁阻電機(jī)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(jì)算。圖4表示給定轉(zhuǎn)速為1200r/min時(shí)的空載電流波形和轉(zhuǎn)速波形及給定轉(zhuǎn)速為1200r/min、負(fù)載轉(zhuǎn)矩為4.23Nm的電流波形和轉(zhuǎn)速波形。比較圖5中仿真計(jì)算的電流波形(虛線)與實(shí)驗(yàn)測得的電流波形(實(shí)線),可見兩者很接近,空載時(shí)誤差小于10%,負(fù)載是電流誤差小于5%。
5.開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用
近些年來,開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展取得了明顯的進(jìn)步,已成功地應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)、通用工業(yè)、家用電器和紡織機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域,功率范圍從10W到5MW,最大速度高達(dá)100000 r/min。
�、匐妱�(dòng)車應(yīng)用:開關(guān)磁阻電機(jī)最初的應(yīng)用領(lǐng)域就是電動(dòng)車。采用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)有其獨(dú)特的優(yōu)勢。當(dāng)高能量密度和系統(tǒng)效率為關(guān)鍵指標(biāo)時(shí),開關(guān)磁阻電機(jī)變?yōu)槭走x對象。SRD開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊牢固,適合于高速運(yùn)行,并且驅(qū)動(dòng)電路簡單成本低、性能可靠,在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率都比較高,而且可以方便地實(shí)現(xiàn)四象限控制。這些特點(diǎn)使SRD開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)很適合電動(dòng)車輛的各種工況下運(yùn)行,是電動(dòng)車輛中極具有潛力的機(jī)種。開關(guān)磁阻電機(jī)不僅效率高,而且在很寬的功率和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能保持高效率,這是其它類型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)難以達(dá)到的。這種特性對電動(dòng)車的運(yùn)行情況尤為適合,有利于提高電動(dòng)車的續(xù)駛里程。滿足電動(dòng)車四象限運(yùn)行的要求,能在高速運(yùn)行區(qū)域保持強(qiáng)有力的制動(dòng)能力。
�、诩徔椆I(yè)應(yīng)用:近十多年來我國紡織機(jī)械行業(yè)的機(jī)電一體化水平有了較明顯的提高,在新型紡織機(jī)械上普遍采用了機(jī)電一體化技術(shù)。無梭織機(jī)的主傳動(dòng)技術(shù)也有了新的突破:采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為無梭織機(jī)的主傳動(dòng)帶來許多好處,減少傳動(dòng)齒輪、不用皮帶和皮帶盤,不用電磁離合器和剎車盤,不用尋緯電機(jī),節(jié)能10%等優(yōu)點(diǎn)。
�、劢固抗I(yè)應(yīng)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),無需其它的電源變壓器,節(jié)能,維護(hù)簡單,特別適用于礦井輸送機(jī)、電牽引采煤機(jī)及中小型絞車等。
�、� 家電行業(yè)應(yīng)用:洗衣機(jī)電機(jī)由簡單的有級調(diào)速電機(jī)發(fā)展為無級調(diào)速電機(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)由于低成本、高性能、智能化已開始應(yīng)用于洗衣機(jī),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(jī)、最大速度高低速轉(zhuǎn)矩大等。
6.開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展趨勢展望
作為一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),開關(guān)磁阻電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高效率、優(yōu)良的調(diào)速性能和靈活的可控性,愈來愈得到人們的認(rèn)可和應(yīng)用。目前已成功應(yīng)用于在電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應(yīng)用、伺服系統(tǒng)、高速驅(qū)動(dòng)、航空航天等眾多領(lǐng)域中,成為交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的強(qiáng)有力競爭者。
美國、加拿大、南斯拉夫、埃及等國家都開展了SRD系統(tǒng)的研制工作。在國外的應(yīng)用中,SRD一般用于牽引中,例如電瓶車和電動(dòng)汽車。同時(shí)高速性能是SRD的一個(gè)特長的方向。據(jù)報(bào)道,美國為空間技術(shù)研制了一個(gè)25000r/min、90kW的高速SRD樣機(jī)。
我國華中科技大學(xué)開關(guān)磁阻電機(jī)課題組在“九五”項(xiàng)目中研制出使用SRD的純電動(dòng)轎車,在“十五”項(xiàng)目中將SRD應(yīng)用到混合動(dòng)力城市公交車,均取得了較好的運(yùn)行效果。紡織機(jī)械研究所將SRD應(yīng)用于毛巾印花機(jī)、卷布機(jī),煤礦牽引及電動(dòng)車輛等,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
近年來功率電子技術(shù),數(shù)字信號處理技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展,而且隨著智能技術(shù)的不斷成熟及高速高效低價(jià)格的數(shù)字信號處理芯片(DSP)的出現(xiàn),利用高性能DSP開發(fā)各種復(fù)雜算法的間接位置檢測技術(shù),無需附加外部硬件電路,大大提高了開關(guān)磁阻電機(jī)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(jì)算機(jī)控制的柔性制造系統(tǒng)、主體倉庫、機(jī)器人進(jìn)行裝配等組合起來,由計(jì)算機(jī)控制材料、部件的供應(yīng)管理、達(dá)到全廠高效率、高質(zhì)量的全自動(dòng)化均衡生產(chǎn),設(shè)計(jì)和制造水平不斷提高,專用控制芯片和集成功率器件不斷被開發(fā)出來,開關(guān)磁阻電機(jī)性能和適用性不斷增強(qiáng)。隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的日益發(fā)展,各行各業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化程度越來越高,為開關(guān)磁阻電機(jī)提供了巨大的潛在市場。
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永磁無刷直流電機(jī)PWM調(diào)制方式研究。
無刷直流電動(dòng)機(jī)模型2PWM調(diào)制方式對電流的影響永磁無刷直流電機(jī)在忽略凸極效應(yīng)時(shí)，定子三相繞組的自感和互感為常數(shù)，與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)。
微電機(jī)轉(zhuǎn)子壓鑄模設(shè)計(jì)。
與一般壓鑄件不同，微電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)看似簡單，但壁厚相差較大，端環(huán)壁厚、風(fēng)葉、導(dǎo)條較薄細(xì)。若模具設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致端環(huán)部分產(chǎn)生縮孔、疏松、氣孔以及導(dǎo)條、風(fēng)葉部分成形不足等質(zhì)量問題。
YE3電機(jī)和YE2電機(jī)、YX3電機(jī)的區(qū)別？
由于國內(nèi)目前Y,Y2，Y3系列電機(jī)基本都淘汰,所以YE3超高效節(jié)能電機(jī)節(jié)約能源、降低長期運(yùn)行成本，非常適合紡織、風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)使用，靠節(jié)電一年可收回電機(jī)購置成本；直接啟動(dòng)、或用變頻器調(diào)速，可全面更換異步電機(jī)；
西安西瑪高壓電機(jī)維修的工藝流程簡單介紹
西安西瑪高壓電機(jī)生產(chǎn)廠家批量生產(chǎn)電機(jī)時(shí)，要購真空浸漆設(shè)備，該設(shè)備由專業(yè)廠家提供。一般修理廠家利用電加熱棒加熱定子至一定溫度后翻轉(zhuǎn)，定子口朝上進(jìn)行雙面灌漆。
西瑪電機(jī)維修在生活中尤為重要。
西瑪電機(jī)本身如果過載，欠壓過壓，都會(huì)引起電機(jī)繞組故障。這不僅會(huì)對影響電機(jī)的使用效率，也會(huì)對我們的人身安全造成一定的威脅。電機(jī)維修在這個(gè)時(shí)候就顯得尤為重要。
磁力軸承電機(jī)的抗沖擊計(jì)算
在進(jìn)行沖擊作用下的時(shí)程分析之前，首先對各個(gè)軸承剛度下電機(jī)系統(tǒng)的自振頻率進(jìn)行了計(jì)算，以此確定主要振動(dòng)模式。
如何解決變頻器對電機(jī)的影響
由于采用變頻器供電后，電動(dòng)機(jī)可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動(dòng)，并可利用變頻器所供的各種制動(dòng)方式進(jìn)行快速制動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)創(chuàng)造了條件，因而電動(dòng)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的作用下，給機(jī)械結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)帶來疲勞和加速老化問題。
三相異步電動(dòng)機(jī)選購小常識
電動(dòng)機(jī)與節(jié)能、環(huán)保和人民的生活有極其密切關(guān)系，在我們的日常生活中發(fā)揮著重要作用。正確選用電機(jī)直接關(guān)系到人身的 安全和設(shè)備的可靠運(yùn)行。
電機(jī)的安裝取樣與原理分析
在三相不可逆轉(zhuǎn)設(shè)備或饋電線路中，待確定相序后，因維修或更改供電線路與原認(rèn)定相序錯(cuò)相相接時(shí)，保護(hù)器可鑒別其原定相序，從而對電機(jī)和相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。
無速度傳感器異步電機(jī)矢量控制方法
無速度傳感器的控制系統(tǒng)無需檢測硬件，免去了速度傳感器帶來的種種麻煩，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的成本；另一方面，使得系統(tǒng)的體積小、重量輕，而且減少了電機(jī)與控制器的連線，使得采用無速度傳感器的異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用更加廣泛。
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