開關(guān)磁阻電機(jī)

7.2開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(SwitchedReluctanceDrive開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(SwitchedReluctanceDrive,簡稱SRD）是20世紀(jì)80年代圖7-19開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成中期發(fā)展起來的新型交流調(diào)速系統(tǒng)，它由開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM）、功率變換器、位置檢測器及控制器所構(gòu)成，其系統(tǒng)構(gòu)成與永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)幾乎一樣，如圖7-19圖7-19開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成7.2.1開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及其動(dòng)作原理典型的三相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖7-20所示。其定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，圖示電機(jī)的定子有6個(gè)極（N,=6），轉(zhuǎn)子有4個(gè)極（"4）。定子極上套有集中線圈，兩個(gè)空間位置相對(duì)的極上的線圈順向串聯(lián)構(gòu)成一相繞組，'圖7-20a）中只畫出了A相繞組；轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子上無繞組。該電機(jī)則稱三相6/4極開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。在結(jié)構(gòu)形式及圖7-20開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)動(dòng)作原理圖工作原理上，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)與大步距反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)并無差別；但在控制方式上步進(jìn)電機(jī)應(yīng)歸屬于他控式變頻，而開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)則歸屬于自控式變頻；在應(yīng)用上步進(jìn)電機(jī)都用作“控制電機(jī)”而開關(guān)磁阻電機(jī)則是拖動(dòng)用電機(jī)，因此電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)所追求的目標(biāo)不同而使電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)不同圖7-20開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)動(dòng)作原理圖工作原理當(dāng)A相繞組通電時(shí)，因磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，將力圖使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)最終使轉(zhuǎn)子1、3極和定子A、A'極對(duì)齊，A相斷電、B相通電時(shí)，則B相電流產(chǎn)生的磁吸力要吸引轉(zhuǎn)子2、4極，使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，最終使轉(zhuǎn)子2、4極與定子B、B'對(duì)齊，轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過9=30機(jī)械角。再使B相斷電、C相通電，轉(zhuǎn)子又將逆時(shí)針轉(zhuǎn)過30，一個(gè)通電周期使轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過了一個(gè)齒距。電機(jī)若按A-C-B-A的順序通電，則反方向旋轉(zhuǎn)。電流的方向不影響上述的動(dòng)作過程。為保證開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)能連續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)A相吸合時(shí),B相的定、轉(zhuǎn)子極軸線應(yīng)錯(cuò)開1/m個(gè)轉(zhuǎn)子極距，m為電機(jī)相數(shù)，若電機(jī)極對(duì)數(shù)為〃，定子極數(shù)N,=Imp，則轉(zhuǎn)子極數(shù)應(yīng)為Nr=2（m1）/p。根據(jù)這個(gè)規(guī)律，可得到各種不同相數(shù)、不同極數(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)，常用的有：三相6/4極，三相6/8極，四相8/6極，四相8/10極，三相12/8極等。當(dāng)電機(jī)定子每相繞組的通電頻率為f時(shí)，每個(gè)電周期轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)轉(zhuǎn)子極距，每秒鐘轉(zhuǎn)60f

~N~過f個(gè)轉(zhuǎn)子極距，即每秒轉(zhuǎn)過fN60f

~N~（7-5）7.2.2開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的工作原理

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩可以通過其磁場儲(chǔ)能w或磁共能W'對(duì)轉(zhuǎn)子位置角0的偏導(dǎo)數(shù)求得，即i=constni=const60(7-6)在電機(jī)磁路不飽和的情況下，即假定磁路是線性的情況下，有w=w，=2加=2i2L從而靜轉(zhuǎn)矩為T_8w：_1i26LTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"60 260式中，i、w、L分別是通電相繞組的電流、磁鏈及電感。(7-7)(7-8)式（7-8）反映出了磁阻性質(zhì)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原因，當(dāng)電流恒定時(shí)，只有磁導(dǎo)A（L=N2A，N是繞組匝數(shù)）隨位置0變化時(shí)才會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，且該轉(zhuǎn)矩總是力圖使A(7-7)(7-8)6L 6L且可知L>0時(shí)，產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩；r<0時(shí)，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。據(jù)此，即可由開關(guān)磁阻電動(dòng)60 60機(jī)的電感L（或磁導(dǎo)A）隨轉(zhuǎn)子位置角0而變化的曲線L=f（0）得到矩角特性T=f（0），兩條曲線如圖7-21a）、b）所示。圖a）是A相繞組的磁導(dǎo)AA（0）或電感LA（0）曲線，其電感最小位置是定子極軸線對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子槽軸線的位置，并定義此時(shí)刻0=0；其電感最大位置是定子極軸線與轉(zhuǎn)子極軸線對(duì)齊的位置，是圖7-20a）狀態(tài)的位置，此時(shí)刻的0=45機(jī)械角。從電感曲線可看到，電感變化的周期是90機(jī)械角，是一個(gè)電周期，故電角度是機(jī)械角度的N,倍，為免去不同轉(zhuǎn)子極數(shù)電機(jī)分析時(shí)角度不同的麻煩，以下0角均以電角度（或電弧度）表示之。圖b）中，除A相的矩角特性TA外，還同時(shí)用虛線畫上了B、C相的矩角特性。從矩角特性可知，在0兀這電感上升區(qū)域內(nèi)在A相繞組中通入電流（正、負(fù)電流都可以），就可以得到正轉(zhuǎn)矩；在冗口2冗區(qū)域內(nèi)，電感下降，故只要人口相繞組有電流就會(huì)得到制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但在電感的最小值及最大值附近，電感不變或變化不大，所能得到的轉(zhuǎn)矩為零或接近為零。a)0jb)位置檢測器所區(qū)域c)⑥④d)Te)0f)Tg)iiiGiiiA/圖7-21開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的工作原理a）A相磁導(dǎo)曲線b）矩角特性 c）位置檢測區(qū)域區(qū)分的類似于無刷直流電動(dòng)機(jī)自控式變頻的方式，用位置信息來控制各繞組的通斷即可輸出正向的（或反向）的平均轉(zhuǎn)矩。用位置檢測器把02兀分成6個(gè)編碼的區(qū)域①?a)0jb)位置檢測器所區(qū)域c)⑥④d)Te)0f)Tg)iiiGiiiA/圖7-21開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的工作原理a）A相磁導(dǎo)曲線b）矩角特性 c）位置檢測區(qū)域區(qū)分的若改成圖7-20f）所示的區(qū)域通電，對(duì)正向運(yùn)行的電機(jī)，得到制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩波形如圖7-21g）；對(duì)靜止的電機(jī)則得到與參考方向反向的轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)反向起動(dòng)，進(jìn)入反轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行。反轉(zhuǎn)時(shí)，。角是反向運(yùn)動(dòng)的，所以從圖7-21e）可看到實(shí)際的導(dǎo)通順序是A-AC-C-CB-B-BA-Ao7.2.3開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制原理從上面的運(yùn)行原理分析可知，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在采用自控式變頻方式的情況下，只要能按位置的邏輯關(guān)系提供電流，控制電流的大小及其流通的區(qū)域就能控制轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而就能控制轉(zhuǎn)速。對(duì)其它類型的電機(jī)，分析到這一步很快就可以得出完整的控制策略了，但開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)卻不然，其原因是其電流的控制非常困難，這是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制的主要難點(diǎn)。討論控制原理與控制策略時(shí)，將主要圍繞如何控制電流的大小及其流通的區(qū)域的問題來展開。1.電流方程對(duì)m相對(duì)稱的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，討論其中一相的通電情況，列出其電路的電壓平衡方程式為dwu=iR+ 沮dt（7-9）式中，u沮一一電機(jī)繞組兩端的電壓；R——電機(jī)一相繞組的電阻，一般情況下，R很小，在近似的原理分析時(shí)R=0；w——電機(jī)一相繞組的磁鏈。在電壓源型變換電路中，通過開關(guān)元件的通、斷組合，在單電源供電的情況下u最多in只有三種可能：+U 主開關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)d一.一-…u=<0 零電壓續(xù)流時(shí)"-U 主開關(guān)元件關(guān)斷負(fù)電壓續(xù)流時(shí)Id（7-10）設(shè)電機(jī)在勻速旋轉(zhuǎn)，①=d6/dt，并把w=IL代入式（7-9），得TT.八d(iL).八Tdi.dLUn=iR+~d—=iR+L~+1①函-（7-11）上式等號(hào)右邊的第1項(xiàng)是電阻壓降，第2項(xiàng)是自感壓降（變壓器電勢(shì)），第3項(xiàng)是與轉(zhuǎn)速①有關(guān)的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)。當(dāng)把電壓條件代入后，該方程是一個(gè)有關(guān)電流的方程，該電流方程表明繞組電流在導(dǎo)通期間的變化規(guī)律非常復(fù)雜，主要的影響因素是其旋轉(zhuǎn)電勢(shì)。下面分析在主元件導(dǎo)通，繞組正向通電，u.〃=〃』時(shí)的情況。低速時(shí)，①很小，旋轉(zhuǎn)電勢(shì)很小，電壓U幾乎全降落在式（7-11）右邊的第2項(xiàng)上，使電流上升很快。又由于是低d速，每個(gè)位置區(qū)域所占的時(shí)間很長。電流若無其它控制措施必然會(huì)過流。這就需要在低速時(shí)采用斬波控制的方式。高速時(shí)，①很大，但旋轉(zhuǎn)電勢(shì)還與dL/湘有關(guān)，況/66有可能很大（電感上升區(qū)），也可能是負(fù)值的很大（電壓下降區(qū)），也可能為零（電感最大值或最小值附近：。因此，旋轉(zhuǎn)電勢(shì)與U的合成值［U-ito（6L/66）］使電流的變化趨勢(shì)是：電流既可能上升，也可能下降，dd也有可能是水平保持。若電流導(dǎo)通區(qū)域是如圖7-21d）所示的180°區(qū)域來導(dǎo)通，則6L/66在該區(qū)域都較大的正值，合成值［U-ito（6L/66）］不大，且因?yàn)楦咚伲?80°區(qū)域所占的時(shí)間d并不長，這兩個(gè)原因使電流在整個(gè)180°區(qū)域之中都無法升到所需要的電流值。為了要得到所需的電流值，就必須把導(dǎo)通時(shí)刻前移，使導(dǎo)通時(shí)的6L/66小于零，合成值

[U/（況/洸）]就將大大增大，使電流在前移的那一段區(qū)域內(nèi)就能升到所需要的電流值。這樣一來，就引入了一個(gè)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)特有的“開通角1〃、關(guān)斷角0也.”的概念。高速時(shí)，必須把開通角0on前移，以得到所需的電流值。這就需要在高速時(shí)采用移角度控制的方式。2.磁鏈方程式（7-9）在R-0的條件下，把dt=d0/①代入，整理后可得磁鏈方程為[*o+w0+ 正向?qū)〞r(shí)，W線性增長W=j匕d0=W 零電壓續(xù)流時(shí)，w保持不變 （7-12）* 00w-皆 零電壓續(xù)流時(shí)，w線性減小I0- *以高速運(yùn)行時(shí)為例分析。高速時(shí)，導(dǎo)通期間不斬波，主元件連續(xù)導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)的七為

磁鏈線性增長；續(xù)流時(shí)的um為以高速運(yùn)行時(shí)為例分析。高速時(shí)，導(dǎo)通期間不斬波，主元件連續(xù)導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)的七為

磁鏈線性增長；續(xù)流時(shí)的um為-Ud，磁鏈線性減小。w在0坐標(biāo)上的波形是一等腰U，d加負(fù)電壓導(dǎo)通區(qū)加正電壓三角形，導(dǎo)通區(qū)域與續(xù)流區(qū)域一樣長，波形如圖7-22所示。當(dāng)180導(dǎo)通時(shí)，關(guān)斷后電流衰減到零的區(qū)間也要180,很明顯，這時(shí)的轉(zhuǎn)矩將有很大一段時(shí)間是負(fù)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩下降，損耗增加。為此，必須把關(guān)斷角0也.從電感最大位置處前移，以免電流產(chǎn)生太大的負(fù)轉(zhuǎn)矩。同時(shí)也可知，繞組的連續(xù)導(dǎo)通區(qū)域不能大于180，否則繞組中的電流將連續(xù)，從運(yùn)行原理分析上可知這是極不利的。加負(fù)電壓導(dǎo)通區(qū)加正電壓3.電流控制方式3.電流控制方式從上面分析可知，為了控制電流的大小與流通區(qū)域，在稍高轉(zhuǎn)速時(shí)為避免電流進(jìn)零電壓續(xù)流將優(yōu)于負(fù)電壓續(xù)a的波形如圖9-23a）所示，圖中斬波續(xù)流采用零開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)及低速時(shí)，必須采用電流斬波控制（ChoppedCurrentControl，簡稱CCC），使電流控制在“給定電流水平I在稍高轉(zhuǎn)速時(shí)為避免電流進(jìn)零電壓續(xù)流將優(yōu)于負(fù)電壓續(xù)a的波形如圖9-23a）所示，圖中斬波續(xù)流采用零入制動(dòng)區(qū)可根據(jù)位置碼分區(qū)的多少而適當(dāng)提前。在斬波續(xù)流時(shí)流。其A相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)u、電流七、電壓u電壓續(xù)流，關(guān)斷后的續(xù)流采用負(fù)電壓續(xù)流。

在電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，只能通過改變開通角1〃及關(guān)斷角。也.來達(dá)到所需的較大電流。這種控制方式稱之為角度位置控制（AngularPositionControl，簡稱APC），其A相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)u、電流七、電壓ua的波形如圖7-23b）所示。但應(yīng)注意，高速輕載運(yùn)行時(shí)，若采用角度控制［將會(huì)使導(dǎo)通的區(qū)域很窄，以至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很大，故高速輕載時(shí)仍應(yīng)結(jié)合CCC控制以期達(dá)到所期望的電流值?？梢钥吹?，電流給定水平、、開通角。?！?、關(guān)斷角七，是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為控制電流大小及導(dǎo)通區(qū)域的三個(gè)主要控制量，與其它電機(jī)相比，其控制變量多，但又不能用一個(gè)控制變量來完成全部的控制任務(wù)，在不同的條件下只能采用所需的控制變量，隨著轉(zhuǎn)速或負(fù)載的變化需要對(duì)控制模式進(jìn)行切換，這是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制的重大缺點(diǎn)。為克服這一缺點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)有把這兩種控制模式融合在一起的幾個(gè)變量同時(shí)變化的多變量同時(shí)控制的方案。限于篇幅不再詳細(xì)介紹。4.功率平衡方程把1相繞組的磁場儲(chǔ)能對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得把式（7-11）兩邊乘以i，并上式及（9-8）的關(guān)系代入，整理后可得功率平衡方程式為uini=i2R+d(^Li2)+1i2①生=i2R+d(iLi2)+T⑶

dt2 2 69 dtuin(7-13)即:'電源輸出或］f電阻消\'電源輸出或］f電阻消\f電感磁場），f輸出或回饋.吸收的功率/電阻R、電感L是恒定的正值；電流i在繞組中是恒定正值（負(fù)值經(jīng)平方后也一樣）；電源電壓有正、有負(fù)，但其負(fù)號(hào)已經(jīng)考慮在"in的符號(hào)中了，這時(shí)電源端的電流i也是恒正值；與〃、6L/60、T、o、d（十Li2）/dt則都有正、負(fù)、零的可能，其組合情況很多，分析幾種典型工況，余下工況由讀者自行分析。（儲(chǔ)能變化）（的機(jī)械功率）式(7-13)中正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在電感上升區(qū)域施加正向電壓。 U訊=U廣6L/60>0，o>0，一1.6L-T=-12-->0，即式（7-13）中的所有項(xiàng)都大于零。說明這時(shí)電源輸出的電能除消耗在電阻260上之外，一部分用于磁場儲(chǔ)能的增加，另一部分用于機(jī)械能的輸出。正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在電感上升區(qū)域零電壓續(xù)流。Uin=0，o>0，6L/60>0，T>0。由式（7-12）磁鏈方程可知，零電壓續(xù)流時(shí)磁鏈保持不變，即（Li）是常數(shù)，而L在變大，貝肛?在下降，（鄉(xiāng)Li2）也在下降。由此可知，此時(shí)是電感磁場儲(chǔ)能在減小，減小的能量用于電阻耗能及機(jī)械能輸出。正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在電感不變區(qū)域負(fù)電壓續(xù)流。Un=-Ud，電源將吸收功率；6L/60=0，T=0,無機(jī)械功率變化；磁鏈下降，電感不變，電流將下降。磁場儲(chǔ)能以i2的速率下降，釋放的能量送回電源。上述的三種工況正是低速斬波控制中的三種工況。7.2.4開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的主電路及系統(tǒng)原理圖1.主電路

VT導(dǎo)通時(shí)，A相通電繞組電壓為1開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)主電路的形式開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的主電路有多種形式，具有代表性的3種電路結(jié)構(gòu)如圖7-24所示，圖中只畫出了其中的一相電路。圖a）是不對(duì)稱半橋電路，呵、VT?導(dǎo)通時(shí)，繞組所加電壓為正Ud，關(guān)斷其中一只主元件零電壓續(xù)流時(shí)，繞組所加電壓為零;呵、VT?同時(shí)關(guān)斷，繞組電流通過V。］、VD^續(xù)流時(shí)，繞組電壓為負(fù)U/它可以方便地實(shí)現(xiàn)前面分析中所提的各種控制方案，是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)最具典型也是用得最多的主電路形式。圖VT導(dǎo)通時(shí)，A相通電繞組電壓為1開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)主電路的形式磁場儲(chǔ)能由其耦合線圈使V。磁場儲(chǔ)能由其耦合線圈使V。］導(dǎo)通而續(xù)流，相當(dāng)于繞組電壓為-Ud。

已極少采用。圖6是雙電源單繞組，雙電源一般靠電解電容分裂電源得圖7-25系統(tǒng)原理框圖+氣,VT］關(guān)斷后這種方案缺點(diǎn)很多到，VT^導(dǎo)通時(shí)，A相繞組電壓為+UJ2，能量由上電源提供；VT］關(guān)斷后，VD］續(xù)流，A相繞組電壓為-UJ2，能量回饋回下電源。為使上下電源工作對(duì)稱，電機(jī)應(yīng)采用偶數(shù)相，這種方