SRD和异步电动机变频调速系统的对比分析

1.电动机本体的比较

SR电动机较异步电动机结构简单、坚固，转子上无绕组，故不会有异步电动机由于笼型转子所引起的铸造不良、疲劳故障及最高转速的限制等问题；SR电动机定子亦特别简单，只有集中式绕组，而异步电动机定子绕组为分布式绕组。虽然，SR电动机通常装有转子位置检测器，这对于其结构简单、坚固的优势有所削弱，但总体上SR电动机较笼型异步电动机制造成本低、加工工艺简单。

2.逆变器的比较

就经济性和可靠性而言，SR电动机功率变换器较异步电动机PWM变频器具有优势。由于SR电动机的转动方向与相电流方向无关，故其相电流为单向流动，从原理上每相仅用一个主开关器件即可实现四象限运行，而异步电动机的转动方向则取决于相电流的相序，其PWM变频器每相必须采用两个主开关器件；异步电动机电压源型PWM变频器的上、下桥臂主开关器件直接串联后跨接在直流母线上，存在因误触发而使上、下桥臂直通，使主电路存在短路的故障隐患，而SR电动机功率主电路中，相绕组与主开关器件串联，从而从结构上排除了直通短路的可能；还有一个对SR电动机功率变换器成本有利的事实是，其换相开关的开关频率要较PWM变频器中主开关器件的工作频率低得多，因此在同样工作状态下，SRD可选开关频率较低的器件。

3.系统性能的比较

传统观点上，一直作为交流电动机家族中一员的磁阻电动机是按正弦旋转磁场设计的同步磁阻电动机，其定子是隐极并装有分布式绕组。同步磁阻电动机在效率、功率因数、出力等性能指标上明显低于异步电动机，一般只能在低速、同步运行且不考虑成本因素的情况下使用，功率一般限制在1kW以下。

具有双凸极结构的SR电动机与传统的磁阻电动机相比，具有本质上的区别，其是磁阻电动机和电力电子开关电路相结合产生的一种节能型调速电动机。事实上，许多使用经验表明，SRD在单位体积转矩值、效率、逆变器伏安容量等性能指标上可与异步电动机PWM变频调速系统竞争，特别是在转矩/转动惯量比上具有较大优势。表1-2为1台7.5kW SR电动机与同功率的标准异步电动机及高效率异步电动机的性能比较^[3]。注意，异步电动机驱动系统的效率值在表1-2中未列出，这是由于视电动机与逆变器之间组合的不同，异步电动机调速系统的效率值变化范围较大。

图1-7为英国1980年前设计制造的第一代SR电动机实测性能曲线^[1]。它是装入中心高为180mm机座的四相（8/6）双绕组SR电动机，为便于比较，其铁心尺寸与同机座号的标准异步电动机相同，且保留了同样的气隙尺寸。据参考文献[1]，中心高为180mm机座号的异步电动机在采用正弦交流电供电额定运行时（9.5kW，750r/min）的效率为86%，若采用逆变器供电变速驱动，效率约下降10%。图1-7表明，在同机座号异步电动机的额定运行点，SRD的效率（计及功率变换器损耗）不仅与正弦交流电供电时的异步电动机相等，而且在输出功率2∶1、速度3∶1的变化范围内均能保持很高的效率值（参见图1-7中，虚线所示的等效率曲线）。

表1-2 7.5kW SRD与异步电动机驱动系统性能比较^[3](www.xing528.com)

图1-7 第一代SR电动机实测性能^[1]

图1-8为英国1988年后推出的第二代SR电动机实测机械特性及效率，其采用132机座，额定功率、额定转速分别为10kW、1500r/min^[4]。图1-8表明，SR电动机在很宽的转速范围内均具有足够的过载转矩，其过载能力、效率、连续运行输出转矩均高于变频调速异步电动机，尤其在堵转和低速时具有很大的备用转矩。参考文献[5]将17.5kW、1500r/min SRD的空载电流与同功率的4极异步电动机变频调速系统在不同转速下进行了对比，表明SRD的空载电流远小于异步电动机变频调速系统。显然，在宽广转速、功率范围内具有高输出和高效率是SRD与异步电动机变频调速系统竞争的优势。

此外，SR电动机具有高性能的可控直流电动机的特性，控制较异步电动机变频调速灵活、方便，通过控制相绕组开通角、关断角、电压PWM控制方式下的占空比或电流斩波控制方式下的电流限幅值即可得到满足各种需要的机械特性。而异步电动机要获得与直流电动机相媲美的调速性能，需要采用较复杂的矢量控制技术或直接转矩控制技术。众所周知，电压源型PWM变频器供电的异步电动机在低频段运行时可能出现振荡而产生不稳定^[6]，这一现象在SRD中不存在。在较低的转速运行区，SRD不仅具有比异步电动机调速系统高的转矩/电流比，且动态性能较优^[7]。

图1-8 第二代SR电动机典型特性^[4]

SRD与异步电动机变频调速系统相比，略显逊色的是：SR电动机功率变换器输出的是不规则电流脉冲，导致运行噪声和转矩脉动问题较为突出。但随着研究的深入和制造水平的提高，通过优化电动机设计、控制策略、加工工艺，完全能够有效抑制SR电动机的转矩脉动、振动、噪声，使其满足大多数变速驱动应用场合的要求。