開關磁阻電機的基本了解

1、開關磁阻電機的基本學習內容1 開關磁阻電機的基本原理以及結構開關磁阻電動機(Switched Reluctance Motor，簡稱SRM) 定轉子為雙凸極結構，鐵心均由普通硅鋼片疊壓而成，其定子極上有集中繞組，徑向相對的兩個繞組串聯構成一相，轉子非永磁體，其上也無繞組1,3。SRM的定轉子極數必須滿足如下約束關系： (1-1) 其中，Ns，Nr分別為電機定、轉子數；m為電機相數值減1；k為一常數。以下圖1-1所示一個典型四相8/6極SRM為例，相數為4，因而m=3，取k=1，則Ns=6，Nr=8。m及k值越高，越利于高控制性能控制，但相應成本越高，結構越復雜。目前技術較為成熟，發(fā)展較為迅速的

2、產品多為三、四相SRM2。圖1-1即為一典型四相8/6結構的SRM電機本體及其不對稱功率變換器主電路的示意圖（圖1-1在末尾手畫）。為表述清晰，圖中僅畫出不對稱半橋電路的一相，其他各相均與該相相同，并省略了相應的驅動及檢測電路。完整的開關磁阻電機調速系統（Switched Reluctance Motor Drive，簡稱SRD）則由SRM、功率變換器、控制器、位置檢測器等四大部分組成，如下圖1-2示。SRM可以認為是同步電機的一個分支，它運行時遵循磁阻最小原理，同步進電機較為類似2,30。其具體運行原理如下：首先要保證勵磁相的定子凸極和最近的轉子凹極中心線不重合，也即初始位移不能位于磁阻最小

3、位置。通以交流電后，經過一個整流橋變?yōu)橹绷麟娫矗旈_關S1和S2開通時，AA相通電勵磁，產生一個磁拉力。在該電磁力的軸向分量作用下，產生電磁轉矩，凸極轉子鐵心趨向于旋轉到定轉子極軸線B-B與A-A重合的位置；而電磁力的徑向力分量則造成定子的“變形”，這也是產生轉矩脈動和電機噪聲的根本原因之一。在該過程中電機吸收電能。關斷S1和S2，開通BB相，此時AA相經續(xù)流二極管VD1、VD2將電能回饋給電源，同時BB相趨向運行到定轉子極軸線C-C與B-B重合的位置。以此類推，順次給ABCD相循環(huán)勵磁，在慣性和軸向力的作用下，轉子將一直逆著勵磁順序旋轉，從而完成自同步運行。同理若改變勵磁順序為CBAD，則轉

4、子沿順時針方向轉動。由此可以看出， SRM與直流電機不同，其運行方向與相電流方向無關，而僅與相繞組通電順序有關。圖1-2開關磁阻電機調速系統構成初次以外，我還搜集了幾種不同結構的SR電機，分別有渦輪轉子兩相SR電機，可控飽和兩相SR電機、常規(guī)結構三相6/4級SR電機、三相6/8SR電機、三相12/10級SR電機、三相6/2級SR電機、三相12/8級SR電機、三相24/32極外轉子SR電機、五項10/8級短磁SR電機、七相14/12極短磁路SR電機，具體配圖見報告末尾備注。二 SRD的物理方程與控制分析SRM的雙凸極結構及整個磁路的脈振性、高飽和、渦流、磁滯等非線性因素的存在，加上運行時的開關性

5、，使得的SRM精確分析極為困難【41,44】。在此問題上，適度的簡化模型顯示了強大的優(yōu)勢。首先，基于簡化模型的假設如下【28，102】：主開關電源的直流電壓(±Us)不變；忽略鐵耗及相間互感；忽略功率開關自身的功耗，視為理想開關器件；認為電機各相參數完全對稱；磁場不飽和。在此基礎上，我們可以得到SRM運行的本質電磁和力學關系，寫出其嚴密的物理方程1,2,3,7。1.電路方程 (1-2)式中，Uk：第k相繞組端電壓；Rk、ik、yk：第k相繞組的電阻、電流和磁鏈。2.磁鏈方程相繞組磁鏈可用相電感和相電流表示，即： (1-3)式中，q：轉子位置角。3.機械方程 (1-4)其中： (1-5

6、) (1-6)式中，：角速度；Te：電磁轉矩；：負載轉矩；J：轉動慣量；D：摩擦系數。4.機電聯系方程單相單獨工作時電機產生的電磁轉矩為：(1-7)且 ： (1-8)式中，：相繞組磁共能。由電路方程，可求得簡化模型下的相電流解析式為：(1-9)其中，f( )為電機本體參數、開通范圍及轉子位置角的函數。因此，可得到m相電機的平均電磁轉矩為：(1-10)5. 機械特性方程如果開通區(qū)間和給定電壓固定，則式(1-10)中積分部分為定值，由此得到SRM固有機械特性為：(1-11)式中，k為比例系數。將式1-11變形可得： (1-12)由此可明顯看出，SRM可調速參數較多，分別為：相繞組電壓Us、開通角和

7、關斷角。根據調節(jié)參數的不同，可將SRD常見調速方式分為三種1,53,58,59斬波控制方式(Current Chopping Control，簡稱CCC)；角度位置控制方式(Angular Position Control，簡稱APC)；和電壓控制(VoltageControl，簡稱VC)，其中VC常采用電壓PWM（Pulse Width Modulation，簡稱PWM）方式，如圖1-3所示。三種調速方式中，CCC常用于基速以下的恒轉矩區(qū)，通過電流斬波限來限制其啟動電流。APC則適用于基速以上的恒功率區(qū)，因旋轉電動勢較大，開關器件導通的時間較短，電流較小，可通過APC方式增大來補償電磁轉矩。

8、電壓PWM方式通過調節(jié)繞組電壓平均值，間接調節(jié)并限制繞組電流，適用于整個調速范圍。下圖 1-4 a)- c)分別為各調速方式的控制框圖。圖1-3 SRD常見調速方式應用為使SRD工作于最佳狀態(tài)，需結合不同的調速方式選擇合適的控制策略。目前較常用的有傳統PI控制17、模糊控制【4,30】、滑?？刂啤?3】及其組合控制【34,35】等。由于其電機的強耦合和非線性等特性，傳統控制無法滿足系統高性能的要求，智能控制正逐步應用于SR電機控制領域，很多學者致力于該方面的研究，如自適應控制【27,28，31】、反饋線性化控制【59】、人工神經網絡控制【43，45】等。三SRD的控制方式以及運行狀態(tài) 開關磁阻

9、電機在運行時，有三種物理狀態(tài)：1 起動2 穩(wěn)態(tài)運行3 制動控制開關磁阻電機穩(wěn)態(tài)運行時,控制方式有三種,分別是電流限制CCC控制/電流PWM控制、電壓PWM控制，其三種手畫圖分別為圖a、圖b、圖c。 圖a圖b圖c四SRD電機的優(yōu)缺點優(yōu)點：1. SRD有較大的電機利用系數，可以是感應電機利用系數的1.21.4倍2. 電機結構簡單，轉子上沒有繞組；定子上只有簡單的集中繞組，沒有相間跨接線。3. 轉矩與電流極性無關，單向電流激勵。4. 對轉速限制小，可以制成高速電動機5. 通過對電流的通段、幅值控制，滿足不同服在要求的機械特性6. SRD系統效率和功率密度在寬廣的速度和負載范圍內都較高缺點：1. 有轉

10、矩脈動轉矩由一系列脈沖轉矩疊加而成，切有雙凸級結構和磁路非線性，合成轉矩不是恒定轉矩，有一定的諧波分量2. 噪聲與振動大3. 出線頭多五SRD電機性能、應用以及研究現狀與發(fā)展前景自1842年，英國的Aberdeen和Davidson的開關磁阻電機運行理念誕生以來，經過100多年的技術準備，1967-1970年出現了世界上第一臺SRM的雛形28與傳統交直流電機相比，整體效率高10以上；功率因數空載時可達0.995，滿載時可達0.98，結構簡單、性價比高、性能可靠、調速范圍寬、運行效率高、可控參數多，控制靈活方便，允許頻繁起停，起停次數可達1000次/小時，轉速不受負載大小變化的影響，具有很高的效

11、率17,18。因而上世紀80年代以后，開關磁阻電機得到迅速發(fā)展，日新月異【58,1011】。目前國內外已有許多公司分別推出了其商品化的開關磁阻電機產品，代表性產品如下表1-1所示【28,36,60,73,87,88】。表1-1 SRD代表性產品或樣機Table 1-1 Representative Products of the SRD研制單位相關產品技術參數優(yōu)勢優(yōu)點美國GE高速SRD樣機90 kw ，105r/min有效材料僅10kg， 5MW， 1*106N.m中國SRM采煤機，牽引電機100kw，180kw防爆，適用于惡劣工作環(huán)境，可頻繁起制動南京航空航天大學高速SRD樣機1kW，1.5

12、kW， 105r/min可超高速運行，工作轉速可達130,000r/min；英國SRD Ltd.第二代SRD通用產品100w100Kw 505000 r/min效率比第一代OULTON電機高2%以上英國ALLENWESTSRD產品通用系列7.522KW功率范圍大英國BJD公司密閉水冷式SRD35KW防爆，耐高溫意SICME MOTOR和英國SRD Ltd.XMC、XMP、XME3系列SRD80 180m， 4Kw140Kw，3000rpm，轉速的60140%范圍內的效率都高于90%，即使在20%額定轉速的低速下，其效率仍可達40%.英國Nottingham開關磁阻風力發(fā)電機可變速風力發(fā)電機加拿

13、大semifusion開關磁阻伺服系統雙軸、四象限，調速平穩(wěn)中國于1984年跟蹤英國的研究成果，在借鑒國外經驗的基礎上，開關磁阻電機的研究進展很快【13,14】。目前華中科技大學在“九五”項目中研制出了SRD電動車，“十五”項目中將SRD應用到混合動力城市公交車，南京調速電機廠已與與北京紡織機械研究所合作研制成功3kW的SRM。近年來，我國已研制了50W-50KW、20多個規(guī)格的工業(yè)產品樣機，應用于刨床、煤礦牽引、紡織、冶金、機械、運輸、電動車驅動、航空、和家用電器等領域【58,1011】。現已開始新型SRM電機的研究【101】如DSPM電機、電勵磁雙凸極發(fā)電機、磁浮開關磁阻電機【22】、無軸承開關磁阻電機【93】等，并取得了一定研究成果。在SR電機的理論研究上，主要集中于控制、仿真、設計理論和電磁數值分析等方面，代表單位有南京航空航天大學、華中科技大學，華中理工大學、華南理工大學、東南大學、西安交通大學、浙江大學、清華大學、中國礦業(yè)大學、北京紡織機械研究所，上海電科院、西安微電機研究所等39,42,47,52,57。作為一新型電機調速系統，SRD涵蓋了電力電子、電機、微機、控制工程、控制機械等知識領域。目前SRD還存在轉矩波動大、噪聲大、需要位置檢測器、系統非線性等缺點【55,56】，在理論和應用上仍需進行深入研究，主要有以下方面： SRM仿真