(天津市南港工业区港务有限公司)
摘要:开关磁阻电机（简称SRM）调速系统具有结构简单，坚固，工作可靠，成本低，系统控制灵活，调速性能好，运行效率高，温升低等诸多优点，它结合了交流变频系统的坚固耐用，适用于恶劣环境和直流调速系统的可控性好等优良特性，是电气传动系统发展过程中的重要里程碑。
关键词：开关磁阻电机（SRM），步进电动机，同步电动机
直流电动机，开关磁阻电机特别适用在恶劣环境和要求超高速的场合下运行，现在已经广泛地应用在纺织、造纸、煤矿、航空、机械等领域的砂浆机、造纸机、采煤机、风机、水泵、家用电器和机器人等负载上，功率范围从几瓦到几兆瓦。其调速系统主要有开关磁阻电机，功率变换器，控制器，位置检测器和电流检测器等5个部分组成。
1.1.1与步进电动机驱动系统的比较
步进电动机一般作为信号变换的控制电机，在自动控制和数字控制系统中广泛应用。按电机结构划分，步进电机有反应式、永磁式、及永磁感应式三种。开关磁阻电机在结构和运行原理上看比较接近于反应式步进电机。二者主要差别如下：
（1）从设计要求看，步进电机的设计要求是输出较高的位置精度和高的转矩与位置的变化率；而开关磁阻电机的设计要求则为变速驱动和有平滑的转矩变化。
（2）从控制方式看，步进电机是位置开环控制，可能会出现失部现象；而开关磁阻电机是闭环位置控制，不会失部。
（3）从运行特点看，步进电机只作电动状态运行；而开关磁阻电机即可运行在电动状态，也可运行在制动状态。
（4）从应用场合看，步进电机多应用于要求角位移精密传动的小功率位置控制系统中；而步进电机用于一般的要求功率驱动的电气传动系统中。
1.1.2与反应式同步电动机的比较
反应式同步电动机的定子与常规多相交流电机相同，各相定子绕组通入交流电后产生旋转磁场。转子是凸极结构，无需励磁，利用凸极效应，即直轴同步电抗和交流同步电抗的差别，传递功率。开关磁阻电机与常用反应式同步电动机的不同之处在于：
（1）开关磁阻电机的转子是凸极结构，而定子也采用凸极结构，以增加各相的凸极效应，使电机结构更加简化。
（2）开关磁阻电机的各相绕组的电压波形不是正玄波，而是由开关电路提供的脉冲波，不会产生圆形旋转磁场，仅产生步进的磁场。
（3）开关磁阻电机设置了位置闭环控制，不会产生失步。而反应式同步电机存在启动和调速方面的问题。
1.1.3与直流电动机比较
开关磁阻电机具有和直流电动机相近的固有特性，但其与直流电动机也存在一些差异：
（1）开关磁阻电机不存在换相火花、维修困难等缺点。
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（2）开关磁阻电机的四象限运行实现也比较容易，可以提供
灵活的转矩/转速特性，以适合于加速运行、稳定运行、以及制动运行。
（3）电流电动机调速系统中电机本体占系统成本的大部分，但在开关磁阻电机调速系统中，功率主回路和控制电路占成本的大部分。且随着电力电子和计算机的发展价格的下降，有利于开关磁阻电机进一步降低成本。
1.1.4 与无换向器电流电动机比较
无换向器直流电动机既同步电动机采用带转子位置闭环控制的自控变频器供电，构成自整步同步电动机。实际上，无换向器电流电动机是以电子换相代替了直流电动机换向器的机械换相。
开关磁阻电机虽然也是由带位置闭环控制的自控变频器供电，但是由于开关磁阻电机的转子是反应式无需励磁，定子绕组只需直流脉冲供电，因此开关电路和电机结构比较简单，并且保持了直流电动机的启动和调速的优良特性。
1.1.5 与异步电动机变频调速系统的比较
（1）电动机方面的比较。与异步电动机相比，开关磁阻电机坚固、简单，尤其转子上没有绕组，因此不会有异步电动机由于笼型转子所引起的铸造不良、疲劳故障及最高转速限制等缺点；在定子方面，虽然开关磁阻电机通常装有位置检测器，但由于只有集中绕组，因此与同容量相比，其制造成本低，制造难度小。
（2）逆变器方面的比较。开关磁阻电机功率变换器总体上与异步电动机PWM变频器相比略占优势。开关磁阻电机驱动系统的相电流上单向流动，与转矩方向无关，这样每相可做到只用一个主开关器件即可开展系统实现四象限运行；而异步电动机PWM变频段每相则必须有2个。另外，异步电动机电压型PWM变频器上开关器件都跨接在电源上，存在因误触发而使上下桥臂直通，造成主电路短路的故障隐患，而开关磁阻电机功率变换器主电路中，始终有一相绕组与主开关串联，这就从机构上排除了短路击穿的可能。事实上，异步电动机PWM变频器电路中通常要附加预防低阻抗击穿的电路；这无疑增加了成本和机构的复杂性，而且主开关器件的电流额定值也因此提高；开关操作电机功率变换器换相开关的开关频率较异步电动机PWM变频器中主开关器件的工作频率低得多，因此在同样的工作状态下，开关磁阻电机驱动系统可选择开关频率较低的器件。
（3）系统性能方面的比较。具有双凸极结构的开关磁阻电机与传统的电机相比，具有本质的区别，它是开关磁阻电机和电力电子开关电路相结合产生的一种节能型变速驱动系统。开关磁阻电机驱动系统在单位体积转矩值、效率、逆变器伏安容量及其它性能参数与异步电动机PWM变频调速系统相比具有强大的优势。这说明用开关磁阻电机驱动系统实现比异步电动机PWM变频调速系统更加优良的性能。
从上所阐述外，开关磁阻电机还具有高性能的可控直流电动机的特性，控制较变频调速系统灵活、方便，仅通过控制相绕组的接通、关断的时间即可得到满足各种需要的转矩/速度特性。而且开关磁阻电机在低频运行时不会出现像异步电动机变频调速系统那样由于电动机本身固有的不稳定性而导致出现振荡和不稳定，在较低的速度范围内，开关磁阻电机确定系统具有比异步电动机调速系统高的转矩/电流比值和优良的动态性能。
参考文献：
（1）《开关磁阻电机稳态特性研究和迭代学习控制》张志全，李忠杰。 合肥工业大学，2004
（2）《开关磁阻电机设计与应用》 吴建华 机械工业出版社2000
（3）《永磁式开关磁阻电机原理及特性分析》 廖海平，陈永校2000
（4）《开关型磁阻电动机调速控制技术》王宏华机械工业出版社 1995
论文作者:徐建军
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/19
标签：磁阻论文; 电机论文; 系统论文; 直流电动机论文; 反应式论文; 转矩论文; 绕组论文; 《电力设备》2018年第17期论文;