开关磁阻电动机讲解

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1、 第七章第七章 开关磁阻电动机开关磁阻电动机 7-1 SRM 结构与基本原理 7-2 SRM 的简单分析及控制策略 7-3 SRD 功率变换器基础 7-4 SRD 位置传感器 7-5 SRD 控制器简介 7-6 SRD 研究概况 7-1 SR7-1 SR电机结构与原理电机结构与原理 结构特点：结构特点： 1、双凸极结构 2、定子集中绕 组、绕组为单 方向通电 3、转子无绕组 运行原理：运行原理：磁阻最小原理磁阻最小原理 磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心 在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主 磁场的轴线重合 A-A 通电 1-1 与A-A重合 B-B 通电 2-2 与B-B重

2、合 C-C 通电 3-3 与C-C重合 D-D 通电 1-1 与D-D重合 依次给依次给A-B-C-DA-B-C-D绕组通电，转绕组通电，转 子逆励磁顺序方向连续旋转子逆励磁顺序方向连续旋转 12/8 极三相开关磁阻电动机 结论：结论： 1 1、依次给、依次给A-B-C-AA-B-C-A绕组通电，转子逆励磁顺序绕组通电，转子逆励磁顺序 方向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变方向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变 电机的转向电机的转向 2 2、通电一周期，转过一个转子极距、通电一周期，转过一个转子极距t t r r =360/N=360/N r r 3 3、步距角步距角 b b = =t t

3、 r r /m/m=360/(mN=360/(mN r r ) ) 4 4、转矩方向与电流无关转矩方向与电流无关, ,但转矩存在脉动。但转矩存在脉动。 5 5、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普 通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控 制器一同使用。制器一同使用。 SR电机：实现机电能量转换，可以为单相、两相、三 相、四相，. 功率变换器：向电机提供所需电能，由蓄电池或整流 电源供电。 SR电机的功率变换器不仅简单，且是与相 绕阻串联的，可以防止短路；可以选择具有最少开关 器件的电路，降低成本。 控制器调速系

4、统的中枢 1 根据转子位置信号确定导通相，给出触发信号，控制 功率变换器开关 2 比较给定与反馈信号(I,n)，采取一定的控制方式，调 节转矩、转速 SRSR电机调速系统的构成电机调速系统的构成 电流检测：斩波控制、过流保护 位置检测：确定定、转子相对位置，然后将位置信号反 馈到控制电路，决定对应相绕组的通断。 SRSR电机极数与相数的限制：电机极数与相数的限制： 1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以 双凸极的定子和转子齿槽数Zs 和Zr 应为偶数。 2、ZsZr，但应尽量接近。因为当定子和转 子齿槽数相近时，就可能加大定子相绕组电感 随转角的平均变化率，这是提高电机出力的重 要因素。

5、常用极数关系：Zs=Zr+2 相数关系：m=Zs/2 相数 3 4 5 6 7 8 9 定子极数 6 8 10 12 14 16 18 转子极数 4 6 8 10 12 14 16 步进角(度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR电机常用方案 相数与转矩、性能关系：相数与转矩、性能关系： 相数越多，转矩脉动越小，但成本越高， 故常用三相、四相，还有人在研究两相、单相 SRM 低于三相的低于三相的SRM SRM 没有自起动能力没有自起动能力 SRDSRD特点：特点： 1)电动机结构简单、成本低、适用于高 速, 开关磁阻电动机的结构比通常认 为最简单的鼠笼式感应电动机还要简 单。

6、 2)功率电路简单可靠 因为电动机转矩 方向与绕组电流方向无关，即只需单 方向绕组电流，故功率电路可以做到 每相一个功率开关。 SRDSRD特点：特点： 3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统 从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路 相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁 转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕 组和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场 ，电动机才能正常运转。 4)高起动转矩，低起动电流 控制器从电源 侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起 动转矩是本系统的一大特点。 （SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN） SRDSRD特点：特点： 5)适用于频繁起停及正

7、反向转运行 SRD 系统具有的高起动转矩，低起动电流 的特点，使之在起动过程中电流冲击 小，电动机和控制器发热较连续额定 运行时还小。 6)可控参数多，调速性能好 控制开关 磁阻电动机的主要运行参数和常用方 法至少有四种:相开通角,相关断角, 相电流幅值,相绕组电压。 7)效率高，损耗小 SRD系统是一种 非常高效的调速系统。 8)可通过机和电的统一协调设计满 足各种特殊使用要求 。 9)缺点：转矩脉动、振动、噪声 但 可通过特殊设计克服 SRDSRD特点：特点： 7-2 SRM 的分析及其控制策略 7-2-1 SR7-2-1 SR电机基本方程电机基本方程 不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相S

8、R电 机系统示意图 J转子与负载的转动惯量 D粘性摩擦系数 TL负载转矩 电路方程电路方程 第k相绕组的相电压平衡方程: 电路方程电路方程 所以： 电阻压降 变压器电动势变压器电动势 运动电动势运动电动势 ( (转子位置改变转子位置改变) ) 机械方程：机械方程： 电磁转矩：电磁转矩： 磁共能的表达式为：磁共能的表达式为： Y-i SRSR电机的瞬时电磁转矩电机的瞬时电磁转矩T T e e 可由磁共能可由磁共能W W c c 导出导出 ： SRSR电机的平均电磁转矩电机的平均电磁转矩T Tav av 7-2-2 简化线性模型 线性模型线性模型：不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关 ，此时电感只

9、与转子位置有关 1 0 2 3 0 4 5 SR电机相电感随转子位置变化 stator = 1位置 rotor 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 1 stator =0o位置 rotor 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合 =0o stator =2位置 rotor 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 2 stator = 3位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置 rotor 3 stator =4位置 rotor 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置 4 stator =5位置 rotor 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 5 1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合

10、1(5) 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 2 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 3 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置 4 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置 SR电机绕组电感的分段线性解析式： K=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (Lmax-Lmin)/s 特征：特征：随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感 在在L Lmax max 和 和L Lmin min之间线性地变化 之间线性地变化 。 Lmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感, Lmax 定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感 。 相电流解析分析 第第k k相绕组模型相绕组模型 续流结

11、束角续流结束角 on2 :电感上升，使绕组电流下降 off3 : 在电感达最大之前，绕组 关断，绕组续流。 3z4 (z=2off-on) 在电感下降之前，续流结 束。否则会产生反向转矩 典型电流波形 为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常 借助准线性模型：将实际非线性磁化曲线分段线性 ，且不考虑磁耦合 两段线性处理：两段线性处理：一段为饱和段，视为与=0的位置的磁 化曲线平行,斜率为Lmin；一段为非饱和段，为L(,i)的 不饱和段。 7-2-3 准线性模型分析 实际磁化曲线 分段线性磁化曲线 i1 SR电机控制策略： * *基速以下，电流斩波控制基速以下，电流斩波控制(CCC)(CC

12、C)，输出恒转矩输出恒转矩 可控量为：Us、 on 、off 控制法1：固定on ,off，通过电流斩波限 制电流，得到恒转矩 控制法2：固定on ,off，由速度设定值和 实际值之差调制Us，进而改变转矩 *基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率 SR电机的典型转矩-转速特性 7-3 7-3 功率开关电路功率开关电路 v功率变换器是直流电源和SRM的接口，起着 将电能分配到SRM绕组中的作用，同时接受 控制器的控制。 v由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因此 只需要单极性供电的功率变换器。功率变 换器应能迅速从电源接受电能，又能迅速 向电源回馈能量。 对功率变换器主电路的要求对功率变

13、换器主电路的要求 （1）较少数量的主开关元件； （2）可将全部电源电压加给电动机相绕 组； （3）主开关器件的电压额定值与电动机 接近； （4）具备迅速增加相绕组电流的能力； （5）可通过主开关器件调制，有效地控 制相电流； （6）能将能量回馈给电源。 7-3-1 7-3-1 主电路常见形式主电路常见形式 1、双开关型 每相有两只主开关 和两只续流二极管 。当S和S1同时导 通时，电源Us向电 机相绕组A供电； 当S和S1同时关断 时，电流经VD1和 VD2续流，将磁场 储能以电能形式迅 速回馈电源，实现 强迫换相。 双开关型电路特点： 1）适用于任意相数SR电机 2）相控独立性：独立 3）相

14、电压=电源电压 4）器件数量多 三相三相SRSR电机常采用双开关型主电路电机常采用双开关型主电路 双开关型主电路又称为不对称半双开关型主电路又称为不对称半 桥型主电路桥型主电路 双绕组型电路特点 主开关S1导通时 ，电源对主绕组A 供电；当其关断 时，靠磁耦合将 主绕组A的电流转 移到副绕组，通 过二极管D1续流 ，向电源回馈电 能，实现强迫换 相。 早期使用的双绕组结构，每相有主 、副两个绕组，主、副绕组双线并 绕，同名端反接，其匝数比为1：1 。 2、双绕组型 缺点： 1）由于主、副绕组之 间不可能完全耦合， 在S1关断的瞬间，因 漏磁及漏感作用，其 上会形成较高的尖峰 电压，故S1需要有

15、良 好的吸收回路。 2）由于采用主、副两 个绕组，因而电机槽 及铜线利用率低。铜 耗增加、体积增大。 优点：适用于任何相数的SRM ，尤其适宜于低压压直流电电源 供电电场合 3 3、电容分压型、电容分压型 （电源分裂式）（电源分裂式） 两个相串联的电容C1和C2将电源电压一分为二,构成中 点电位。每相只有一个主开关S和一只续流二极管D。 当S1导通时，上 侧电容C1对A相 绕组放电，电源 对A相供电，经 下侧电容C2构成 回路；当S1关断 时，A相电流经 D1续流，向下侧 电容C2充电。 电容分压型电路的特点电容分压型电路的特点 1）只适用于偶数 相SR电机 2）主开关数较少 3）相控独立性： 不独立 4）电源利用率低 ，每相电压为电源 电压的1/2。 5）需限制中点电 位漂移 4 4、HH桥型桥型 该变换器比四相电 容分压型功率变换 器主电路少了两个 串联的分压电容， 换相相的磁能以电 能形式一部分回馈 电源，另一部分注 入导通相绕组，引 起中点电位的较大 浮动。它要求每一 瞬间必须上、下各 有一相导通。 工作制：工作制：AB-BC-CD-DAAB-BC-CD-DA HH桥型电路的特点桥型电路的特点 1）只适用于4的倍数相SR电机 2）主开关数较少 3）相控独立性：不独立 4）相绕组电压浮动 5 5）本电路特有的优点