適應(yīng)錨機(jī)工況要求的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究

張 芊 胡 猛 李元棟

（鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

錨機(jī)是船舶重要的甲板機(jī)械之一，它主要承擔(dān)船舶起航、錨泊、停靠碼頭等不同航行階段中，起、拋錨和系纜的重任。目前船用錨機(jī)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(jī)組成的電力拖動調(diào)速系統(tǒng)，由于其技術(shù)成熟、性能可靠、轉(zhuǎn)速可調(diào)等特點，已在眾多船型中得到了廣泛應(yīng)用。但是，在長期使用過程中，該系統(tǒng)體積重量較大、電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)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(jī)工況要求，結(jié)合近年來發(fā)展迅速的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱SRD 系統(tǒng)），就其在船用電動錨機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本組成

開關(guān)磁阻電機(jī)（簡稱SR 電機(jī)）是上世紀(jì)80年代后發(fā)展起來的一種新型電機(jī)，它由裝有勵磁繞組的定子和無繞組的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，一般為雙凸極結(jié)構(gòu)，其定、轉(zhuǎn)子均由普通硅鋼片疊壓而成，并沖有一定形狀的齒槽。轉(zhuǎn)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(guān)磁阻電機(jī)用作錨機(jī)電動機(jī)具有如下優(yōu)點：

（1）電機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)可控參數(shù)多，調(diào)速性能好，可以方便地實現(xiàn)無極調(diào)速；

（3）能夠?qū)崿F(xiàn)低起動電流、高起動轉(zhuǎn)矩，且過載倍數(shù)高；

（4）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，有較高的轉(zhuǎn)矩慣量比；

（5）轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，降低了對電源與功率變換電路的要求。

由SR 電機(jī)、功率變換器、控制器和檢測器所組成的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱SRD）是一種全數(shù)字機(jī)電一體化交流調(diào)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(yīng)錨機(jī)工作條件的SRD 系統(tǒng)的硬件要求

在SRD 系統(tǒng)中，SR 電機(jī)是實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，它的大小應(yīng)根據(jù)錨機(jī)實際功率要求進(jìn)行選擇，同時應(yīng)盡量選擇相數(shù)和定、轉(zhuǎn)子齒極數(shù)少的電機(jī)，如四相8／6極甚至三相6／4極電機(jī)。這樣可以在不影響系統(tǒng)運行質(zhì)量的前提下，節(jié)約設(shè)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(jī)低速時的轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象較為明顯，但并不會影響錨機(jī)這一類設(shè)備的正常作業(yè)。功率變換器是電源和SR 電動機(jī)的接口，在控制器的控制下起開關(guān)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(guān)型、雙繞組型、電容分壓型、H 橋型和公共開關(guān)型主電路等。功率變換器主電路的選擇和電機(jī)結(jié)構(gòu)以及所選功率器件的電流定額有關(guān)。一般四相8／6極電機(jī)常采用H 橋型主電路，而三相電機(jī)最常用的是雙開關(guān)型主電路。控制器是整個系統(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(guān)的通斷，實現(xiàn)對SR 電動機(jī)運行狀態(tài)的控制。現(xiàn)在控制器的主控芯片常采用高速16／32位單片機(jī)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(gòu)成，提供轉(zhuǎn)子的位置信息以決定各相繞組的開通與關(guān)斷；提供電流信息來完成電流斬波控制或采取相應(yīng)的保護(hù)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(guān)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(fù)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(jī)拖動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、選用時應(yīng)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(zhuǎn)子位置，或是采用脈沖注入法估算轉(zhuǎn)子位置。

3 適應(yīng)錨機(jī)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(jī)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(fù)雜。起錨通常可分為5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(jī)起錨五階段工況示意圖

從圖2可以看出，起錨5階段對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)目刂撇呗浴R 電機(jī)轉(zhuǎn)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(guān)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(jìn)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(dāng)SR 電機(jī)起動、低、中速運行時，電壓不變，旋轉(zhuǎn)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(dāng)大，為避免電流脈沖峰值超過功率開關(guān)器件和電機(jī)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(jī)起動后低、中速運行時采用，導(dǎo)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(jī)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(guān)斷角的大小調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，可根據(jù)負(fù)載變化輸出所需的各種轉(zhuǎn)矩，具有軟的機(jī)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(jī)高速運行時，為了使轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(zhuǎn)換可通過軟件進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，系統(tǒng)根據(jù)實時反饋信號自動完成，不需人工干預(yù)，提高了錨機(jī)系統(tǒng)工作的效率、可靠性和智能化程度。

4 結(jié) 語

SR 電機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)或DSP 控制的SRD 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速大范圍變化時，其系統(tǒng)效率比交、直流變頻調(diào)速系統(tǒng)都高，且啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，過載能力強(qiáng)。雖然低相數(shù)、低齒極數(shù)SR 電機(jī)低速時轉(zhuǎn)矩有些脈動，噪聲和振動較大，但在拖動船用錨機(jī)這類大型船用機(jī)械時并不影響其性能。與此同時，船舶錨機(jī)電力拖動采用SRD 系統(tǒng)后，將更有利于對其進(jìn)行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理，有助于實現(xiàn)錨機(jī)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(guān)型磁阻電動機(jī)調(diào)速控制技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995

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

3 邊春元.開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的理論和應(yīng)用研究［D］.沈陽：東北大學(xué)博士學(xué)位論文，2001

4 曹家勇，陳幼平，詹瓊?cè)A.開關(guān)磁阻電動機(jī)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.電機(jī)與控制學(xué)報，2002（3）

5 紀(jì)良文.開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及其新型控制策略研究［D］.杭州：浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2002