開關磁阻電動機原理及在紡織行業(yè)中的應用
| ［摘 要］開關磁阻調速電動機屬新一代交流調速系統(tǒng)。本文介紹了開關磁阻調速電動機的結構、原理，比較了它與直流調速系統(tǒng)以及變頻調速系統(tǒng)特點，例舉了它在紡織機械中的應用，同時指出了這種電機在國內的發(fā)展趨勢。 0 前言 開關磁阻調速電動機的國際標準全稱為Switched Reluctance Motor Drive，它的英文縮寫為SRD（以下簡稱SRD）。我國業(yè)內稱之為開關磁阻電動機調速系統(tǒng)或稱其為可變磁阻凋速電動機。它是繼變頻調速系統(tǒng)、無換向器電動機調速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的新一代交流無級調速系統(tǒng)，是集現(xiàn)代微電子技術、數(shù)字技術、電力電子技術及現(xiàn)代電磁理論、設計與制造技術為一體的光、機、電一體化高新技術產(chǎn)品。SRD一經(jīng)問世，便以其寬廣的調速范圍，良好的輸出機械特性，卓越的起、制動性能以及可靠、節(jié)能、免維護等一系列突出優(yōu)點成為當今世界電氣傳動領域的后起之秀，引起各行業(yè)的廣泛關注。 SRD是20世紀90年代從實驗室逐步轉入大規(guī)模的生產(chǎn)與應用的。一些西方經(jīng)濟發(fā)達國家對SRD的研究開發(fā)起步較早并已取得顯著成效，產(chǎn)品功率等級從10W到數(shù)MW，成功應用于車輛驅動、機械、冶金、航空、紡織、家電等諸多行業(yè)，發(fā)揮著其特有的優(yōu)勢。目前，我國對SRD的研發(fā)也已經(jīng)從實驗室進入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)與推廣應用階段。 1 SRD的組成和工作原理 1.1 組成 SRD通常由開關磁阻電動機（SRM）、功率變換器、控制器和轉子位置檢測器四大部分組成，見圖1。而SRD產(chǎn)品則一般由電動機和控制器兩大件組成，位置檢測器安裝在電動機內，控制器則兼有控制與功率變換功能。見圖2。  1.2 SRD各部件的結構及工作原理 1.2.1 SRD的結構 SRM是開關磁阻電動機調速系統(tǒng)中實現(xiàn)機與電能量轉換的部件，也是SRD區(qū)別于其它電動機調速系統(tǒng)的主要標志。SRM系雙凸極可變磁阻電動機，即轉子、定子的電極都是凸起的顯極結構。定、轉子均由硅鋼片沖片疊壓而成，定子凸極上嵌有集中繞組而轉子上既無繞組也無恒磁體。SRM可設計成各種不同的相數(shù)，如單相、兩相、三相、四相等，相數(shù)越多，步距角越小，有利于減小轉矩脈動，但功率變換電路所用電力電子器件就越多，成本相對就高。由于單相、兩相的SRM難于自起動，故實用的開關磁阻電動機多以三相、四相為主。同一相的SRM還可以有不同的定、轉子凸極數(shù)，如三相可設計成6／4結構，即定子6個凸極、轉子4個凸極，還可以設計成12／8結構，即定子12個凸極、轉子8個凸極等。見圖3。  1.2.2 SRD的工作原理 圖4為四相8／6結構SRM電機削面及驅動原理示意圖。圖中定子8個凸極中，空間位置對稱的兩個極繞組聯(lián)成一相，圖中僅畫出其中A相繞組及其驅動電路。開關磁阻電動機調速系統(tǒng)的命名實際上已道出了其工作原理。SRM的運行原理遵循物理學中的“最小磁阻原理”，即磁路總是力圖沿磁阻最小的路徑閉合，“磁阻”變化是SRM輸出轉矩產(chǎn)生的根源，而“開關”則是指切換通電相序的電子開關。眾所周知，鐵磁性物質的磁導率要比空氣大得多，因此鐵芯線圈磁路中如果包含空氣隙，氣隙部分的磁阻當然要比鐵芯部分大得多，一旦給線圈通電，就會產(chǎn)生使氣隙減小的磁拉力。大家熟悉的接觸器就是典型的例子：初始狀態(tài)，銜鐵與鐵芯之間有較大氣隙，一旦線圈通電，銜鐵在磁拉力作用下與鐵芯吸合帶動觸點動作，氣隙減至最小，磁路的磁阻變?yōu)樽钚?。再看圖4：定子D-D’凸極與轉子1—1’凸極錯位，氣隙大、磁路磁阻大，當D相繞組通電勵磁，轉子必作逆時針方向轉動，使其凸極1—1’的軸線向定子凸極D-D’的軸線靠攏，使氣隙最小、磁路磁阻最小。然而一旦兩軸線重合，磁拉力將為零。故1—1’軸線接近D-D’軸線的適當角度時就必須關斷D相電子開關，切斷D相繞組電源，同時接通A相電子開關S1、S2，轉子凸極2-2’軸線將會向定子凸極A-A’軸線靠攏，形成使轉子繼續(xù)逆時針旋轉的磁拉力，同樣在2-2’軸線接近A-A’軸線適當角度關斷S1、S2，VD1、VD2將提供續(xù)流回路，能量將回饋電源。  由圖四還可以看出，控制電子開關按D-A-B-C的順序通電，轉子將作逆時針方向旋轉；反之，如控制電子開關按B-A-D-C的順序通電，則轉子將作／頃時針方向旋轉。通過控制加在相繞組端電壓的高低、相電流的大小及控制電子開關的導通角、關斷角，即可控制開關磁阻電動機的轉速與轉矩。 1.3 SRD的特點 開關磁阻調速電動機之所以能在調速系統(tǒng)中異軍突起，主要是因為其卓越的性能，現(xiàn)簡介于下： 1.3.1 電機結構簡單、結實，可以用于超高速運行及適應惡劣的環(huán)境； 1.3.2 轉矩方向與繞組內電流方向無關，功率變換電路可得以簡化且不會出現(xiàn)直通故障，可靠性大為提高； 1.3.3 起動轉矩大、起動電流小，在額定電流之下即可使起動轉矩比額定轉矩大2～3倍，特別適合于頻繁起停、頻繁正反轉的場所； 1.3.4 調速范圍寬、調速性能好，可控參數(shù)多，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉矩—速度特性； 1.3.5 效率高，特別是在寬廣的調速范圍內及負載大幅度變化時，依然保持高效率； 1.3.6 能實現(xiàn)四相限運行，具有較強的再生制動能力； 1.3.7 轉子上既無繞組又無永磁體，能承受高溫，轉動慣量小，更易滿足隨動系統(tǒng)的需求。 早期SRD樣機或產(chǎn)品的噪聲普遍較大，特別是加重載的情況下更為明顯，以至于成為SRD的必然規(guī)律而被接受。從前述SRD工作原理中已知，其轉動是步進式的，轉矩脈動是必然存在的，特別是在低速運行時尤為明顯。轉矩脈動和噪聲偏大兩個突出問題在一段時間里已成為SRD進一步推廣應用的關鍵難題，成為該領域專家、科研設計人員科技攻關重點課題。近年已取得長足的進展：新一代優(yōu)化設計的三相12／8結構SRD，已使額定負載時的噪聲低于同功率感應電動機的水平；現(xiàn)在又進一步采用最優(yōu)勵磁控制策略、兩次換流控制策略結合優(yōu)化的電磁設計、電機制造工藝，已將轉矩脈動和噪聲控制到了十分理想的水平。 2 與其它幾種電機調速系統(tǒng)的比較 2.1 與直流調速系統(tǒng)的比較 20世紀70年代直流電動機已經(jīng)具備了調速性能好、調速控制電路簡單、可靠的優(yōu)勢，并且占據(jù)調速傳動領域的主導地位。然而隨著生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展，直流調速系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)也就逐漸成為發(fā)展提高的障礙。主要問題在于直流電動機所固有的電刷、換向器結構上：電刷與換向器的接觸不良問題，特別容易產(chǎn)生電火花；電刷的磨損需經(jīng)常維護保養(yǎng)；直流電動機的體積笨重，價格昂貴也都制約了它在高速、大容量、高精度系統(tǒng)及多塵、潮濕、易燃易爆環(huán)境下的使用。所有這些缺陷給紡織機械在選擇調速系統(tǒng)方面帶來了很大的缺憾。在不得不使用的場合中，往往只能是加強維修保養(yǎng)與清潔工作，同時還必須做好車間的防火工作。SRD屬無刷無級、調速性能優(yōu)異的調速系統(tǒng)，紡織機械采用之后，可在濕熱的惡劣環(huán)境下免維護運行。 2.2 與交流變頻調速系統(tǒng)的比較 20世紀80年代交流感應電動機變頻調速系統(tǒng)由于結構簡單、體積小與調速方便受到了人們的追崇。在現(xiàn)實使用中，人們對它們的表現(xiàn)依然感到不滿意。這主要因為交流感應電動機變頻調速系統(tǒng)在額定轉速、額定負載下運行時效率和功率因素較高，而一旦低速運行或負載變化時，其效率和功率因素將急劇下降，電機與變頻器發(fā)熱嚴重。當外部環(huán)境溫度、濕度較高時，往往造成過熱保護動作，紡織機械會突然停機，只有等待溫度降下來之后，才能重新啟動該機使其正常運行。另外，變頻器不可能根本解決感應電動機啟動電流大的毛病，變頻調速系統(tǒng)工作時還不可避免地存在電磁諧波對電路系統(tǒng)的干擾。開關磁阻電機調速系統(tǒng)由于在全調速范圍內均具有高效率，不存在低速運行及負載變化時電機、控制器嚴重發(fā)熱問題?？杀＜徔棛C械在濕熱環(huán)境下長期安全地運行。SRD起動電流小、起動轉矩大的優(yōu)點更能適應頻繁起停、頻繁正反轉的紡織機械的需求。SRD的電磁諧波干擾也比變頻調速系統(tǒng)小得多。 2.3 與直流無刷電機調速系統(tǒng)的比較 直流無刷電機調速系統(tǒng)也是現(xiàn)代交流調速系統(tǒng)的杰出代表之一。它的******特點是用恒磁體做電機的轉子，定子繞組則由一組電子開關有選擇地通電。其轉矩產(chǎn)生的原理類似于直流電動機而又革除了電刷、換向器，實現(xiàn)了“無刷”。隨著國內電子控制技術水平、恒磁材料加工水平的提高及電機制造手段、工藝的進步，直流無刷電動機調速系統(tǒng)的研究開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化進展迅速，產(chǎn)品逐步得到了用戶的認可。但遺憾的是直流無刷電機運行時，轉子中的恒磁體會長期處于交變磁場之中，磁性逐漸出現(xiàn)衰退是不可避免的。這樣，最終將會導致這種電機的有效出力和效率不斷下降。在這方面卻又恰恰是開關磁阻電機調速系統(tǒng)強項，由于其轉子并沒有使用恒磁材料來做因此也就從根本上杜絕了上述現(xiàn)象。 3 SRD在紡織機械中的應用 3.1 SRD在印染行業(yè)中的應用 3.1.1 在印染后整理的過程中，為了將染整后的織物卷繞整齊，需要使用卷取裝置。該裝置的特點就是要在被卷取的織物位置發(fā)生偏差時進行連續(xù)糾偏。這種設備對驅動電機的要求是：必須具備寬范圍無級調速；能夠適應長時間連續(xù)頻繁正反轉，反應時間要求小于0.3秒；另外，還要求能長期在濕熱的惡劣環(huán)境下工作。 國內某企業(yè)，起先采用直流伺服電機作動力。使用中發(fā)現(xiàn)這種電機難以適應濕、熱的惡劣環(huán)境。接著他們改用國外某著名企業(yè)制造的矢量控制型變頻器控制感應電機作動力，系統(tǒng)動態(tài)指標達到，但這種變頻器價格高，而控制器又嚴重發(fā)熱，結果在0.75KW電機上被迫選用了4KW變頻器。目前采用了SRD作動力，結果收到了意想不到的良好效果，同時還解決了電機在潮濕環(huán)境里運行的問題。同理，SRD電機也是織造工序后整理驗卷機的******動力選擇。 3.1.2 在印染行業(yè)中，筒紗染色均勻性在工藝被決定了之后，主要就取決于筒子染色機輸送染液的主泵對流量流速的控制與選擇。由于紗線品種的多樣性，不同紗支所需的流量流速存在著差異；即使是同一種紗線若捻度不一樣也需要主泵對流量流速進行選擇。早期的筒子染色機人們必需憑借經(jīng)驗來工作；20世紀90年代有了交流變頻器就可以通過染缸內外差的檢測與反饋信號調節(jié)主泵轉速來解決；現(xiàn)在有了SRD調速系統(tǒng)完全可以利用它取代交流變頻器。這是因為SRD調速系統(tǒng)在與PLC編程控制裝置結合之后其染液流量流速狀態(tài)更容易被控制，在任何情況下都能給出一個合理數(shù)值；同時電子元器件也不再受溫度與濕度的干擾，這樣也就確保了運行的穩(wěn)定性。 3.2 SRD在化纖行業(yè)中的應用 在化纖行業(yè)，其關鍵工序之一是將熔融的化纖材料在恒壓下，由微孔噴出冷卻成絲。為了使出絲的直徑嚴格一致，紡絲泵（又稱計量泵）的轉速必須高度穩(wěn)定。一般紡絲泵是由永磁同步電機驅動的。這種電機內有永磁體，長期工作會逐漸退磁失效，電機就必須及時更換。如果采用SRD調速電機由于其有位置檢測器，完全可以構成速度閉環(huán)系統(tǒng)，保證轉速穩(wěn)定且不受負載變化的影響。目前，在一些化纖廠已經(jīng)使用SRD取代永磁同步電機運行，做到了無故障，免維護并深受使用廠家的好評。 3.3 SRD在紡織行業(yè)中的應用 3.3.1 在紡織行業(yè)的前紡工作中，進口的抓棉機早改成為條狀式，那么其條狀工作臺對往復吸棉裝置就有如下的要求：a．能頻繁快速地實現(xiàn)起動、制動及正、反向運行；b．在一個工作行程中，可根據(jù)加工的要求平穩(wěn)地變換速度；c．有良好的負載特性；d．主傳動的控制系統(tǒng)應能保證電動機在任何運行狀態(tài)下轉向變換時沖擊電流能限制在允許值內；e．電動機在******轉速下?lián)Q向時，吸棉裝置過沖盡可能小，并能實現(xiàn)緊急制動。 根據(jù)SRD電機的原理與特點是完全可以采用它做作吸棉裝置的傳動動力。這主要因為SRD電機可以在四象限之中進行運行，即能按照指令實施順時針轉動、順時針制動、逆時針轉動、逆時針制動等四種狀態(tài)的運行與轉換。未來可以說SRD電機無論在系統(tǒng)靜、動態(tài)性能的滿是上、可靠性上、性能價格比上均比其它調速系統(tǒng)占有明顯的優(yōu)勢，也必將是抓棉機的最理想的動力機械。 3.3.2 在織造機械方面，SRD電機實際上早在20世紀90年代中后期就已經(jīng)由歐洲出口到了我國。凡使用了這套調速系統(tǒng)的無梭織機，首先從機械上取消了制動器與電磁摩擦離合器，淘汰了感應電動機，簡化了織機傳動機構。這不僅降低了織機的造價，也為日后維護機構減少了大量的開支。更重要的是織機可以利用較低的電流在啟動過程中獲得高扭矩實施打緯運動，徹底摒棄原來感應電動機必須使用△—Y大電流啟動的狀況，從而成功解決了織機布面易出現(xiàn)的開車痕疵點問題，而且還能比原有同類幅寬織機取得降低能耗的功能。 其次，在織機上使用了SRD電機這套調速系統(tǒng)還可以全面實現(xiàn)織機程序化運動。這也就是說它可以按照人們預先輸入的計算機指令去進行工作。這樣一來，在織不同紗支、不同經(jīng)緯密度品種時就可以根據(jù)工藝的要求在一定范圍內自由選擇車速；在織造非常復雜的花型過程中按照人們給定的程序指令實施變速打緯，不僅實現(xiàn)織機全數(shù)字化的驅動。 3.4 根據(jù)SBD電機的特點，它可以適應織造機械中的整經(jīng)機以及漿紗機的主傳動恒動率的變速運行，也可以滿足自調均整的梳棉機，細紗機，絡筒機以及捻線機……最終實現(xiàn)紡織機械的全數(shù)字化的驅動。 4 結束語 目前國內已有生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出從0.22KW～90KW的SRD電機，但是在紡織機械中的應用則僅僅才起步。預計在未來的數(shù)年內SRD必將會在更多的紡織機械中得到應用，取代現(xiàn)有的直流調速系統(tǒng)，部分替代感應電機變頻凋速系統(tǒng)與永磁同步電機，發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢與作用。 |
