一种适合在节电领域推广应用的电动机———开关磁阻调速电动机

1 概述

关于开关磁阻调速电动机是由开关磁阻电动机和开关磁阻控制器组成的理论，已在众多文章中有所介绍[1]。

开关磁阻调速电动机相对其它调速方案而言诞生较晚，发展历史较短，因此人们对它的认识也在逐步深化的过程中。上世纪80年代国外首先认识到其具有电动机结构简单坚固、功率电路可靠和串激特性，因此将其广泛用于电动车辆和矿山机械中[2]。上世纪90年代以来，国内认识到该电动机具有起动转矩大、电流小的优势，因此将其用于频繁起、制动和正反转的机械，如龙门刨床、直线抽油机等[3]。进入本世纪后，该电动机具有的快速响应能力逐步被认识，因此将其用于多电机硬同步和锻造压力机中[4] [5]。

本文将论述开关磁阻调速电动机用于节电领域的优越特性，同时提出一种利用具有成熟技术的较小功率的控制器构造较大功率调速电动机的技术方案。

2 开关磁阻调速电动机用于节电领域的优越特性

2.1 高效区宽

开关磁阻电动机是包括电动机、角位置传感器、电力电子电路和控制电路在内的典型机电一体化产品，由于它从总体效率优化目标出发进行设计，因而容易获得更好的节电效果。

调速电动机节电的基础有两个，一是用电设备调速后轴功率的降低，二是电动机在调速后保持较高的效率。因此对节电用调速电动机的一项基本要求是高效区宽，即转速n和转矩T较大范围变化时，均能保持较高的效率。

由于开关磁阻调速电动机的控制方式比较灵活，如可采用电流斩波、电压PWM、单脉冲方式及其组合方式对电机绕组电流波形进行控制，故可针对电动机的不同工作点按效率最高来优化控制方式和选择控制参数，从而得到高效区很宽的结果。表1列出了一台开关磁阻调速电动机的系统效率(含控制器)的实测结果，其额定功率为37kW，额定转速为2 000 r/min。

2.2 空载电流小

同样通过设计优化能使开关磁阻调速电动机的空载电流很小，典型产品数据为空载电流是额定电流的1%。由于空载电流小，故轻载电流同样很小。

3 大功率开关磁阻调速电动机的发展前景

3.1 大功率产品现状

开关磁阻调速电动机同样可设计制造成大功率产品。英国BJD 100 公司生产的产品最大功率达500 kW，并已在煤矿皮带输送机等设备上得到应用。

2 000 kW铁路机车牵引电机已通过理论可行性分析[6]。

国内最大功率的400 kW 矿用隔爆产品也已于2000年完成。

节电领域通常需要更大功率的电动机，如数千kW。由于开关磁阻调速电动机中功率电路大都采用IGBT 作为主开关器件，其电压、电流的限制成为设计制造更大功率的电机产品的一大障碍。但通过IGBT的串联/并联应用，或提高控制器及电动机绕组的电压和电流等级，来实现更大功率产品的技术方案是可行的，但是由于电路复杂，可能会带来产品可靠性降低。

3.2 多控制器驱动技术方案

图1所示为三相6/4极开关磁阻电动机示意图。

在已有技术中，将同属A相的两个线圈相串联或并联连接，整个电动机共有A、B、C 三相绕组，并采用一个三相控制器驱动。

现将每相两个线圈不相互连接，用控制器1驱动A1、B1、C1线圈;用控制器2驱动A2、B2、C2线圈，并且使两台控制器同步工作，便可实现用较小的控制器驱动较大的电动机，如用2 台400 kW控制器驱动一台800 kW电动机，图2所示。同理，对每相拥有4个线圈的开关磁阻电动机，如三相12/8极电动机，将4 个线圈2-2 连接时，可采用2 台控制器驱动;将4个线圈均不互相连接时，可采用4个控制器驱动。这样采用4 台技术成熟的400 kW控制器产品可驱动1台1 600 kW电动机。

多控制器驱动技术有利提高系统的可靠性。当一台控制器发生故障时，只需将其关闭，继续用完好的控制器驱动电动机运行，其代价是相应降低电动机的输出功率。

4 结语

开关磁阻调速电动机是一种新型调速电动机，具有高效区宽和空载电流小的优势，适合在节电领域应用。本文提出一种多控制器驱动技术，从而能利用现有成熟技术构造更大功率的开关磁阻调速电动机产品。