開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)原理及在紡織行業(yè)中的應(yīng)用
| ［摘 要］開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)屬新一代交流調(diào)速系統(tǒng)。本文介紹了開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理，比較了它與直流調(diào)速系統(tǒng)以及變頻調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn)，例舉了它在紡織機(jī)械中的應(yīng)用，同時(shí)指出了這種電機(jī)在國內(nèi)的發(fā)展趨勢。 0 前言 開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的國際標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)稱之為開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)或稱其為可變磁阻凋速電動(dòng)機(jī)。它是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的新一代交流無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，是集現(xiàn)代微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、電力電子技術(shù)及現(xiàn)代電磁理論、設(shè)計(jì)與制造技術(shù)為一體的光、機(jī)、電一體化高新技術(shù)產(chǎn)品。SRD一經(jīng)問世，便以其寬廣的調(diào)速范圍，良好的輸出機(jī)械特性，卓越的起、制動(dòng)性能以及可靠、節(jié)能、免維護(hù)等一系列突出優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)今世界電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的后起之秀，引起各行業(yè)的廣泛關(guān)注。 SRD是20世紀(jì)90年代從實(shí)驗(yàn)室逐步轉(zhuǎn)入大規(guī)模的生產(chǎn)與應(yīng)用的。一些西方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)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(jí)從10W到數(shù)MW，成功應(yīng)用于車輛驅(qū)動(dòng)、機(jī)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)與推廣應(yīng)用階段。 1 SRD的組成和工作原理 1.1 組成 SRD通常由開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM）、功率變換器、控制器和轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)和控制器兩大件組成，位置檢測器安裝在電動(dòng)機(jī)內(nèi)，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(jié)構(gòu)及工作原理 1.2.1 SRD的結(jié)構(gòu) SRM是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)機(jī)與電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是SRD區(qū)別于其它電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要標(biāo)志。SRM系雙凸極可變磁阻電動(dòng)機(jī)，即轉(zhuǎn)子、定子的電極都是凸起的顯極結(jié)構(gòu)。定、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上既無繞組也無恒磁體。SRM可設(shè)計(jì)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(zhuǎn)矩脈動(dòng)，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(dòng)，故實(shí)用的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)多以三相、四相為主。同一相的SRM還可以有不同的定、轉(zhuǎn)子凸極數(shù)，如三相可設(shè)計(jì)成6／4結(jié)構(gòu)，即定子6個(gè)凸極、轉(zhuǎn)子4個(gè)凸極，還可以設(shè)計(jì)成12／8結(jié)構(gòu)，即定子12個(gè)凸極、轉(zhuǎn)子8個(gè)凸極等。見圖3。  1.2.2 SRD的工作原理 圖4為四相8／6結(jié)構(gòu)SRM電機(jī)削面及驅(qū)動(dòng)原理示意圖。圖中定子8個(gè)凸極中，空間位置對稱的兩個(gè)極繞組聯(lián)成一相，圖中僅畫出其中A相繞組及其驅(qū)動(dòng)電路。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的命名實(shí)際上已道出了其工作原理。SRM的運(yùn)行原理遵循物理學(xué)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(zhuǎn)矩產(chǎn)生的根源，而“開關(guān)”則是指切換通電相序的電子開關(guān)。眾所周知，鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)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(dāng)然要比鐵芯部分大得多，一旦給線圈通電，就會(huì)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(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)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(zhuǎn)子1—1’凸極錯(cuò)位，氣隙大、磁路磁阻大，當(dāng)D相繞組通電勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子必作逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dāng)角度時(shí)就必須關(guān)斷D相電子開關(guān)，切斷D相繞組電源，同時(shí)接通A相電子開關(guān)S1、S2，轉(zhuǎn)子凸極2-2’軸線將會(huì)向定子凸極A-A’軸線靠攏，形成使轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的磁拉力，同樣在2-2’軸線接近A-A’軸線適當(dāng)角度關(guān)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(guān)按D-A-B-C的順序通電，轉(zhuǎn)子將作逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；反之，如控制電子開關(guān)按B-A-D-C的順序通電，則轉(zhuǎn)子將作／頃時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。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(guān)的導(dǎo)通角、關(guān)斷角，即可控制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。 1.3 SRD的特點(diǎn) 開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)之所以能在調(diào)速系統(tǒng)中異軍突起，主要是因?yàn)槠渥吭降男阅?，現(xiàn)簡介于下： 1.3.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)實(shí)，可以用于超高速運(yùn)行及適應(yīng)惡劣的環(huán)境； 1.3.2 轉(zhuǎn)矩方向與繞組內(nèi)電流方向無關(guān)，功率變換電路可得以簡化且不會(huì)出現(xiàn)直通故障，可靠性大為提高； 1.3.3 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流小，在額定電流之下即可使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比額定轉(zhuǎn)矩大2～3倍，特別適合于頻繁起停、頻繁正反轉(zhuǎn)的場所； 1.3.4 調(diào)速范圍寬、調(diào)速性能好，可控參數(shù)多，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩—速度特性； 1.3.5 效率高，特別是在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)及負(fù)載大幅度變化時(shí)，依然保持高效率； 1.3.6 能實(shí)現(xiàn)四相限運(yùn)行，具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力； 1.3.7 轉(zhuǎn)子上既無繞組又無永磁體，能承受高溫，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，更易滿足隨動(dòng)系統(tǒng)的需求。 早期SRD樣機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)是步進(jìn)式的，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是必然存在的，特別是在低速運(yùn)行時(shí)尤為明顯。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲偏大兩個(gè)突出問題在一段時(shí)間里已成為SRD進(jìn)一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵難題，成為該領(lǐng)域?qū)＜?、科研設(shè)計(jì)人員科技攻關(guān)重點(diǎn)課題。近年已取得長足的進(jìn)展：新一代優(yōu)化設(shè)計(jì)的三相12／8結(jié)構(gòu)SRD，已使額定負(fù)載時(shí)的噪聲低于同功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的水平；現(xiàn)在又進(jìn)一步采用最優(yōu)勵(lì)磁控制策略、兩次換流控制策略結(jié)合優(yōu)化的電磁設(shè)計(jì)、電機(jī)制造工藝，已將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲控制到了十分理想的水平。 2 與其它幾種電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的比較 2.1 與直流調(diào)速系統(tǒng)的比較 20世紀(jì)70年代直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)具備了調(diào)速性能好、調(diào)速控制電路簡單、可靠的優(yōu)勢，并且占據(jù)調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。然而隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流調(diào)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(dòng)機(jī)所固有的電刷、換向器結(jié)構(gòu)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(hù)保養(yǎng)；直流電動(dòng)機(jī)的體積笨重，價(jià)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(jī)械在選擇調(diào)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(qiáng)維修保養(yǎng)與清潔工作，同時(shí)還必須做好車間的防火工作。SRD屬無刷無級(jí)、調(diào)速性能優(yōu)異的調(diào)速系統(tǒng)，紡織機(jī)械采用之后，可在濕熱的惡劣環(huán)境下免維護(hù)運(yùn)行。 2.2 與交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的比較 20世紀(jì)80年代交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、體積小與調(diào)速方便受到了人們的追崇。在現(xiàn)實(shí)使用中，人們對它們的表現(xiàn)依然感到不滿意。這主要因?yàn)榻涣鞲袘?yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速、額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)效率和功率因素較高，而一旦低速運(yùn)行或負(fù)載變化時(shí)，其效率和功率因素將急劇下降，電機(jī)與變頻器發(fā)熱嚴(yán)重。當(dāng)外部環(huán)境溫度、濕度較高時(shí)，往往造成過熱保護(hù)動(dòng)作，紡織機(jī)械會(huì)突然停機(jī)，只有等待溫度降下來之后，才能重新啟動(dòng)該機(jī)使其正常運(yùn)行。另外，變頻器不可能根本解決感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流大的毛病，變頻調(diào)速系統(tǒng)工作時(shí)還不可避免地存在電磁諧波對電路系統(tǒng)的干擾。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由于在全調(diào)速范圍內(nèi)均具有高效率，不存在低速運(yùn)行及負(fù)載變化時(shí)電機(jī)、控制器嚴(yán)重發(fā)熱問題?？杀＜徔棛C(jī)械在濕熱環(huán)境下長期安全地運(yùn)行。SRD起動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)更能適應(yīng)頻繁起停、頻繁正反轉(zhuǎn)的紡織機(jī)械的需求。SRD的電磁諧波干擾也比變頻調(diào)速系統(tǒng)小得多。 2.3 與直流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的比較 直流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)也是現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的杰出代表之一。它的******特點(diǎn)是用恒磁體做電機(jī)的轉(zhuǎn)子，定子繞組則由一組電子開關(guān)有選擇地通電。其轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理類似于直流電動(dòng)機(jī)而又革除了電刷、換向器，實(shí)現(xiàn)了“無刷”。隨著國內(nèi)電子控制技術(shù)水平、恒磁材料加工水平的提高及電機(jī)制造手段、工藝的進(jìn)步，直流無刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展迅速，產(chǎn)品逐步得到了用戶的認(rèn)可。但遺憾的是直流無刷電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子中的恒磁體會(huì)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(huì)導(dǎo)致這種電機(jī)的有效出力和效率不斷下降。在這方面卻又恰恰是開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)，由于其轉(zhuǎn)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(jī)械中的應(yīng)用 3.1 SRD在印染行業(yè)中的應(yīng)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(diǎn)就是要在被卷取的織物位置發(fā)生偏差時(shí)進(jìn)行連續(xù)糾偏。這種設(shè)備對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求是：必須具備寬范圍無級(jí)調(diào)速；能夠適應(yīng)長時(shí)間連續(xù)頻繁正反轉(zhuǎn)，反應(yīng)時(shí)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(nèi)某企業(yè)，起先采用直流伺服電機(jī)作動(dòng)力。使用中發(fā)現(xiàn)這種電機(jī)難以適應(yīng)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(yīng)電機(jī)作動(dòng)力，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)達(dá)到，但這種變頻器價(jià)格高，而控制器又嚴(yán)重發(fā)熱，結(jié)果在0.75KW電機(jī)上被迫選用了4KW變頻器。目前采用了SRD作動(dòng)力，結(jié)果收到了意想不到的良好效果，同時(shí)還解決了電機(jī)在潮濕環(huán)境里運(yùn)行的問題。同理，SRD電機(jī)也是織造工序后整理驗(yàn)卷機(jī)的******動(dòng)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(jī)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(jìn)行選擇。早期的筒子染色機(jī)人們必需憑借經(jīng)驗(yàn)來工作；20世紀(jì)90年代有了交流變頻器就可以通過染缸內(nèi)外差的檢測與反饋信號(hào)調(diào)節(jié)主泵轉(zhuǎn)速來解決；現(xiàn)在有了SRD調(diào)速系統(tǒng)完全可以利用它取代交流變頻器。這是因?yàn)镾RD調(diào)速系統(tǒng)在與PLC編程控制裝置結(jié)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(gè)合理數(shù)值；同時(shí)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(yùn)行的穩(wěn)定性。 3.2 SRD在化纖行業(yè)中的應(yīng)用 在化纖行業(yè)，其關(guān)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(yán)格一致，紡絲泵（又稱計(jì)量泵）的轉(zhuǎn)速必須高度穩(wěn)定。一般紡絲泵是由永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。這種電機(jī)內(nèi)有永磁體，長期工作會(huì)逐漸退磁失效，電機(jī)就必須及時(shí)更換。如果采用SRD調(diào)速電機(jī)由于其有位置檢測器，完全可以構(gòu)成速度閉環(huán)系統(tǒng)，保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定且不受負(fù)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(jī)運(yùn)行，做到了無故障，免維護(hù)并深受使用廠家的好評(píng)。 3.3 SRD在紡織行業(yè)中的應(yīng)用 3.3.1 在紡織行業(yè)的前紡工作中，進(jìn)口的抓棉機(jī)早改成為條狀式，那么其條狀工作臺(tái)對往復(fù)吸棉裝置就有如下的要求：a．能頻繁快速地實(shí)現(xiàn)起動(dòng)、制動(dòng)及正、反向運(yùn)行；b．在一個(gè)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(fù)載特性；d．主傳動(dòng)的控制系統(tǒng)應(yīng)能保證電動(dòng)機(jī)在任何運(yùn)行狀態(tài)下轉(zhuǎn)向變換時(shí)沖擊電流能限制在允許值內(nèi)；e．電動(dòng)機(jī)在******轉(zhuǎn)速下?lián)Q向時(shí)，吸棉裝置過沖盡可能小，并能實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。 根據(jù)SRD電機(jī)的原理與特點(diǎn)是完全可以采用它做作吸棉裝置的傳動(dòng)動(dòng)力。這主要因?yàn)镾RD電機(jī)可以在四象限之中進(jìn)行運(yùn)行，即能按照指令實(shí)施順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、順時(shí)針制動(dòng)、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、逆時(shí)針制動(dòng)等四種狀態(tài)的運(yùn)行與轉(zhuǎn)換。未來可以說SRD電機(jī)無論在系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能的滿是上、可靠性上、性能價(jià)格比上均比其它調(diào)速系統(tǒng)占有明顯的優(yōu)勢，也必將是抓棉機(jī)的最理想的動(dòng)力機(jī)械。 3.3.2 在織造機(jī)械方面，SRD電機(jī)實(shí)際上早在20世紀(jì)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(diào)速系統(tǒng)的無梭織機(jī)，首先從機(jī)械上取消了制動(dòng)器與電磁摩擦離合器，淘汰了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，簡化了織機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。這不僅降低了織機(jī)的造價(jià)，也為日后維護(hù)機(jī)構(gòu)減少了大量的開支。更重要的是織機(jī)可以利用較低的電流在啟動(dòng)過程中獲得高扭矩實(shí)施打緯運(yùn)動(dòng)，徹底摒棄原來感應(yīng)電動(dòng)機(jī)必須使用△—Y大電流啟動(dòng)的狀況，從而成功解決了織機(jī)布面易出現(xiàn)的開車痕疵點(diǎn)問題，而且還能比原有同類幅寬織機(jī)取得降低能耗的功能。 其次，在織機(jī)上使用了SRD電機(jī)這套調(diào)速系統(tǒng)還可以全面實(shí)現(xiàn)織機(jī)程序化運(yùn)動(dòng)。這也就是說它可以按照人們預(yù)先輸入的計(jì)算機(jī)指令去進(jìn)行工作。這樣一來，在織不同紗支、不同經(jīng)緯密度品種時(shí)就可以根據(jù)工藝的要求在一定范圍內(nèi)自由選擇車速；在織造非常復(fù)雜的花型過程中按照人們給定的程序指令實(shí)施變速打緯，不僅實(shí)現(xiàn)織機(jī)全數(shù)字化的驅(qū)動(dòng)。 3.4 根據(jù)SBD電機(jī)的特點(diǎn)，它可以適應(yīng)織造機(jī)械中的整經(jīng)機(jī)以及漿紗機(jī)的主傳動(dòng)恒動(dòng)率的變速運(yùn)行，也可以滿足自調(diào)均整的梳棉機(jī)，細(xì)紗機(jī)，絡(luò)筒機(jī)以及捻線機(jī)……最終實(shí)現(xiàn)紡織機(jī)械的全數(shù)字化的驅(qū)動(dòng)。 4 結(jié)束語 目前國內(nèi)已有生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出從0.22KW～90KW的SRD電機(jī)，但是在紡織機(jī)械中的應(yīng)用則僅僅才起步。預(yù)計(jì)在未來的數(shù)年內(nèi)SRD必將會(huì)在更多的紡織機(jī)械中得到應(yīng)用，取代現(xiàn)有的直流調(diào)速系統(tǒng)，部分替代感應(yīng)電機(jī)變頻凋速系統(tǒng)與永磁同步電機(jī)，發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢與作用。 |
