適應錨機工況要求的開關磁阻電機調速系統(tǒng)的研究

張 芊 胡 猛 李元棟

（鎮(zhèn)江船艇學院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

錨機是船舶重要的甲板機械之一，它主要承擔船舶起航、錨泊、?？看a頭等不同航行階段中，起、拋錨和系纜的重任。目前船用錨機主要有兩種拖動控制方式，即液壓拖動和電力拖動，其中電力拖動的動力源多來自于由接觸－繼電器控制裝置與三相交流異步電動機組成的電力拖動調速系統(tǒng)，由于其技術成熟、性能可靠、轉速可調等特點，已在眾多船型中得到了廣泛應用。但是，在長期使用過程中，該系統(tǒng)體積重量較大、電機結構復雜、調速性能有限，以及自動化、信息化程度低等缺點也逐漸顯現(xiàn)出來。本文針對錨機工況要求，結合近年來發(fā)展迅速的開關磁阻電機調速系統(tǒng)（簡稱SRD 系統(tǒng)），就其在船用電動錨機控制系統(tǒng)中的應用進行探討。

1 開關磁阻電機調速系統(tǒng)的基本組成

開關磁阻電機（簡稱SR 電機）是上世紀80年代后發(fā)展起來的一種新型電機，它由裝有勵磁繞組的定子和無繞組的轉子構成，一般為雙凸極結構，其定、轉子均由普通硅鋼片疊壓而成，并沖有一定形狀的齒槽。轉子上既無繞組也無永磁體，只在定子齒極上繞有集中繞組［1～2］。開關磁阻電機用作錨機電動機具有如下優(yōu)點：

（1）電機結構簡單，性能可靠，冗余度高，適用于環(huán)境惡劣和大功率的場合；

（2）電機可控參數(shù)多，調速性能好，可以方便地實現(xiàn)無極調速；

（3）能夠實現(xiàn)低起動電流、高起動轉矩，且過載倍數(shù)高；

（4）轉子轉動慣量小，有較高的轉矩慣量比；

（5）轉矩方向與電流方向無關，降低了對電源與功率變換電路的要求。

由SR 電機、功率變換器、控制器和檢測器所組成的開關磁阻電機調速系統(tǒng)（簡稱SRD）是一種全數(shù)字機電一體化交流調速系統(tǒng)［3～4］，其原理如圖1所示。

圖1 SRD 系統(tǒng)組成原理框圖

2 適應錨機工作條件的SRD 系統(tǒng)的硬件要求

在SRD 系統(tǒng)中，SR 電機是實現(xiàn)機電能量轉換的關鍵部件，它的大小應根據(jù)錨機實際功率要求進行選擇，同時應盡量選擇相數(shù)和定、轉子齒極數(shù)少的電機，如四相8／6極甚至三相6／4極電機。這樣可以在不影響系統(tǒng)運行質量的前提下，節(jié)約設備成本，同時降低系統(tǒng)的開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期。雖然齒極數(shù)少的電機低速時的轉矩脈動現(xiàn)象較為明顯，但并不會影響錨機這一類設備的正常作業(yè)。功率變換器是電源和SR 電動機的接口，在控制器的控制下起開關作用，使繞組通電或斷電，同時為繞組儲能提供能量回饋的路徑。常見主電路形式有雙開關型、雙繞組型、電容分壓型、H 橋型和公共開關型主電路等。功率變換器主電路的選擇和電機結構以及所選功率器件的電流定額有關。一般四相8／6極電機常采用H 橋型主電路，而三相電機最常用的是雙開關型主電路?？刂破魇钦麄€系統(tǒng)的核心和大腦，其作用是綜合處理速度指令、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器主開關的通斷，實現(xiàn)對SR 電動機運行狀態(tài)的控制?，F(xiàn)在控制器的主控芯片常采用高速16／32位單片機或數(shù)字信號處理器（DSP），其中DSP 因其硬件資源豐富、功能齊全、性能穩(wěn)定、運算速度快等優(yōu)點，已成為SRD 系統(tǒng)的首選，這里面就包括美國TI公司主推的2407 和2812 系列DSP。檢測器則由位置、電流和速度等檢測環(huán)節(jié)構成，提供轉子的位置信息以決定各相繞組的開通與關斷；提供電流信息來完成電流斬波控制或采取相應的保護措施以防止過電流；提供速度信號以保證系統(tǒng)具有優(yōu)良的動、靜態(tài)性能。常用的位置傳感器有光敏式、磁敏式以及接近開關式等；電流檢測可采用電阻采樣和霍爾電流采樣；速度則可由位置信號經(jīng)過計算得到。這里需要指出的是，位置傳感器的使用增加了系統(tǒng)的復雜程度，同時有些位置傳感器對使用環(huán)境要求較高，在對錨機拖動系統(tǒng)進行設計、選用時應特別注意。若要避免該問題的產(chǎn)生，也可采用無位置傳感器的SRD 系統(tǒng)，通過狀態(tài)觀測器估算轉子位置，或是采用脈沖注入法估算轉子位置。

3 適應錨機工況要求的SRD 系統(tǒng)控制策略選擇

在不同情況下，以及起、拋錨的不同階段，錨機的工況有所不同，其中拋錨工況相對簡單，而起錨工況較為復雜。起錨通?？煞譃?個階段，即①收起臥鏈、②收緊錨鏈、③拔錨出土、④收起懸鏈、⑤收錨入孔，這5個階段的具體工況如圖2所示。

圖2 錨機起錨五階段工況示意圖

從圖2可以看出，起錨5階段對轉速、轉矩都有各自的要求。下面針對這5 個階段的工況要求，為SRD 系統(tǒng)選擇適當?shù)目刂撇呗浴R 電機轉速的可控量一般有加于相繞組兩端的電壓US、開通角θon和關斷角θoff三個參數(shù)，其控制方式主要針對以上幾個可控變量來進行控制，主要有電流斬波控制方式（CCC 方式）和角度位置控制方式（APC方式）［5］。

（1）CCC控制方式

當SR 電機起動、低、中速運行時，電壓不變，旋轉電動勢引起的壓降小，電感上升期的時間長，電流變化率相當大，為避免電流脈沖峰值超過功率開關器件和電機的允許值，常采用CCC控制模式來限制電流。CCC 控制還可分為定角度斬波模式和變角度斬波模式。定角度斬波模式通常在電機起動后低、中速運行時采用，導通角保持不變，但相對較小，可用于起錨過程中的收起臥鏈階段；變角度斬波模式通常在電機起動或低速運行時采用，通過電流斬波控制和改變開通角與關斷角的大小調節(jié)轉矩，可根據(jù)負載變化輸出所需的各種轉矩，具有軟的機械特性，適用于收緊錨鏈、拔錨出土和收錨入孔階段。

（2）APC控制方式

在SR 電機高速運行時，為了使轉矩不隨轉速的平方下降，在外施電壓一定的情況下，需要通過改變開通角和關斷角的值獲得所需的較大電流，即APC控制。在APC控制中，一般采用固定關斷角，改變開通角的控制模式，這種方式適用于收起懸鏈階段，可確保懸鏈回收的快速性。

在起錨過程中，五階段控制方式的選擇和轉換可通過軟件進行預先設置，系統(tǒng)根據(jù)實時反饋信號自動完成，不需人工干預，提高了錨機系統(tǒng)工作的效率、可靠性和智能化程度。

4 結 語

SR 電機結構簡單，又因為繞組電流是直流脈沖，只需整流、無需逆變，所以控制電路簡單。研究表明，基于高速單片機或DSP 控制的SRD 系統(tǒng)轉速大范圍變化時，其系統(tǒng)效率比交、直流變頻調速系統(tǒng)都高，且啟動轉矩大，啟動電流小，過載能力強。雖然低相數(shù)、低齒極數(shù)SR 電機低速時轉矩有些脈動，噪聲和振動較大，但在拖動船用錨機這類大型船用機械時并不影響其性能。與此同時，船舶錨機電力拖動采用SRD 系統(tǒng)后，將更有利于對其進行計算機網(wǎng)絡管理，有助于實現(xiàn)錨機的自動控制，提升船舶電氣自動化、智能化和信息化水平。

1 王宏華.開關型磁阻電動機調速控制技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1995

2 孫建忠，白鳳仙.特種電機及其控制［M］.北京：中國水利水電出版社，2005

3 邊春元.開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的理論和應用研究［D］.沈陽：東北大學博士學位論文，2001

4 曹家勇，陳幼平，詹瓊華.開關磁阻電動機控制技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.電機與控制學報，2002（3）

5 紀良文.開關磁阻電機調速系統(tǒng)及其新型控制策略研究［D］.杭州：浙江大學博士學位論文，2002