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1、王铁成 主编,特种电机知识,TEZHONG DIANJI ZHISHI,第八章 磁阻电动机,本章应知,1.了解磁阻电机的结构和工作原理。 2.了解磁阻电机电感随转子位移角的变化关系和转矩特性。 3.了解磁阻电机与步进电机和同步磁阻电机的主要差别。 4.了解SR电机角度控制、电流斩波控制和电压斩波控制方法及特点。 5.了解常用的组合控制方式：高速角度控制、低速电流斩波控制、变角度电压斩波控制和定角电压斩波控制。 6.了解SR电机功率变换器常见的主电路形式，如双开关型、双绕组型、电容分压型、H桥型、公共开关型等。 7.了解SR发电机的工作原理，SR发电机发点运行的条件。,本章应会,1.掌握SR电机
2、调速系统中功率变换电路的设计。 2.掌握功率开关器和续流二极管的选用。 3.掌握一台四相8/6极SR电动机调速系统中功率变换电路的设计实例。 4.掌握位置信号的检测器中光敏式位置检测器检测法。 5.掌握速度检测数字式测速方法：M法、T法、全额M/T法。 6.掌握电流检测中的电阻采样和霍尔电流传感器采样法。 7.掌握双通道SR-S/G系统中SR电机的作用和容错工作能力。,第八章 磁阻电动机,第一节 磁阻电机的结构和工作原理,一、结构,图8-1 四相8/6极典型SR电机结构原理(只画出其中一相),表8-1 常见SR电机定、转子极数组合方案,二、工作原理 磁阻电机的转矩是磁阻性质的，现以图8-1为例
3、来说明。,第一节 磁阻电机的结构和工作原理,图8-2 相电感随转子位移角的变化关系,第一节 磁阻电机的结构和工作原理,第二节 磁阻电机驱动系统的特点,1)电机结构简单、坚固，制造工作简单，成本低，转子仅由电工钢片叠压而成，可工作于极高转速；定子线圈为集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。 2)转矩方向与相电流方向无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本，并且功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。 3)调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩速度特性，具有较强的再生制动能力。 由于SR电机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动。,表8
4、-2 SR电机与步进电机的主要差别,表8-3 SR电机与反应式同步磁阻电机的主要差别,第二节 磁阻电机驱动系统的特点,第三节 SR电机的控制方式,一、角度控制 SR电机角度控制即是控制开通角on和关断角off。 1)可改变电机工作状态，使该电流波形的主要部分置于电感波形的上升段，使电机电动运行；反之，使电流波形的主要部分置于电感波形的下降段，则电机制动运行。 2)可改变电机的转矩和转速，电动状态下开通角on提前，则在最小电感区段电流上升时间加长，使电流波形加宽，峰值和有效值增加，改变了与电感波形的相对位置。,3)改变off一般不影响电流峰值，但影响电流波形宽度及其同电感曲线的相对位置，电流有效
5、值也随之变化，因此off同样影响电机的转矩转速，但影响小于on。 同样的分析也可用于制动运行状态。 (1)转矩调节范围大 如果定义电流存在区间t占电流周期T的比例t/T为电流占空比，则角度控制下电流占空比的变化范围几乎从0100%。 (2)电机效率高 通过角度优化控制，使电机在不同负载下均能保持高效率。 (3)通电的相数可变 电机出力较大，转矩脉冲较小。,第三节 SR电机的控制方式,(4)不适用于低速 角度控制方式中，电流峰值主要由旋转电动势限制。 二、电流斩波控制,图8-4 电流斩波控制方式,第三节 SR电机的控制方式,1)适用于低速和制动运行 电机低速运行时，由于绕组中旋转电动势小，故电流
6、增长快。 2)转矩平稳 由于每个电流波形呈较宽的平顶波，故产生的转矩也较平稳。 3)适合用做转矩调节系统 如果选择的斩波周期较小，并忽略相导通以相关断时电流建立和消失过程(转速低时近似如此)，则本方式下绕组电流波形近似为平顶方波波形。,第三节 SR电机的控制方式,4)用作调速系统时，抗负载扰动的动态响应慢 本方式中由于电流峰值被限制，当电机转速在负载扰动作用下发生变化时，电流峰值无法相应自动改变，因此系统在负载扰动下的动态响应较慢。,图8-5 电压斩波控制方式下的电压与电流波形,第三节 SR电机的控制方式,三、电压斩波控制 在onoff通电区间内，使功率开关按PWM(脉宽调制)控制方式工作。
7、四、实用控制方式 磁阻电机控制系统(SRD)可采用多种控制方式，不同的方式对应的电机特性差异很大。 1.高速角度控制和低速电流斩波控制 这种控制方式有利发挥二者的长处，克服二者的短处，能在较宽调速范围内(如140)使电机有较好的特性和性能指标。,第三节 SR电机的控制方式,2.变角度电压斩波控制 这种控制方法的要点是靠电压斩波调节电动机的转速和转矩，并使on和off随转速改变。 3.定角电压斩波控制 其控制方式与变角度电压斩波控制类似，只是on和off不随转速改变。,第三节 SR电机的控制方式,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,1)具有较少数量的主开关器件。 2)可将电源电压全部加给电动机相
8、绕组。 3)主开关器件的电压额定值与电动机接近。 4)具有迅速增加相绕组电流的能力。 5)可以通过主开关器件调制，有效地控制相电流。 6)能将绕组储能回馈给电源。 功率变换器设计的主要问题，一是功率器件的选择及其电流定额的确定，二是功率变换器主电路结构的设计。 一、功率变换器常见的主电路形式,SRD系统的功率变换器电路结构有多种，不同结构电路的主开关器件数量和定额、能量回馈形式以及适用场合均不同，设计时应特别注意。 1.双开关型主电路,图8-6 双开关型功率变换器,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,图8-7 双开关型主电路,2.双绕组型主电路,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,图8-8 双
9、绕组型主电路,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,3.电容分压型主电路,图8-9 电容分压型主电路,1)每相只用一个开关，功率器件少，结构最简单。,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,2)电动机的相数必须是偶数，上下两路负载必须均衡。 3)在实际工作时，由于分压电容不可能很大，中点电位是波动的。 4)需要体积大、成本高的高压大电容。 5)电源电压的利用率低，适用于电源电压较高的场合。,图8-10 H桥型主电路,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,4.H桥型主电路 如图8-10所示，H桥型主电路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，换相的磁能以电能形式一部分回馈电源，另一部分注
10、入导通相绕组，引起中点电位的较大浮动。,图8-11 四相斩波时的续流回路,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,(1)四相斩波模式 在一个导通区间内，对上下桥臂功率开关同时进行斩波控制，这时，上下桥臂开关同时导通或关断。 采用四相斩波控制时，关断相储存的电能回馈给电源，续流电流下降较快，这给换相带来好处，但绕组中的电流不够平滑，会使噪声增大。 (2)两相斩波模式 在一个导通区间内，仅对上桥臂功率开关(或下桥臂功率开关进行斩波操作，而使另一桥臂的功率开关始终处于开通状态。,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,这种斩波方式的特点是续流期间绕组两端电压近似为0，所以电流下降缓慢，续流期间没有能量回馈电
11、源。 5.公共开关型主电路 图8-13所示的电路是三相公共开关型功率变换器的主电路，除每相各有一个主开关外，各相还有一个公共开关VT。,图8-12 两相斩波时的续流回路,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,二、功率开关器件和续流二极管的选用 目前可供选择的功率开关器件主要有晶闸管(SCR)、门极关断(GTO)晶闸管、功率晶体管(CTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和MOS控制晶闸管(MCT)。 (1)电压定额 考虑到主开关和续流二极管开关过程中要能承受一定的瞬时过电压，主开关和续流二极管的电压定额一般取其额定工作电压的23倍。,第四节 开关磁阻电动机的功率变
12、换器,(2)电流定额 主开关器件的电流额定值有两种：一是体现电流脉冲作用的峰值电流定额；二是体现电流连续作用的有效值电流定额。,三、主电路设计实例 下面以一台四相8/6极SR电动机调速系统为例，说明SRD系统功率变换器的设计。 1.系统的主要技术指标 额定功率为30kW；额定转速为1500r/min;转速范围为502000r/min;电源为三相交流380V/50Hz;双向运行，停车制动;起动转矩为15190Nm;过载能力为120%。,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,2.功率变换器主电路 根据电动机的相数和功率，采用电容分压型主电路，在低速时采用CCC控制，在高速时采用APC控制。,图8-1
13、4 功率变换器电路,3.器件的选用,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,整流电路选一只富士公司生产的三相全波整流桥6R1100G-160(1600V/100A)；滤波电容选两只3900F/400V电解电容串联，构成双电源；主开关器件可选用IXYS公司生产的MID300-12和MDI300-12各两只，该元件中包含了IGBT和快恢复二极管，如图8-15所示。 4. IGBT驱动电路,图8-15 IGBT模块结构图,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,图8-16 EXB841工作原理,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,图8-17 EXB841典型应用电路,第四节 开关磁阻电动机的功率变换器,第五
14、节 开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测,一、位置信号的检测 位置检测的目的是确定定子、转子的相对位置，以控制对应的相绕组通断。,图8-18 光电位置检测器电路原理,图8-19 四相8/6极SR电动机位置传感器,第五节 开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测,图8-21 基本位置信号、绕组电感波形和不同控制方式下的通电逻辑,第五节 开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测,二、速度信号的检测,1.M法测速 M法测速是在规定的检测时间TC内，对位置脉冲信号的个数m1进行计数，从而得到转速的测量值。,2.T法测量 T法测速是测出相邻两个转子位置脉冲信号的间隔时间来计算转速的一种测速方法，而时间的测量是借
15、助计数器对已知频率的时钟脉冲计数值即可算出转速。,第五节 开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测,图8-22 M法测速原理,第五节 开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测,图8-23 T法测速原理,第五节 开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测,3.M/T法测速,第五节 开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测,图8-24 M/T测速原理,第五节 开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测,三、电流信号的检测 SRD系统要实现低速电流斩波控制、主开关过电流保护及电动机热保护，就必须对主电路的电流进行实时检测。 1.电阻采样检测 电阻采样电路主要由采样电阻和光隔离器以及一些补偿电路构成。,第五节 开关磁阻电动机
16、传动系统的反馈信号检测,图8-25 SR电动机电阻采样电流检测电路,2.霍尔电流传感器检测,第五节 开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测,霍尔元件具有磁敏特性，即载流霍尔材料在磁场中会产生垂直于电流和磁场的霍尔电动势。,图8-26 磁场平衡式霍尔电流传感器工作原理,第五节 开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测,第五节 开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测,图8-28 四相SR电动机电流检测,第五节 开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测,图8-29 三相SR电动机电流检测,第五节 开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测,第六节 开关磁阻发电机,一、开关磁阻发电机的组成 开关磁阻发电机(简称SRG或SR发电机)系统由SR发电机本体、位置检测器、功率变换器、控制器和电源等部分组成，如图8-30所示。,图8-30 开关磁阻发电机系统的组成框图,图8-31 双开关型功率变换器主电路 a)他励式 b)自励式,第六节 开关磁阻发电机,二、开关磁阻发电机的工作原理 结合图8-31所示的功率变换器电路来阐明SR发电机的工作原理。,图8-32 开关磁
