开关磁阻电机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，然后再把直流电变换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，通过其运算电路，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。这样经过调整的频率，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。

2、基本性能特点

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）功率因数较高

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极调速的要求，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，其性能发挥得淋漓尽致。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，技术形式差异也很大，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。这一点，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）多个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。

从实际的节能效果来看，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”。（因为变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、开关磁阻电机驱动系统的基本原理

1、基本概念和原理

开关磁阻电机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。

开关磁阻电机驱动系统，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：

电动机的定、转子均采用双凸极结构，并用硅钢片叠制而成。在每个定子磁极上都装有简单的集中绕组，并把径向相对的两个定子磁极上的绕组以串联或并联的方式构成一相。在转子上无任何绕组，也无永磁体。

它不依靠定、转子绕组电流所产生磁场的相互作用而产生转矩，而是依靠“磁通总是沿磁阻最小路径闭合”的原理产生转矩。所谓“磁阻最小原理”，即：“磁通总是沿着磁导最大，磁阻最小的路径闭合，从而产生磁拉力，进而形成磁阻性质的电磁转矩。而磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性”。

以12/8极三相开关磁阻电机为例，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。它的定子和转子为双凸极结构，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，转子由硅钢片叠片构成，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与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，当转子极间中心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，此时磁路的磁导小于定、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，转子磁极的轴线Oa向定子A相磁极轴线OA趋近。

图2

当OA和Oa轴线重合时，如图3，转子已达到平衡位置，即当A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失，转子不再转动。此时断开A相开关S1、S2，闭合B相开关，建立以B相定子磁极为轴线的磁场，电动机内磁场沿顺时针方向转过30°，转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过15°，转子磁极的轴线Ob向定子B相磁极轴线OB趋近,如图3，依此类推，定子绕组A-B-C三相轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距δr，对于三相12/8极开关磁阻电机，δr=360°/8=45°。[page]

可见，连续不断地按A-B-C-A的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿A-B-C-A的方向不断移动，转子沿A-C-B-A的方向逆时针旋转。如果按A-C-B-A的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着A-C-B-A的方向转动，转子则沿着与之相反的A-B-C-A方向顺时针旋转。

图3

2、控制方式

鉴于开关磁阻电机的基本原理和结构完全不同于三相异步电动机，其控制方式也和变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，从而最大程度地发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），中速时以电流斩波（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。

3、基本性能特点

涵盖了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转矩的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，可与其他设备的控制系统完美连接。

4、使用结果和问题

开关磁阻电机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，因此这两个因素，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）满负载时噪音偏大（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，开关磁阻电机驱动系统全面进入市场、取代变频器系统，是一个必然的趋势，只是个时间问题。

三、开关磁阻电机驱动系统和变频器系统的主要特性比较

1、开关磁阻电机的空载特性

通过对37KW开关磁阻电机调速系统进行空载实验，得出电机的空载特性曲线。

37KW开关磁阻电机空载特性曲线

从上图可以看出，随着转速的增加，开关磁阻电机的转矩呈逐渐上升的趋势，表明SRD控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧可得到较大的起动转矩。

2、不同负载功率下效率变化

实验分别测定了37KW的开关磁阻电动机、三相异步电机和带变频器三相异步电机三种转速下不同负载下的效率。

额定转速(1500r/min)不同负载下SRM的效率

额定转速(1500r/min)不同负载下SRM的效率

额定转速(1500r/min)不同负载下SRM的效率

从上图可以看出，同样在转速为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。[page]

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可以看出，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。

转速1000r/min不同输出功率下SRM的效率

变频器+异步电动机额定转速(1000r/min)不同负载下的效率

转速500r/min下不同输出功率下SRM的效率

变频器+异步电动机额定转速(500r/min)不同负载下的效率

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时，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的最大输出功率和额定功率与转速的关系。

不同转速下的最大输出功率

从上图可以看出，SRM的最大输出功率和额定功率都随转速的增加而提高，在任一转速下的最大输出功率都要大于额定功率，可见SRM不仅具有广阔的调速范围，而且节能效果明显，经计算SRM的节电可达10%-50%。

4、恒功率下SRM的效率

对SRM在恒定功率和额定功率下分别测试SRM在不同转速下的电机效率，结果如下所示：

恒功率区不同转速下的效率曲线

额定功率下不同转速下的效率

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的效率有一定影响，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，因而在偏离其额定转速时， 会明显地造成能源的浪费。[page]

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

实验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、异步电动机和SRM在不同负载下的效率（额定转速1500r/mim）

从上图可以看出，额定转速下SRM、变频器和三相异步电动机的效率都随输出功率的增加先升后降，变频器和三相异步电动机的效率受输出功率影响较为明显。而输出功率对SRM效率的影响较小，这使得它更适合于在多变的输出功率和频繁启动的场合。

2）变频器和SRM在不同负载下的效率

实验测试了变频器和SRM在较低的额定转速下不同负载对效率的影响，结果下图所示

变频器，开关磁阻电动机1000r/min不同负载下效率

变频器，开关磁阻电动机500r/min不同负载下效率

可以看出，在实验的输出功率范围内变频器和SRM的效率都随输出功率的增加而升高，转速对变频器的影响较为明显，同时SRM的效率在任一输出功率都高于变频器，节能效果明显。

3）SRM和变频器在额定功率下的效率

变频器、开关磁阻电动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和变频器的效率越接近，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，开关磁阻电机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。

开关磁阻电机驱动系统，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，是更加适合我国实际情况的高效率、高性能电机驱动系统。