开关磁阻调速电机系统研究_百度文库

1、开关磁阻调速电机系统研究陈昊(221008摘要给出开关磁阻调速电机的优点。上的应用效果, , 并实现其产品化、系列化, 煤矿井下环境工况适应性、无位置检测器方案, 。关键词Research on Reluctance Var i able Speed M ach i ne SystemChen H ao(Ch ina U n iversity of M in ing and T echnology , X uz hou 221008, Ch ina Abstract T he advan tages of the s w itched reluctance variab le sp eed m

2、 ach ine is given . T he app licati on s on the electric locom o tive drive in coal m ine and the p um p drive are in troduced . T he app licati on s on the w ind generato r and the h igh sp eed drive are also p resen ted . T he adap tab ility in coal m ine , the indirect po siti on sen so r schem e

3、 , the fau lt diagno sis techno logy and the con tro l of eli m inating to rque p u lsati on requ ire a better research in o rder to p rop el the w ide app licati on s of the s w itched reluctance variab le sp eed m ach ine and i m p lem en t the indu strial 2izati on and the serializati on .Key wor

4、ds Sw itched reluctance E lectric locom o tive Pum p W ind generato r Servo drive1引言开关磁阻调速电机是由电力电子技术、控制技术及计算机技术与传统磁阻式电机相结合发展起来的新型无级调速系统。诞生于一个半世纪前的磁阻电机, 因换相时无法将电机磁场贮能回馈电源, 而不得不使用机械式开关换相, 这使电机运行时伴有周期性换相火花, 且控制精度低、性能很差。 本世纪50年代末晶闸管出现, 70年代后各种高速、全控型开关器件先后问世, 带来了电力电子技术的蓬勃发展, 加之控制技术及计算机技术日新月异的进步, 这种结构上最简单

5、的电机, 目前已成为高科技的研究热点之一。2开关磁阻调速电机的优点开关磁阻调速电机具有以下优点:(1 结构坚固、制造成本低开关磁阻电机的结构比直流电机、同步电机和感应电机都简单, 其转子无绕组、无永久磁体; 定子上设有集中绕组, 其线圈嵌装容易, 因此, 电机制造工序少、成本低。由于电机转矩方向与相电流方面无关, 仅需单极性供电的功率变换器, 故功率变换器的开关元件数量少; 每个主开关都与电机绕组串联, 不致发生双极性逆变器的“直通短路故障”, 简化了保护电路, 因此, 功率变换器和控制器的成本相对低廉。(2 控制性能好主开关开通角和关断角、相电流幅值及电机相电压均可用以控制电机的转矩、转速和

6、转向, 系统可控参第22卷第3期增刊仪器仪表学报2001年6月国家自然科学基金(60004008 , 煤炭科学基金(97电10104 , 中国矿业大学科技基金(2000A 4 资助项目。数多, 控制灵活方便, 可四象限运行。易于在宽广的速度范围内实现高效率、高输出的优化控制。(3 起动性能优由于电机是反应式结构, 只需单方向电流激励; 系统又具有电流闭环, 因此, 其起动力矩大, 无感应电动机在高滑差下起动时所出现的过冲击电流。它每小时起动次数不受限制, 可做不间断的连续起动、停车, 且电机转矩惯量比大, 快速起动能力强。(4 容错能力强由于开关磁阻电机系统采用简单而坚固的转子结构, 由单极性

7、功率变换器供单方向电流激励, , , (5 烧熔的故障; 转子上无碳刷、无换向器, 无直流电动机转子整流子故障, 适合在高粉尘、易燃、易爆等恶劣环境下运行。在煤矿井下的生产设备上, 如矿用运输机、电牵引采煤机、电机车牵引及局部风机和水泵等, 有广阔的应用前景, 可为提高这些生产设备的运行可靠性和延长其电动机使用寿命开辟一条新途径。这对于提高企业的经济效益、减少不安全因素和降低事故率具有重要意义。将开关磁阻电机系统作为小型风力发电机系统亦具有良好的应用前景。3应用成果介绍311工矿电机车传动系统应用长期以来, 国内工矿电机车主要采用串激直流电动机传动系统, 用切换电阻方式起动和电阻能耗方式制动;

8、 随着电力电子技术的发展, 国内采用直流斩波器实现了工矿电机车直流斩波调速传动控制。但直流电动机结构复杂、造价高; 又是有刷结构, 整流子易磨损、变形。直流电动机故障率高, 经常出现烧电机现象, 使得工矿电机车运行可靠性不高、维护工作量大、维修费用较高。随着我国煤矿现代化程度的不断提高, 作为煤矿井下生产“瓶颈”之一的工矿电机车运输系统从可靠性、维护性及经济性上考虑, 需要改造和更新。用开关磁阻调速电动机作工矿电机车的传动系统1, 一方面, 开关磁阻电动机结构坚固耐用, 电机转子上无碳刷、无换向器、无串激直流电动机整流子故障, 免除了对电机转子维护的要求, 也不易发生烧电机故障, 可减少电机车

9、传动系统的维修量; 另一方面, 实现了电机车再生制动控制, 可节约电能。此外, 开关磁阻调速电动机传动系统的噪音明显低于串激直流电动机传动系统。工矿电机车运行的可靠性、经济性的提高, 对于我国煤矿井下电机车的更新和改造将产生重大影响, 有广泛的推广应用价值, 同时为延长煤矿井下电动机使用寿命、提高煤矿井下电动机运行可靠性、提高煤矿企业的经济效益, 开辟了一条新途径。该成果不仅可应用于煤矿井下全系列电机车传动系统, 也可推, 如电动汽车、31, 工国防建设以及城乡生活均离不开它们。根据全国第三次工业普查公布的统计资料, 我国泵的总装机容量为111亿千瓦, 年耗电约2200亿千瓦时, 占全国发电量

10、的17%。若能使泵的运行效率略为提高, 其节能效益相当可观。由于泵的流量采用出口节流阀调节, 使系统能耗较大, 运行效率较低。泵类负载的功率P 2随其转速n 增加呈三次方增大。若选用调速电动机系统传动泵, 通过调节电动机转速实现泵流量调节, 可降低系统能耗, 节约电能。开关磁阻调速电动机系统可在较宽的转速范围内维持高效率运行。选用开关磁阻调速电动机系统对泵进行变速传动, 通过调节开关磁阻调速电动机系统的转速实现泵流量调节, 其节能效果明显、电机维护量小、可靠性较高、系统性能价格比高。用开关磁阻调速电动机系统对某厂的泵进行技术改造后, 99年全年节电率达40%左右, 同时泵传动系统的技术改造还降

11、低了泵工作噪声, 噪声由改造前90dB 降低到78dB 。用开关磁阻调速电动机系统对泵进行无级变速传动, 从而在各管网特性下, 使泵均可在较佳工况点工作。结果表明, 开关磁阻调速电动机系统在泵与风机等叶轮机械传动领域具有良好的应用前景。313风力发电机应用风能是取之不尽、 用之不竭的清洁能源, 在平均风速较高的地方可以常年取用风能。风力发电是将自处理等环境污染问题, 且用之不尽。风能的储量惊人, 世界范围内风能约为200亿瓦, 如果这些风能的1 100可被利用, 则可产生世界总发电量的89%。我国风能资源约2153亿瓦, 迄今只利用了234万瓦, 而目前全国电力约为2177亿瓦。随着电力需求的

12、进一步增长, 以及世界范围内对环境保护、能源再生等问题的日益重视, 二十一世纪将更加重视清洁能源和再生能源的开发利用。我国现有的以煤电为主的电力结构也必将向发电类型的多元化、能源再生化、能源“绿色”化转954第3期增刊开关磁阻调速电机系统研究变, 因此, 风力发电这种很有发展潜力的发电技术也受到越来越多的关注。风力发电受环境影响很大, 风速大范围变化会造成发电机输出特性有大范围变化, 而负载通常要求有恒定的电压供电。将开关磁阻电机系统作为小型风力发电机系统亦具有重大的应用价值。仅用电工硅钢片叠成的开关磁阻电机转子上无刷、无绕组、无永久磁体, 其转子惯量较小, 所需起动风速小。开关磁阻电机系统可

13、做到磁路上及电路上各相相互独立, 当某相发生故障时, 可通过切除故障相以保证系统继续运转, 它具有较高的运行可靠性和容错能力2。速范围内具有较高的系统效率, 运行, 。314其它应用动领域应用500W 、调速范围为12000r m in 18000r m in 的高速开关磁阻调速电动机传动系统, 它已用于传动豪华型工业吸尘器。应用结果表明, 该传动系统日常维护量小, 使用寿命长, 系统效率高。用于机器人关节直接传动的电动机系统应具有较大的低速力矩和较高的转子位置定位精度。直流力矩电机(低速直流伺服电机 直径相对较大, 难以满足机器人关节位置空间的限制。与同体积的直流伺服电机相比, 交流伺服电机

14、转矩小, 若计及负载的惯量, 则交流伺服电机系统的动态响应比直流伺服电机系统慢。开关磁阻电动机系统低速力矩大, 在控制上容易实现电动与制动运行的转换, 且每一步都可改变工作参数和工作状态, 并可准确定位; 特别是开关磁阻电动机具有转矩惯量比大、动态响应快的优点, 它作为机器人关节直接伺服传动系统具有良好的应用前景。4结束语开关磁阻调速电机尚有几个方面需进一步探讨:(1 煤矿井下环境工况适应性研究针对煤矿井下的恶劣工作环境, 及不同生产设备对开关磁阻调速电动机驱动性能的要求, 进行系统优化设计和系列设计; 还要研究其在煤矿井下散热及抗振的特殊问题。(2 无位置检测器方案的研究在煤矿井下高粉尘、潮

15、湿的恶劣环境下, 开关磁阻电动机的位置检测器容易失效; 且位置检测器引线过多, 降低了系统的可靠性。, 。3 , 是推。因此, 系统分析开关磁阻调速电动机的故障种类, 掌握先进的故障诊断技术, 尽早地检测出其故障并及时采取措施, 也是一个十分有意义的研究课题。(4 消脉动控制研究由于开关电动机磁路的饱和, 相电流产生转矩的非线性特性及各相电流、电压与转子位置、换相重叠角之间的非线性耦合, 使得开关磁阻电动机相绕组即使用恒定电流供电, 其瞬时转矩亦非恒定, 因此, 开关磁阻电动机输出转矩存在脉动。输出转矩的脉动性限制了它在诸如机器人关节等伺服传动场合下的应用。消除开关磁阻电动机输出转矩脉动, 是

16、实现其伺服传动应用的关键。参考文献1H . Chen , W . Cheng , G . X ie . M icrocompu ter Con tro l of ASw itched R eluctance D rive fo r Sto rage Battery E lectric V e 2h icle in Coal M ine . P roceedings of the 3rd R egi onal Com 2pu ter A pp licati on s in the M inerals Indu stries In ternati onalSympo sium . Kalgoo rlie , A u stralia . D ec . , 1998, 103105. 2H . Chen , C . Zhang , G . X ie . A