新型交流调速电机系统

    目前，变频调速技术已经比较成熟，正在由中小型低压调速系统向大中型中压交流调速系统发展。大型高压感应电机的变频调速受到高压电力电子功率变换器的制约，目前仍以绕线转子感应电机串级调速和双馈凋速为主。除了传统感应电机和同步电机向变速运行方向发展以外，近年来还出现了一些新原理与新结构的交流调速电机系统，包括新型高功率密度无刷直流电机、开关磁阻电机、同步磁阻电机、双馈电机、双凸极电机等，对它们的基础理论、运行分析、设计计算以及相应的功率变换器的拓扑结构、控制策略和实时控制算法都进行了广泛的研究。
    无刷直流(BrushLess DC，即BLDC)电机是一种采用非接触式电子换向器取代传统直流电机的机械换向器，具有类似于直流电机优良调速性能的交流电机，是集合电机、位置传感器和电力电子功率变换器的机电一体化机电能量变换装置。这种电机的功率范围广(几瓦至数兆瓦)，在计算机外设、家用电器、汽车电器、车辆电驱动、舰船电驱动、航空航天和军工设各中得到了广泛的应用。目前的研究工作正在向五位置传感器和控制器集成化方向发展。我国对一般用途的中小型无刷直流电机的研究和产品开发已经有了很大的进展，需要进一步研究和开发大型和微型高性能的无刷直流电机。
    开关磁阻(Switched Reluctance，即SR)电机利用定转子磁路凸极效应所产生的磁阻转矩来驱动转子旋转。由于开关磁阻电机的旋转方向与绕组电流方向无关而仅取决于定子各相绕组的通电顺序，因而功率变换器的电路得以简化。双凸极永磁(Doubly Salient Permanent Magnet，即DSPM)电机是在开关磁阻电机结构的基础上，在定子或转子中加入永磁体而构成的一种调速电机。由于永磁转矩远大于磁阻转矩且与电流成正比，在电流正、负半波期间均可产生有效的电磁转矩，因此这种电机的单位体积出力比开关磁阻电机有较大提高。磁通切换型双凸极永磁(Flux-Switching Permanent Magnet，即FSPM)电机是在DSPM电机的基础上演变出来的另一种凋速电机。虽然FSPM和DSPM电机都采用双凸极结构并且在定子或转子中加人永磁体，但由于永磁体、磁极和绕组的结构不同，使FSPM电机绕组的磁链呈双极性，而DSPM电机绕组的磁链呈单极性，使FSPM电机的转矩密度高于DSPMLl别。FSPM电机有可能成为新的研究热点。如何提高双凸极电机的力能指标、降低转矩脉动和振动噪声是需要继续深化的研究方向。
    无刷双馈电机是一种无刷结构的新型交流电机，其定子具有极数不同的两套绕组，转子可采用笼型或磁阻式结构。通过转子对定子两套绕组电流产生磁场的调制作用，实现机电能量转换。这种电机在电动机运行方式下，既可异步运行，又可同步运行，并可通过控制副绕组的电流来实现低于和高于同步转速的双馈调速运行。在发电机运行方式下，则可通过副绕组的交流励磁控制实现变速恒频。由于所需要的控制功率较小和控制系统成本较低，该种电机在大中型交流电机凋速系统和变速恒频风力和水力发电系统中具有良好的应用前景。美国于20世纪90年代率先对无刷双馈电机进行了研究，近几年转向了英国和澳大利亚。我国从20世纪90年代开始，先后有十几所院校对无刷双馈电机的设计理论和控制策略进行研究，取得了一些重要的研究成果。由于磁场调制机理的复杂性，无刷双馈电机在谐波及其效应、功率密度、损耗和效率等方面还存在一些需要研究解决的问题。
    先进感应电动机主要应用于低转速高功率的电气传动。Alston公司经十几年研究，通过优化电磁设计(结构型式，绕组结构，相数等)、提高材料特性和采用先进冷却方式，使电机功率密度和转矩密度大幅度提高，并在结构噪声和抗冲击方面也进行了创新性的研究。这种电机目前在国外已进人工程实用化，而我国尚未开展这方面的研究工作。