開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)

第七章開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)7-1SRM結(jié)構(gòu)與基本原理7-2SRM的簡(jiǎn)單分析及控制策略7-3SRD功率變換器基礎(chǔ)7-4SRD位置傳感器7-5SRD控制器簡(jiǎn)介7-6SRD研究概況

7-1SR電機(jī)結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1、雙凸極結(jié)構(gòu)2、定子集中繞組、繞組為單方向通電3、轉(zhuǎn)子無繞組運(yùn)行原理：磁阻最小原理磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必定使自己的軸線與主磁場(chǎng)的軸線重合A-A’通電?1-1‘與A-A’重合B-B’通電?2-2‘與B-B’重合C-C’通電?3-3‘與C-C’重合D-D’通電?1-1‘與D-D’重合依次給A-B-C-D繞組通電，轉(zhuǎn)子逆勵(lì)磁順序方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)12/8極三相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)論：1、依次給A-B-C-A繞組通電，轉(zhuǎn)子逆勵(lì)磁順序方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。改變繞組導(dǎo)通順序，就可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向2、通電一周期，轉(zhuǎn)過一個(gè)轉(zhuǎn)子極距tr=360/Nr3、步距角qb=tr/m=360/(mNr)4、轉(zhuǎn)矩方向與電流無關(guān),但轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)。5、需要根據(jù)定、轉(zhuǎn)子相對(duì)位置投勵(lì)。不能像普通異步電機(jī)一樣直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，需要與控制器一同使用。SR電機(jī)：實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，可以為單相、兩相、三相、四相，…….功率變換器：向電機(jī)提供所需電能，由蓄電池或整流電源供電。SR電機(jī)的功率變換器不僅簡(jiǎn)單，且是與相繞阻串聯(lián)的，可以防止短路；可以選擇具有最少開關(guān)器件的電路，降低成本。控制器——調(diào)速系統(tǒng)的中樞1根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)確定導(dǎo)通相，給出觸發(fā)信號(hào)，控制功率變換器開關(guān)2比較給定與反饋信號(hào)(I,n)，采取一定的控制方式，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速SR電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成電流檢測(cè)：斬波控制、過流保護(hù)位置檢測(cè)：確定定、轉(zhuǎn)子相對(duì)位置，然后將位置信號(hào)反饋到控制電路，決定對(duì)應(yīng)相繞組的通斷。SR電機(jī)極數(shù)與相數(shù)的限制：1、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對(duì)稱，所以雙凸極的定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)Zs和Zr應(yīng)為偶數(shù)。2、Zs≠Zr，但應(yīng)盡量接近。因?yàn)楫?dāng)定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)相近時(shí)，就可能加大定子相繞組電感隨轉(zhuǎn)角的平均變化率，這是提高電機(jī)出力的重要因素。常用極數(shù)關(guān)系：Zs=Zr+2相數(shù)關(guān)系：m=Zs/2相數(shù)3456789定子極數(shù)681012141618轉(zhuǎn)子極數(shù)46810121416步進(jìn)角(度)3015964.283.212.5SR電機(jī)常用方案相數(shù)與轉(zhuǎn)矩、性能關(guān)系：相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小，但成本越高，故常用三相、四相，還有人在研究兩相、單相SRM低于三相的SRM沒有自起動(dòng)能力SRD特點(diǎn)：1)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適用于高速,開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)比通常認(rèn)為最簡(jiǎn)單的鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)還要簡(jiǎn)單。2)功率電路簡(jiǎn)單可靠因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流方向無關(guān)，即只需單方向繞組電流，故功率電路可以做到每相一個(gè)功率開關(guān)。SRD特點(diǎn)：3)各相獨(dú)立工作，可構(gòu)成極高可靠性系統(tǒng)

從電動(dòng)機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)上看，各相繞組和磁路相互獨(dú)立，各自在一定軸角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。而不像在一般電動(dòng)機(jī)中必須在各相繞組和磁路共同作用下產(chǎn)生一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。4)高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，低起動(dòng)電流

控制器從電源側(cè)吸收較少的電流，在電機(jī)側(cè)得到較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是本系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。

（SR:0.4IN,1.4TNIM:6-7IN,2-3TN）SRD特點(diǎn)：5)適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)運(yùn)行SRD系統(tǒng)具有的高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，低起動(dòng)電流的特點(diǎn)，使之在起動(dòng)過程中電流沖擊小，電動(dòng)機(jī)和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定運(yùn)行時(shí)還小。6)可控參數(shù)多，調(diào)速性能好控制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)和常用方法至少有四種:相開通角,相關(guān)斷角,相電流幅值,相繞組電壓。7)效率高，損耗小SRD系統(tǒng)是一種非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。8)可通過機(jī)和電的統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)滿足各種特殊使用要求。9)缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)、噪聲但可通過特殊設(shè)計(jì)克服SRD特點(diǎn)：

7-2SRM的分析及其控制策略

7-2-1SR電機(jī)基本方程不計(jì)磁滯、渦流及繞組間互感時(shí)，m相SR電機(jī)系統(tǒng)示意圖J—轉(zhuǎn)子與負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量D—粘性摩擦系數(shù)TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩電路方程第k相繞組的相電壓平衡方程:電路方程所以：電阻壓降變壓器電動(dòng)勢(shì)運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)(轉(zhuǎn)子位置改變)機(jī)械方程：電磁轉(zhuǎn)矩：磁共能的表達(dá)式為：Y-iSR電機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te可由磁共能Wc導(dǎo)出：SR電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩Tav7-2-2簡(jiǎn)化線性模型線性模型：不計(jì)磁路飽和，假定繞組電感與電流無關(guān)，此時(shí)電感只與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)1023045

SR電機(jī)相電感隨轉(zhuǎn)子位置變化stator=1位置rotor轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置1stator=0o位置rotor定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合=0ostator=2位置rotor轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置2stator=3位置轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置rotor3stator=4位置rotor轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置4stator=5位置rotor轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置51023045

=0定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合1(5)轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置2轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置3轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置4轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置SR電機(jī)繞組電感的分段線性解析式：K=(Lmax-Lmin)/(3-2)=(Lmax-Lmin)/s特征：隨定、轉(zhuǎn)子磁極重疊的增加和減少，相電感在Lmax和Lmin之間線性地變化。Lmin為定子磁極軸線對(duì)轉(zhuǎn)子凹槽中心時(shí)的電感,Lmax定子磁極軸線對(duì)轉(zhuǎn)子磁極軸線的電感。相電流解析分析第k相繞組模型續(xù)流結(jié)束角on<2:在電感上升前開通，迅速建立電流，以獲得足夠轉(zhuǎn)矩>2:電感上升，使繞組電流下降off<3:在電感達(dá)最大之前，繞組關(guān)斷，繞組續(xù)流。3<z<4(θz=2θoff-θon)在電感下降之前，續(xù)流結(jié)束。否則會(huì)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩典型電流波形為避免繁瑣計(jì)算，又近似考慮磁路的飽和效應(yīng)，常借助準(zhǔn)線性模型：將實(shí)際非線性磁化曲線分段線性，且不考慮磁耦合兩段線性處理：一段為飽和段，視為與=0的位置的磁化曲線平行,斜率為Lmin；一段為非飽和段，為L(,i)的不飽和段。7-2-3準(zhǔn)線性模型分析實(shí)際磁化曲線分段線性磁化曲線i1SR電機(jī)控制策略：*基速以下，電流斬波控制(CCC)，輸出恒轉(zhuǎn)矩可控量為：Us、on、off控制法1：固定on,off，通過電流斬波限制電流，得到恒轉(zhuǎn)矩控制法2：固定on,off，由速度設(shè)定值和實(shí)際值之差調(diào)制Us，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)矩*基速以上，角度位置控制(APC)，輸出恒功率SR電機(jī)的典型轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性7-3功率開關(guān)電路功率變換器是直流電源和SRM的接口，起著將電能分配到SRM繞組中的作用，同時(shí)接受控制器的控制。

由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因此只需要單極性供電的功率變換器。功率變換器應(yīng)能迅速從電源接受電能，又能迅速向電源回饋能量。對(duì)功率變換器主電路的要求

（1）較少數(shù)量的主開關(guān)元件；（2）可將全部電源電壓加給電動(dòng)機(jī)相繞組；（3）主開關(guān)器件的電壓額定值與電動(dòng)機(jī)接近；（4）具備迅速增加相繞組電流的能力；（5）可通過主開關(guān)器件調(diào)制，有效地控制相電流；（6）能將能量回饋給電源。7-3-1主電路常見形式1、雙開關(guān)型每相有兩只主開關(guān)和兩只續(xù)流二極管。當(dāng)S和S1同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源Us向電機(jī)相繞組A供電；當(dāng)S和S1同時(shí)關(guān)斷時(shí)，電流經(jīng)VD1和VD2續(xù)流，將磁場(chǎng)儲(chǔ)能以電能形式迅速回饋電源，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相。雙開關(guān)型電路特點(diǎn)：1）適用于任意相數(shù)SR電機(jī)2）相控獨(dú)立性：獨(dú)立3）相電壓=電源電壓4）器件數(shù)量多

三相SR電機(jī)常采用雙開關(guān)型主電路雙開關(guān)型主電路又稱為不對(duì)稱半橋型主電路雙繞組型電路特點(diǎn)主開關(guān)S1導(dǎo)通時(shí)，電源對(duì)主繞組A供電；當(dāng)其關(guān)斷時(shí)，靠磁耦合將主繞組A的電流轉(zhuǎn)移到副繞組，通過二極管D1續(xù)流，向電源回饋電能，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相。早期使用的雙繞組結(jié)構(gòu)，每相有主、副兩個(gè)繞組，主、副繞組雙線并繞，同名端反接，其匝數(shù)比為1：1。2、雙繞組型

缺點(diǎn)：1）由于主、副繞組之間不可能完全耦合，在S1關(guān)斷的瞬間，因漏磁及漏感作用，其上會(huì)形成較高的尖峰電壓，故S1需要有良好的吸收回路。2）由于采用主、副兩個(gè)繞組，因而電機(jī)槽及銅線利用率低。銅耗增加、體積增大。優(yōu)點(diǎn)：適用于任何相數(shù)的SRM，尤其適宜于低壓直流電源供電場(chǎng)合3、電容分壓型（電源分裂式）兩個(gè)相串聯(lián)的電容C1和C2將電源電壓一分為二,構(gòu)成中點(diǎn)電位。每相只有一個(gè)主開關(guān)S和一只續(xù)流二極管D。

當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，上側(cè)電容C1對(duì)A相繞組放電，電源對(duì)A相供電，經(jīng)下側(cè)電容C2構(gòu)成回路；當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，A相電流經(jīng)D1續(xù)流，向下側(cè)電容C2充電。

電容分壓型電路的特點(diǎn)1）只適用于偶數(shù)相SR電機(jī)2）主開關(guān)數(shù)較少3）相控獨(dú)立性：不獨(dú)立4）電源利用率低，每相電壓為電源電壓的1/2。5）需限制中點(diǎn)電位漂移4、H橋型

該變換器比四相電容分壓型功率變換器主電路少了兩個(gè)串聯(lián)的分壓電容，換相相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導(dǎo)通相繞組，引起中點(diǎn)電位的較大浮動(dòng)。它要求每一瞬間必須上、下各有一相導(dǎo)通。工作制：AB-BC-CD-DAH橋型電路的特點(diǎn)1）只適用于4的倍數(shù)相SR電機(jī)2）主開關(guān)數(shù)較少3）相控獨(dú)立性：不獨(dú)立4）相繞組電壓浮動(dòng)5）本電路特有的優(yōu)點(diǎn):可以實(shí)現(xiàn)零壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制性能。H橋型電路為4相SR電機(jī)最常用的主電路形式7-3-24相SR電機(jī)主電路工作方式4相8/6極SR電機(jī)主電路7-4位置檢測(cè)與換相邏輯7-4-14相8/6極SR電機(jī)光電傳感器靜止部分運(yùn)動(dòng)部分紅外發(fā)光二極管、光敏三極管、輔助電路與SRM轉(zhuǎn)子同軸安裝的遮光盤、遮光盤有6個(gè)30o間隔的齒位置檢測(cè)4相SR電機(jī)位置傳感器安裝示意圖定子上安裝兩個(gè)相距75o的光敏器件S、P,分別與定子極中心線成37.5o夾角?？奢敵鰞陕废嗖?5o、占空比為50%的方波信號(hào)將其組合為4種不同狀態(tài)，代表定子繞組4種不同參考位置位置信號(hào)檢測(cè)電路原理圖VG為光耦，R1、R2限流電阻，兩個(gè)非門對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行整形，以消除毛刺和上升沿、下降沿。光電耦合器件位置1：0o導(dǎo)通相分析：令轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)為A、B兩相導(dǎo)通位置傳感器信號(hào)：S未遮，輸出高電平，持續(xù)15o。P被遮，輸出低電平，持續(xù)30o。位置2：轉(zhuǎn)過15o導(dǎo)通相分析：令轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)為B、C兩相導(dǎo)通位置傳感器信號(hào)：S被遮，輸出低電平，持續(xù)30o。P被遮，輸出低電平，持續(xù)15o。位置3：轉(zhuǎn)過30o導(dǎo)通相分析：令轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)為C、D兩相導(dǎo)通位置傳感器信號(hào)：S被遮，輸出低電平，持續(xù)15o。P未遮，輸出高電平，持續(xù)30o。位置4：轉(zhuǎn)過45o導(dǎo)通相分析：令轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)為D、A兩相導(dǎo)通位置傳感器信號(hào)：S未遮，輸出高電平，持續(xù)30o。P未遮，輸出高電平，持續(xù)15o。位置5：轉(zhuǎn)過60o導(dǎo)通相分析：令轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)為A、B兩相導(dǎo)通位置傳感器信號(hào)：S未遮，輸出高電平，持續(xù)15o。P被遮，輸出低電平，持續(xù)30o。定、轉(zhuǎn)子相對(duì)位置同位置1，60o一周期。正轉(zhuǎn)邏輯關(guān)系逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)SP導(dǎo)通相10AB00BC01CD11DA10AB反轉(zhuǎn)邏輯關(guān)系SP導(dǎo)通相00AD10DC11CB01BA00AD7-4-23相12/8極SR電機(jī)3相12/8極SR電機(jī)位置傳感器示意圖三個(gè)光耦，依次相隔15o安裝產(chǎn)生占空比為50%、依次相差15的三個(gè)信號(hào)合成六個(gè)不同狀態(tài)，代表電動(dòng)機(jī)繞組不同參考位置光耦輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系7-5SRD控制器簡(jiǎn)介7-5-1SRD系統(tǒng)組成SRD系統(tǒng)組成部分:SR電機(jī)、功率電路、控制電路、檢測(cè)電路在工程上控制器指功率電路+控制電路+檢測(cè)電路7-5-2功率電路SR電機(jī)可由蓄電池或整流電源供電，一般SR電機(jī)的功率電路包括：整流電路+逆變電路電源選擇：一般1.5kW及以下采用單相電源供電，2.2kW以上為三相電源整流電路：?jiǎn)蜗鄻蚴?、三相半波、三相橋式整流電路的直流?cè)：加電解電容（低通濾波）和高頻無感電容濾波。1）整流電路2）常見逆變電路類型三相SR:不對(duì)稱半橋型（雙開關(guān)型）四相SR:H橋型功率開關(guān)器件：IGBT（中小容量）3）功率開關(guān)器件及其驅(qū)動(dòng)常見驅(qū)動(dòng)電路：Exb840/841、Exb850/851、TLP2507-5-3控制電路至功率電路輸入接口1輸入接口2輸出接