Las perspectivas de desarrollo de los motores de reluctancia conmutada
El motor de reluctancia conmutada es un nuevo tipo de sistema de accionamiento de regulación de velocidad desarrollado a principios de la década de 1980 con el rápido desarrollo de la electrónica de potencia, las microcomputadoras y la tecnología de control. Tiene las características sobresalientes de estructura simple, operación confiable y alta eficiencia. Se ha convertido en un fuerte competidor del sistema de control de velocidad del motor de CA, del sistema de control de velocidad del motor de CC y del sistema de control de velocidad del motor sin escobillas de CC, y ha atraído una amplia atención de académicos y empresas. círculos alrededor del mundo. Emerson Electric, una empresa multinacional de motores, también considera los motores de reluctancia conmutada como un nuevo punto de crecimiento tecnológico y económico para su sistema de accionamiento de control de velocidad en el próximo siglo. En la actualidad, los motores de reluctancia conmutada se han utilizado ampliamente en la industria, la aviación, los electrodomésticos y otros campos.
En 1970, el Grupo de Investigación de Motores Paso a Paso de la Universidad de Leeds en el Reino Unido creó el primer prototipo de motor de reluctancia conmutada (SRM), que fue la primera investigación sobre SRM. En 1972, se realizaron más investigaciones sobre motores de baja potencia (10W ~ 1KW) utilizando interruptores semiconductores. En 1975 se lograron avances sustanciales y se desarrollaron componentes para vehículos con batería de 50 kW. 1980 Se funda Switched Reluctance Motor Drives Limited (SRD Limited) en el Reino Unido, especializándose en la investigación, el desarrollo y el diseño de sistemas SRD. En 1983, el Reino Unido (SRD Co., Ltd.) lanzó por primera vez la serie de productos SRD, denominada Alton. 1984 TASC Drive Systems también lanza su producto. Además, SRD Co., Ltd. ha desarrollado un sistema de propulsión adecuado para tranvías, que ha recorrido 500 kilómetros hasta 1986. La aparición de este producto ha causado considerables repercusiones en el campo de la propulsión eléctrica. Ha alcanzado niveles inesperadamente altos en muchos indicadores de rendimiento, y los indicadores integrales de rendimiento y precio de todo el sistema han alcanzado o superado algunos sistemas de transmisión de velocidad variable que se han utilizado ampliamente en la industria durante mucho tiempo.
Según los artículos sobre sistemas SRD en conferencias internacionales de la década de 1990, la investigación sobre sistemas SRD ha pasado de la etapa de demostración de sus ventajas, desarrollo y aplicación a la etapa de teoría del diseño y diseño optimizado. Se estudiaron en profundidad el principio de funcionamiento, el diseño optimizado y la forma estructural del motor SR, el controlador y el convertidor de potencia.
2. Introducción a los principios y ventajas
El sistema de accionamiento de motor de reluctancia conmutada (SRD) es un complejo dispositivo de integración electromecánica. Las variables de retroalimentación que deben detectarse en línea en tiempo real son generalmente la posición del rotor, la velocidad y la corriente, y luego se dan instrucciones de control de acuerdo con los objetivos de control para realizar las funciones de control y protección de operación. La detección de la posición del rotor es una parte importante del SRD. La señal de posición del rotor detectada es la base para la conmutación lógica correcta de cada dispositivo de conmutación principal de fase y también proporciona una señal de retroalimentación de velocidad para el control de velocidad.
Los motores de reluctancia conmutada tienen capacidades regenerativas y una alta eficiencia del sistema. La investigación teórica y la práctica de los motores de reluctancia conmutada han demostrado que este sistema tiene muchas ventajas significativas:
(1) El motor tiene una estructura simple y sólida, un proceso de fabricación simple, un bajo costo y puede funcionar a temperaturas extremadamente altas. velocidades; el estator La bobina es fácil de insertar, tiene extremos cortos y fuertes y funciona de manera confiable. Se puede utilizar en diversos entornos hostiles, con altas temperaturas e incluso con fuertes vibraciones.
(2) La pérdida se produce principalmente en el estator, por lo que el motor es fácil de enfriar; el rotor no tiene imanes permanentes, lo que permite un mayor aumento de temperatura.
(3) La dirección del par no tiene nada que ver con la dirección de la corriente, lo que simplifica al máximo el convertidor de potencia y reduce el coste del sistema.
(4) El convertidor de potencia no tendrá fallas de paso y tiene alta confiabilidad.
(5) El par de arranque es grande, el rendimiento a baja velocidad es bueno y no hay corriente de entrada cuando arranca el motor de inducción.
(6) El rango de regulación de velocidad es amplio, el control es flexible y es fácil realizar las características de par y velocidad de varios requisitos especiales.
(7) Tiene alta eficiencia en un amplio rango de velocidad y potencia.
(8) Puede operar en cuatro cuadrantes y tiene una fuerte capacidad de frenado regenerativo.
(9) Fuerte tolerancia a fallos. La tolerancia a fallos del motor de reluctancia conmutada se refleja en el hecho de que si una fase del motor está dañada, el motor aún puede funcionar.
En comparación con los motores de inducción con regulación de velocidad de frecuencia variable actualmente ampliamente utilizados, los motores de reluctancia conmutada tienen ventajas obvias o competitividad en términos de costo, eficiencia, rendimiento de regulación de velocidad, potencia por unidad de volumen, confiabilidad, disipación de calor, etc. .
Si la eficiencia del motor de reluctancia conmutada de primera generación (desarrollado en 1983) es menor que la del motor de inducción de frecuencia variable y velocidad regulada de alta eficiencia en el rango de potencia pequeño, entonces la eficiencia del El motor de reluctancia conmutada de segunda generación (desarrollado en 1988) ha superado por completo al motor de inducción de regulación de velocidad de frecuencia variable de alta eficiencia. Lo que es aún más raro es que el motor de reluctancia conmutada pueda mantener una alta eficiencia en un amplio rango de velocidad y potencia, lo que no tiene comparación con los motores de inducción de frecuencia variable y velocidad ajustable. Los motores de inducción requieren sistemas complejos de control vectorial para lograr características de regulación de velocidad similares a las de los motores de CC, mientras que los motores de reluctancia conmutada pueden obtener las características mecánicas requeridas por diferentes cargas ajustando el ángulo de apertura, el ángulo de cierre, el voltaje y la corriente. El control es simple y flexible, y se puede lograr fácilmente un arranque suave y una operación en cuatro cuadrantes. Y debido a que es un método de control puramente lógico, es fácil volverse inteligente. Las características de funcionamiento del motor se pueden ajustar modificando el software para satisfacer las diferentes necesidades de la aplicación.
Debido a la fluctuación de par inherente del motor de reluctancia conmutada, puede provocar grandes ruidos y vibraciones. De hecho, esta situación suele estar relacionada con un diseño y control poco razonables del motor. Al optimizar el diseño del motor y la estrategia de control, se pueden suprimir eficazmente la fluctuación del par y el ruido. Una correcta comprensión de este punto es muy importante para el desarrollo y aplicación de motores de reluctancia conmutada. La ondulación del par del motor de reluctancia conmutada para aplicaciones servo desarrollado por SRD Co., Ltd. es sólo del 0,05%.
En los últimos años, los resultados de las investigaciones sobre estrategias óptimas de control de la excitación, estrategias de control de la conmutación secundaria, fuentes de ruido del motor, modos de vibración del estator y cálculos de la frecuencia natural del estator tienen un efecto positivo en la reducción del ruido del motor. A medida que mejoren los niveles de diseño y fabricación, el ruido se reducirá aún más.
3. Aplicación de motores de reluctancia conmutada
En los últimos años, la aplicación y el desarrollo de motores de reluctancia conmutada han experimentado importantes avances y se han utilizado con éxito en accionamientos de vehículos eléctricos, industria en general, y aplicaciones domésticas. Electrodomésticos, maquinaria textil y otros campos. El rango de potencia es de 10W a 5MW y la velocidad máxima es de hasta 10000 r/min.
3.1 Aplicaciones en vehículos eléctricos
El campo de aplicación inicial de los motores de reluctancia conmutada son los vehículos eléctricos. En la actualidad, existen dos tipos principales de motores de accionamiento para motocicletas y bicicletas eléctricas: los de imán permanente sin escobillas y los de imán permanente con escobillas. Sin embargo, los motores de reluctancia conmutada tienen ventajas únicas. Cuando la alta densidad de energía y la eficiencia del sistema son indicadores clave, los motores de reluctancia conmutada se convierten en la primera opción.
La estructura del motor del sistema de accionamiento del motor de reluctancia conmutada SRD es compacta y resistente, adecuada para funcionamiento a alta velocidad. El circuito de accionamiento es simple, de bajo costo, de rendimiento confiable y de alta eficiencia en una amplia gama. Rango de velocidad y control de cuatro cuadrantes fácil de realizar. Estas características hacen que el sistema de accionamiento del motor de reluctancia conmutada SRD sea muy adecuado para diversas condiciones de trabajo de los vehículos eléctricos y sea un modelo prometedor entre los vehículos eléctricos. Las características más importantes del SRD son la gran ondulación del par y el ruido fuerte; además, en comparación con los motores de imanes permanentes, la densidad de potencia y la eficiencia son menores. Otra desventaja es el uso de sensores de posición, lo que aumenta la complejidad de la estructura y reduce la confiabilidad; . Por lo tanto, el SRD sin sensores es también una de las tendencias de desarrollo futuras. Sus ventajas se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:
(1) El motor de reluctancia conmutada no solo es altamente eficiente, sino que también puede mantener una alta eficiencia dentro de un amplio rango de potencia y velocidad. A diferencia de otros tipos. de los sistemas de propulsión. Esta característica es particularmente adecuada para el funcionamiento de vehículos eléctricos y favorece la mejora de la autonomía de conducción de los vehículos eléctricos.
(2) Al adoptar estrategias de control y diseños de sistemas adecuados, los motores de reluctancia conmutada pueden cumplir fácilmente los requisitos de operación de cuatro cuadrantes de los vehículos eléctricos y mantener fuertes capacidades de frenado en áreas operativas de alta velocidad.
(3) El motor de reluctancia conmutada tiene buenas características de disipación de calor, por lo que puede obtener mayor potencia de salida con un volumen menor y reducir el tamaño y peso del motor.
(4) Al ajustar el ángulo de encendido y el ángulo de apagado, el motor de reluctancia conmutada puede aprovechar plenamente las buenas características de control de su sistema de accionamiento del motor de CC, y es un método de control lógico puro que Es fácil de inteligenteizar, de modo que se puede controlar mediante reprogramación o reemplazo de componentes del circuito para cumplir fácilmente con los requisitos de diferentes características operativas.
(5) Los motores de reluctancia conmutada, ya sean motores o convertidores de potencia, son muy fuertes y confiables, requieren poco o ningún mantenimiento, son adecuados para diversos entornos hostiles y de alta temperatura y tienen buena adaptabilidad.
3.2 Aplicación en la industria textil
En los últimos diez años, el nivel de mecatrónica en la industria de maquinaria textil de mi país ha mejorado significativamente y la tecnología mecatrónica se ha utilizado ampliamente en nuevos textiles. maquinaria. El contenido de esta tecnología incluye tecnología avanzada de control y procesamiento de información, es decir, sistemas de control centrados en computadora, PLC, computadoras industriales, microcontroladores, interfaces hombre-máquina, buses de campo, etc., incluida la regulación de velocidad de conversión de frecuencia; Servo AC, motores paso a paso, etc. Tecnología de detección y detección y actuadores; tecnología de maquinaria de precisión, etc. Productos mecatrónicos típicos de los equipos textiles de algodón, como mecheras nuevas, urdidores hendidos, encoladoras, etc. Entre ellos,
La principal tecnología de transmisión de los telares sin lanzadera también ha logrado nuevos avances: el uso de motores de reluctancia conmutados como transmisión principal de los telares sin lanzadera ha traído muchas ventajas, como reducir los engranajes de transmisión y no utilizar correas. y poleas, no se utiliza embrague electromagnético ni disco de freno, no se utiliza motor de búsqueda de trama, el ahorro de energía es del 65, 438+00%, etc. Hay motores de reluctancia conmutada y productos impulsores nacionales (Instituto de Investigación Eléctrica y Mecánica Textil de Beijing, China), y todavía estamos cooperando con los principales fabricantes de motores de telares sin lanzadera, * * *.
3.3 Aplicación industrial del coque
El motor de reluctancia conmutada (SRD) se puede arrancar con frecuencia bajo cargas pesadas debido a su gran par de arranque y pequeña corriente de arranque, y ahorra energía y De sencillo mantenimiento, especialmente indicado para transportadores mineros, cizallas de tracción eléctrica y tornos de pequeño y mediano tamaño.
En la década de 1990, el Reino Unido desarrolló con éxito un motor de reluctancia conmutada de 300 kW y lo aplicó a transportadores raspadores, logrando buenos resultados. Nuestro país ha desarrollado con éxito un motor de reluctancia conmutada de 110 kW para cabrestantes de roca estéril y un motor de reluctancia conmutada de 132 kW para arrastre de cinta transportadora. Su buen rendimiento de arranque y regulación de velocidad ha sido bien recibido por los trabajadores. Las cizallas de tracción eléctrica de mi país también utilizan motores de reluctancia conmutada y las pruebas operativas han demostrado que las nuevas cizallas tienen un buen rendimiento. Además, los motores de reluctancia conmutada se han aplicado con éxito a locomotoras eléctricas, mejorando la confiabilidad y eficiencia de las operaciones de las locomotoras eléctricas.
3.4 Aplicaciones en la industria de electrodomésticos
Con la mejora del nivel de vida de las personas, las lavadoras han ido penetrando gradualmente en miles de hogares. Las lavadoras también han experimentado el proceso de desarrollo del lavado mecánico manual. lavadoras, lavadoras semiautomáticas y lavadoras totalmente automáticas, cada vez más inteligentes. Los motores de las lavadoras también se han desarrollado desde simples motores de regulación de velocidad escalonada hasta motores de regulación de velocidad continua. Los motores de reluctancia conmutada se han utilizado en lavadoras debido a su bajo costo, alto rendimiento e inteligencia, y se utilizan en pequeños lotes en lavadoras de alta gama en Estados Unidos, logrando ventajas obvias:
(1 ) Velocidad de lavado muy baja.
(2) Realizar distribución de ropa.
(3) El rodillo tiene buen equilibrio.
(4) Apagado rápido y seguro.
(5)Arranque suave.
(6) Limitación de corriente.
(7) La velocidad máxima es alta y el par a baja velocidad es grande.
(8) Las características mecánicas son fáciles de ajustar.
(9) Fácil de controlar de forma inteligente la temperatura y el flujo del agua.
En cuarto lugar, la tendencia de desarrollo de los motores de reluctancia conmutada.
Como un nuevo tipo de sistema de accionamiento de control de velocidad, los motores de reluctancia conmutada son cada vez más reconocidos por sus ventajas de estructura simple, bajo costo, alta eficiencia, excelente rendimiento de control de velocidad y controlabilidad y aplicaciones flexibles. Se ha utilizado con éxito en sistemas de accionamiento de vehículos eléctricos, electrodomésticos, aplicaciones industriales, servosistemas, accionamientos de alta velocidad, aeroespacial y muchos otros campos, y se ha convertido en una potente solución para sistemas de control de velocidad de motores de CA, sistemas de control de velocidad de motores de CC, y sistemas de control de velocidad de motores de CC sin escobillas.
Estados Unidos, Canadá, Yugoslavia, Egipto y otros países han desarrollado sistemas SRD. En aplicaciones extranjeras, el SRD se utiliza generalmente para tracción, como vehículos con batería y vehículos eléctricos. Al mismo tiempo, el rendimiento a alta velocidad es una dirección especial de SRD. Según los informes, Estados Unidos ha desarrollado un prototipo SRD de alta velocidad de 25.000 r/min y 90 kW para tecnología aeroespacial. La investigación sobre sistemas SRD se ha incluido en los proyectos de planificación de investigación científica de mi país para motores pequeños y medianos durante el Octavo Plan Quinquenal, el Noveno Plan Quinquenal y el Décimo Plan Quinquenal.
El grupo de investigación de motores de reluctancia conmutada de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong desarrolló vehículos eléctricos puros utilizando SRD durante el período del "Noveno Plan Quinquenal" y aplicó SRD a autobuses urbanos híbridos durante el "Décimo Plan Quinquenal". Año Plan", los cuales lograron grandes resultados. Buenos resultados operativos. El SRD se ha utilizado en máquinas de impresión de toallas, máquinas laminadoras de telas, tracción de minas de carbón y vehículos eléctricos en el Instituto de Investigación de Maquinaria Textil, y ha logrado importantes beneficios económicos.
En los últimos años, con el rápido desarrollo de la tecnología de la electrónica de potencia, la tecnología de procesamiento de señales digitales y la tecnología de control, así como la madurez continua de la tecnología inteligente y el surgimiento de tecnologías de alta velocidad, eficientes y de bajo costo. chips de procesamiento de señal digital (DSP), que utilizan DSP de alto rendimiento para desarrollar tecnología de detección de posición indirecta con varios algoritmos complejos, sin la necesidad de circuitos de hardware adicionales, lo que mejora en gran medida la confiabilidad y aplicabilidad de la detección de motor de reluctancia conmutada, y definitivamente mostrará la superioridad del SRD en mayor medida.
En la década de 1990, se combinaron aún más los sistemas de fabricación flexibles controlados por computadora, los almacenes principales y los robots, y la gestión del suministro de materiales y piezas se controló mediante computadoras, logrando alta eficiencia, alta calidad y totalmente automática. y una producción equilibrada. El nivel de diseño y fabricación continúa mejorando, se continúan desarrollando chips de control especiales y dispositivos de potencia integrados, y el rendimiento y la aplicabilidad de los motores de reluctancia conmutada continúan aumentando. Con el desarrollo de la construcción económica nacional, diversas industrias se están volviendo cada vez más mecanizadas y automatizadas, lo que proporciona un enorme mercado potencial para los motores de reluctancia conmutada.