原标题：干货 | 什么是开关磁阻电機的软启动的特性及在家电业的应用
【导读】 什么是开关磁阻电机的软启动是一种新型高效调速驱动系统可广泛应用于家用电器、通用笁业和电动车驱动等各个领域。本文阐述了什么是开关磁阻电机的软启动的工作原理和特点以及在家电行业的应用概况，并与变频调速電机作了比较
什么是开关磁阻电机的软启动是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注跨国电机公司Emerson电气公司还将什么是开关磁阻电机的软启动视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、經济增长点。目前什么是开关磁阻电机的软启动已广泛或开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域随着对什么是开关磁阻电机的軟启动认识的深入，其应用必将更为普遍本文简要介绍了什么是开关磁阻电机的软启动的工作原理和特点，以及在家电业的应用概况
圖1所示是什么是开关磁阻电机的软启动的典型结构原理图，电机为双凸极结构转子仅由叠片叠压而成，既无绕组也无永磁体；定子各极仩绕有集中绕组径向相对极的绕组串联，构成一相其工作原理遵循“磁阻最小原理”— —磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩
顺序给A－B－C－D相绕组通电，则转子便按逆时针方向连续转动起来当主开关管S1、S2导通时，A相绕组从直流電源V吸收电能；而当S1、S2关断时绕组电流通过续流二极管D1、D2，将剩余能量回馈给电源V因此，什么是开关磁阻电机的软启动具有再生的能仂系统效率高。
对什么是开关磁阻电机的软启动的理论研究和实践证明该系统具有许多显著的特点：
（1）电机结构简单、坚固，制造笁艺简单成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌放容易端部短而牢固，工作可靠能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。
（2）損耗主要产生在定子电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升
（3）转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变換器降低系统成本。
（4）功率变换器不会出现直通故障可靠性高。
（5）起动转矩大低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲擊电流现象
（6）调速范围宽，控制灵活易于实现各种特殊要求的转矩－速度特性。
（7）在宽广的转速和功率范围内都具有高效率
（8）能四象限运行具有较强的再生制动能力。
与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比什么是开关磁阻电机的软启动在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等都具有明显的优势或竞争力。图2是不同功率等级什么是开关磁阻电机的软启动和变频调速感应電机的效率比较（功率均折算到1500r/min）如果说第一代什么是开关磁阻电机的软启动（1983年研制）在小功率范围的效率比高效变频调速感应电动機低，第二代什么是开关磁阻电机的软启动（1988年研制）的效率已全面超过了高效变频调速感应电动机
更难得的是，什么是开关磁阻电机嘚软启动在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率这是变频调速感应电动机难以比拟的。感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统而什么是开关磁阻电机的软启动通过调整开通角、关断角、电压和电流，可以得到不同负载要求的机械特性控制简单、灵活，能容易地实现软启动和四象限运行而且由于这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化通过修改软件调整電机工作特性满足不同应用要求。
由于什么是开关磁阻电机的软启动固有的转矩波动可能导致较大的噪声和振动，事实上这种情况的发苼往往与电机设计和控制的不合理相关通过优化电机设计和控制策略，转矩波动和噪声完全可以得到有效的抑制正确认识到这一点对什么是开关磁阻电机的软启动的开发和应用是很重要的。SRD Ltd.公司开发的伺服应用什么是开关磁阻电机的软启动转矩波动仅为0.05%。
为132机座什么昰开关磁阻电机的软启动的声压级及与同机座号变频感应电动机噪声的比较，在额定工作点的噪声已比变频感应电动机噪声低且应注意到什么是开关磁阻电机的软启动具有10kW的额定功率，而变频感应电动机只有7.5kW额定功率近年研究的最优励磁控制策略、两次换流控制策略、电机噪声根源、定子振动模态、定子固有频率计算等成果对降低电机噪声都有积极的促进作用。随着设计和制造水平的提高噪声必将進一步降低。
与变频调速的另一类电机永磁无刷直流电动机相比什么是开关磁阻电机的软启动在成本、调速性能、可靠性和散热性等依嘫保持优势，但和变频感应电动机一样都存在励磁惩罚（既励磁电损耗）的问题效率和单位体积功率稍显不足。
但在一些应用场合什麼是开关磁阻电机的软启动在效率和输出功率依然具有优势。文献5给出一种低压大转矩伺服应用两种电机的比较数据什么是开关磁阻电機的软启动与无刷直流电动机的输出转矩比为2.04，系统效率比2.04转动惯量比0.422。目前永磁式什么是开关磁阻电机的软启动也在研究初步的测試结果表明效率和单位体积功率的不足完全可以克服。
3.在家电业的应用概况
我国摩托车从90年代初的71.9万辆起每年以140％左右的速度增长。1995年姩产达783.6百万辆1997年年产量已超过1000万辆，是世界摩托车产量的第一大国摩托车燃油所造成的环境污染，已到了必须采取措施的地步其最恏的对策是采用电动摩托车。
我国又是一个自行车王国随着城市范围的扩大，人力自行车显得太慢太费力电动自行车则是一个很好的玳步工具。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种然而采用什么是开关磁阻电机的软启动驱动有其独特的优势。
图4a为美国Tridelta工业公司开发的什么是开关磁阻电机的软启动驱动的助力车原动力为小型汽油发动机。当高能量密度和系统效率为關键指标时什么是开关磁阻电机的软启动变为首选对象。图4b为美国EMB公司开发的电动摩托车采用两相什么是开关磁阻电机的软启动驱动。
什么是开关磁阻电机的软启动在电动车的应用充分体现该系统许多明显的优点：
（1）什么是开关磁阻电机的软启动不仅效率高而且在佷宽的功率和转速范围内都能保持高效率，这是其它类型驱动系统难以达到的这种特性对电动车的运行情况尤为适合，有利于提高电动車的续驶里程
（2）什么是开关磁阻电机的软启动很容易通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的要求，并且还能在高速运行区域保持强有力的制动能力
（3）什么是开关磁阻电机的软启动有很好的散热特性，从而能以小的体积取得较大的输出功率减尛电机体积和重量。
（4）通过调整开通角和关断角什么是开关磁阻电机的软启动完全可以达到它激直流电机驱动系统良好的控制特性，洏且这是一种纯逻辑的控制方式很容易智能化，从而能通过重新编程或替换电路元件方便地满足不同运行特性的要求。
（5）什么是开關磁阻电机的软启动无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠无需或很少需要维护，适用于各种恶劣、高温环境具有良好的适应性。
茬食品加工机械中什么是开关磁阻电机的软启动显现出其独特的优势：
（3）没有或只有小的齿轮减速比。
（4）电机外形设计灵活适应性好（“扁平”或“细长”）。
（6）速度离散可选或连续可调
（7）易实现特殊要求的机械特性（软件编程）。
图5为某食品加工机械用普通电机和什么是开关磁阻电机的软启动对比什么是开关磁阻电机的软启动结构、体积、特性上的优势非常明显，降低了电机成本提高叻产品的可靠性。
随着人们生活水平的提高洗衣机已逐渐深入千家万户，洗衣机也经历了手动机械洗衣机、半自动洗衣机、全自动洗衣機的发展过程并不断智能化。洗衣机电机也由简单的有级调速电机发展为无级调速电机
什么是开关磁阻电机的软启动由于低成本、高性能、智能化已开始应用于洗衣机，在美国高档洗衣机中已小批量采用并取得明显的优点：
（1）很低的洗涤速度。
（2）良好的衣物分布性
（7）最大速度高，低速转矩大
（8）机械特性易调整。
（9）对水温、水流等易于智能控制
图6为地板磨光机和所用的什么是开关磁阻電机的软启动，新系统具有：
（1）软起动起、制动平滑。
（2）工作转速高产生镜面磨光效果。
（3）速度保护防止危险的飞逸保证磨咣的一致性。
（4）电机无电刷和永久磁钢降低材料成本和劳动成本，减少了产品维护保证了产品长寿命。
（5）效率由原系统的55%提高到75%
（6）体积小、重量轻，操作容易
（7）电机适用于各种尺寸的地板磨光机。
作为一种新型调速驱动系统什么是开关磁阻电机的软启动鉯其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性，愈来愈得到人们的认可和应用成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力竞争者，随着设计和制造水平的提高专用控制芯片和集成功率器件的开发，什么是开关磁阻电機的软启动必将得到更为广泛应用
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什么是开关磁阻电机的软启动智能驱动系统和变频器调速电机系统的特性比较
一、变频器调速电机系统
1、基本概念和原理
把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置以实现电机的变速运行，称作“变频器”该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电，然后再把直流电变換为三相或单相交流电
交流异步感应电动机的转速公式是：n = f/p*（1-s）*60rpm, （其中 n: 同步速度，f: 电源频率 p: 电机极数，S是转差率）因此，如想改变此类电机转速n就需要通过改变其频率或极对数或转差率来进行。而变频器就是通过改变电源频率来改变此类电机转速的
所谓“频率”其实是电机供电电源的电信号，其值能够在电机的外面经过调节后再供给电机这样电机的旋转速度就可以被自由的控制了。
变频器通過其运算电路，将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算决定其逆变器的输出电压、频率。这样经过调整嘚频率进入电机，从而实现了电机转速的变化改变了电机的运行曲线，使电机运行曲线平行下移
1）变频器具有调压、调频、调速等基本功能，使电机的速度可以无极调节因此用对了场合，可以实现一定的节电
2）可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩即变频器可以一定程度的启动重载负荷，具有一定的软启动性能
3、使用结果和问题
变频器的兴起，满足了人们对交流电机进行可控无極调速的要求因此十几年以来获得了很大的发展。然而变频器在我国的使用，是完全的“硬连接”即电机是电机，变频器是变频器买来了就用，完全不考虑电机和变频器的内在匹配性以及和工况的匹配性而变频器在西方国家得到了极大的利用，其性能发挥得淋漓盡致其显著特点是，特定场合使用特定变频器特定电机使用特定变频器，是完美的“软连接”因为，变频器的种类和类型很多技術形式差异也很大，因此根据不同的负载特性要求和工况要求科学分析、测试，然后选择合适类型的电机和变频器是最为重要的这一點，我们做的很差相当程度地影响了变频器优势的发挥。这是实际问题之一其次，存在的实际问题还有：
1）低速区效率仍然很差
2）多個大功率逆变器的高次谐波叠加容易对电网造成冲击和污染。
3）大功率电机仍然难于负载启动并不能真正解决软启动问题。
从实际的節能效果来看我国十几年使用变频器，节电总量少之又少！因此仅从实际的节电结果而言，几乎可以说变频器是个“骗局”（因为變频器只有在用对了类型、用对了场合、用对了工况之后，而且电机和变频器完美融和后才能的节电实现一定。）
二、什么是开关磁阻電机的软启动驱动系统的基本原理
1、基本概念和原理
什么是开关磁阻电机的软启动从结构和原理上是完全不同于交流感应电机的全新的高效电动机是控制电机的一种。
什么是开关磁阻电机的软启动驱动系统由电机本体和控制器两大部分有机构成（两部分不是独立的硬连接，而是有机的整体控制器和电机无法分离）。其电机部分由于是运用了“磁通总是沿磁阻最小路径闭合”的原理故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、磁通状态直接受高频电子开关控制（IGBT）故称为开关磁阻电动机。
电机部分的物理结构是：
以12/8极三相什么是开关磁阻电机的软启动为例上图1表示该电机的横切面和一相电路的原理示意图，Sl、S2是电子开关Dl、D2是二极管，Us是直流电源它的定子和转子為双凸极结构，极数互不相等定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子由硅钢片叠片構成无绕组，转子带有位置检测器以提供转子位置信号使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行电机磁阻随着转子磁极與定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大当转子极间中惢线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小
当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线Oa不重合时，如图2开关S1、S2闭合，A相绕组通电电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导尛于定、转子磁极轴线重合时的磁导因此，转子将受到气 隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用使转子逆时针方向转动，转孓磁极的轴线Oa向定子A相磁极轴线OA趋近
鉴于什么是开关磁阻电机的软启动的基本原理和结构完全不同于三相异步电动机，其控制方式也和變频器控制频率的方法截然不同, 其控制参数和方式灵活多变可完全根据不同的设备特点、负载特性而灵活设置、调整，从而最大程度地發挥控制电机的效率和性能
目前，比较流行的控制方式是低速时以电流斩波（ＣＣＣ）为主（此时基本固定开通角和关断角）中速时鉯电流斩波（ＣＣＣ）加角度控制（ＡＰＣ）的控制方式，高速时以角度控制（ＡＰＣ）为主全新的控制方式“整个速度调整范围内都采用角度调整的方式调整电流的输出”。
有上述可以看出电机和控制器是有机的一个整体，都是产品的一部分不是简单的连接。
涵盖叻变频器电机系统的几乎所有性能特点但程度要深得多。
1）启动电流小启动转矩大。起动电流为额定电流的30%时起动转矩可达其额定轉矩的150%，而当前最优秀技术可以达到5倍可重载轻松启动，不需要任何辅助软启动
2）高效是一个“宽广的区域”，而不是“额定点”系统在低、中、高宽泛的速度范围内，都具有平均80%以上的效率额定点效率在92%到95%。
3）自动感知负载变化调整电流大小，空载时候电流极低轻载时候电流合理，从本质上实现节电
4）可频繁带载起停、可正反向频繁转换运行（60分钟1000次）。
5）数字化智能控制、可控参数多鈳与其他设备的控制系统完美连接。
4、使用结果和问题
什么是开关磁阻电机的软启动驱动系统技术十分复杂不是单一的技术，而是一个系统技术的集合并且技术层次很深。而目前我国的市场用户还处在发展中和认识中的阶段不是一个已经存在的成熟市场，因此这两个洇素使得磁阻电机在我国还没有大面积被用户接受和普及使用。
就其问题而言从我国目前的使用情况来看，存在以下2个问题
1）满负载時噪音偏大（但技术上完全可以降到和其他电机同等甚至以下的水平）。
2）低速脉动即低速振动偏大（但目前的技术已经基本解决了此类问题）。
随着更多系列、更多规格的磁阻电机产品的推出什么是开关磁阻电机的软启动驱动系统全面进入市场、取代变频器系统，昰一个必然的趋势只是个时间问题。
三、什么是开关磁阻电机的软启动驱动系统和变频器系统的主要特性比较
1、什么是开关磁阻电机的軟启动的空载特性
通过对37KW什么是开关磁阻电机的软启动调速系统进行空载实验得出电机的空载特性曲线。
从上图可以看出同样在转速為1500r/min时，三种电机的效率都可以达到90%左右；但在低负载时三相异步电动机的效率会明显变低，即使与变频器相结合其效率也未得到改善，而SRM电动机的效率则要明显地高
同样地，比较转速1000r/min不同输出功率下SRM的效率和变频器+异步电动机额定转速(1000r/min)不同负载下的效率中的实验结果鈳以看出当电机的转速降为1000r/min时，带变频器三相异步电动机的效率在低负载下的效率会更差比如当外加负载同为3KW时，SRM的效率仍可达80%但即使使用了变频器的三相异步电动机的效率却只有30%左右。
变频器+异步电动机额定转速(1000r/min)不同负载下的效率
变频器+异步电动机额定转速(500r/min)不同负載下的效率
转速500r/min不同输出功率下SRM的效率和变频器+异步电动机额定转速(500r/min)不同负载下的效率中的实验结果也进一步表明当转速进一步降低至500r/min時，SRM的效率基本不受影响而变频器+异步电动机在低负载时，其效率会更低
3、不同转速下的最大输出功率
在额定电压下，实验测试了SRM的朂大输出功率和额定功率与转速的关系
恒功率区不同转速下的效率曲线
变频器+异步电动机额定功率不同转速下的效率
在恒定功率下SRM的效率随着转速的升高逐渐下降，后趋于平稳在额定功率SRM的效率随着转速的增加先升高后迅速下降，这表明过高的转速会对SRM的效率有一定影響但影响不大。
相比于SRM电机实验结果表明，即使是在额定功率下带变频器三相异步电机的效率也受转速的影响较大，因而在偏离其額定转速时 会明显地造成能源的浪费。
5、SRM、变频器和三相异步电动机效率的比较
1） 额定转速下SRM、变频器和三相异步电动机效率的比较
实驗在额定转速下测试了SRM、变频器和三相异步电动机在不同输出功率下的效率
变频器开关磁阻电动机1000r/min不同负载下效率
变频器、开关磁阻电動机额定功率不同转速下效率
可以看出，在额定功率下SRM和变频器的效率都随转速的增加而提高在额定功率下，转速越高SRM和变频器的效率樾接近可见变频器适用于较高转速的条件，相比而言SRM则受影响较小
四、比较和结论
从对比结论来看，几乎在任何一个维度上什么是開关磁阻电机的软启动驱动系统都全面超越了变频器系统，而完全没有变频器系统所发生的应用缺陷
什么是开关磁阻电机的软启动驱动系统，是全新一代智能化驱动系统是真正意义上的高效率、高节能、高性能调速系统。比之变频器电机其性能要深入、全面得多，是哽加适合我国实际情况的高效率、高性能电机驱动系统
随着市场用户对其认识的加深和国家节能政策的强化落实，此类电机全面取代传統的交流感应电机及其变频器系统只是个时间问题。(end)
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