微特電機(jī)及系統(tǒng)課件：chap09_雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1、 雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材一、開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor) 1. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)a. 定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)；b. 定子上空間相對(duì)的兩個(gè)極上的線圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相繞組;c. 轉(zhuǎn)子上無繞組;d. 最常見的組合為6/4極，8/6極或12/8極。9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材定子6極，轉(zhuǎn)子4極 定子8極，轉(zhuǎn)子6極定子12 極，轉(zhuǎn)子8極9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成框圖9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材2. 工作原

2、理1 當(dāng)轉(zhuǎn)子齒正對(duì)定子槽時(shí)，繞組電感有最小值；2 當(dāng)轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊時(shí)，繞組電感有最大值；3 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，繞組電感隨之變化。9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行原理是“磁阻最小原則”。在圖示位置，當(dāng)給B相繞組通電，轉(zhuǎn)子將傾向于順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，使磁路磁阻減小，直至轉(zhuǎn)子齒2與定子齒B完全重合。然后，B相斷開，A相通電，轉(zhuǎn)子磁阻轉(zhuǎn)矩將進(jìn)一步使轉(zhuǎn)子向前轉(zhuǎn)動(dòng)至轉(zhuǎn)子齒1與A相重合。轉(zhuǎn)矩方向總是朝著最接近的定轉(zhuǎn)子齒重疊的位置。按B-A-D-C順序通電，轉(zhuǎn)子將按順時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材為電磁轉(zhuǎn)矩，Wf為磁場(chǎng)儲(chǔ)能wr

3、為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材由轉(zhuǎn)矩公式可知：開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小與電流平方成正比，因此轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，故可以采用單極性電流供電；轉(zhuǎn)矩與繞組電感對(duì)轉(zhuǎn)子位置角的變化率成正比。因此，只有當(dāng)繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置角而增大時(shí)，給繞組通電才能產(chǎn)生正向電動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電感隨轉(zhuǎn)子位置角而下降時(shí)，如繞組中仍有電流，則將產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；相繞組關(guān)斷后繞組電流不能突變?yōu)榱?，有一個(gè)延續(xù)過程。為防止繞組電流延續(xù)到負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)，必須在繞組電感開始下降之前提前關(guān)斷繞組。9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材3 基本控制策略A. 低速時(shí)的電流斬波控制（Current

4、 chopping control- CCC)在電感很小時(shí)使繞組開通，電流快速上升。為防止電流過大而損壞電機(jī)，當(dāng)電流達(dá)到最大值 Imax 時(shí)，使繞組關(guān)斷；電流開始衰減，當(dāng)電流衰減咸至Imin 時(shí)，繞組重新開通。在最大電感出現(xiàn)之前必須將繞組關(guān)斷，以免電流延續(xù)到負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)。9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材B. 高速時(shí)的角度位置控制（Angular position control-APC)高速時(shí)，由于反電勢(shì)大，電流受到限制，上升較慢。當(dāng)?shù)竭_(dá)最大值后，因電感的增加，電流反而下降。同樣，為避免電流延續(xù)到負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)，繞組要在電感到達(dá)最大值之前關(guān)斷。速度越高，要關(guān)斷的越早。9.雙凸極

5、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材典型機(jī)械特性9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材4 功率變換電路每相一個(gè)開關(guān)管四相驅(qū)動(dòng)電路（每相二個(gè)開關(guān)管）9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材5 開關(guān)磁阻電機(jī)的非線性特性 以上分析都是在線性條件下進(jìn)行的。實(shí)際電機(jī)磁路為非線性。磁場(chǎng)分布9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材非線性電感非線性轉(zhuǎn)矩9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材6 開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無刷，轉(zhuǎn)子上無繞組和永磁體，可靠性高；采用集中式繞組，繞組端部短，省銅，繞組電阻小，效率高；

6、因轉(zhuǎn)矩與電流方向無關(guān)，可用單極性電流供電，故功率變換器可簡(jiǎn)化，每相可用一個(gè)功率器件，不僅降低了成本，還避免了上、下橋臂直通問題。缺點(diǎn)：由于只有當(dāng)電感變化率為正時(shí)繞組才能導(dǎo)通，一個(gè)周期中只有半個(gè)得到利用，因此系統(tǒng)效率和材料利用率相對(duì)較低；定子繞組既要提供有功電流，又要提供無功電流，增大9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材 了繞組和功率變換器的VA容量；無功（勵(lì)磁）電流在繞組和功率器件中產(chǎn)生損耗，降低了系統(tǒng)效率；由于開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組電感較大，并且繞組關(guān)斷時(shí)電感處于電感最大值位置，關(guān)斷后電流衰減慢，很容易延續(xù)到負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)，因此繞組需要提前關(guān)斷，速度越高，提前量就要越大，使繞組有

7、效導(dǎo)通區(qū)間減速小，削弱了電機(jī)的出力；因定轉(zhuǎn)子為雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量較大，會(huì)引起振動(dòng)和噪聲。9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材二、雙凸極永磁電機(jī)（Doubly salient permanent magnet motor-DSPM motor)1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)；定子齒上裝有集中式繞組；轉(zhuǎn)子上既沒有繞組，也沒有永磁體適合高速運(yùn)行；定子上裝有永磁體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，易于冷卻；由于主磁路中放有兩塊磁導(dǎo)率與空氣相近的永磁體，繞組電感比SR電機(jī)要小很多。8/6極DSPM電機(jī)截面圖9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材6/4-pole DSPM moto

8、r12/8-pole DSPM motor9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材2 工作原理當(dāng)轉(zhuǎn)子齒進(jìn)入定子齒下時(shí)，該定子繞組的磁鏈和電感均隨之增加，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒與定子齒完全重合時(shí)，磁鏈有最大值；當(dāng)轉(zhuǎn)子齒離開定子齒時(shí)，磁鏈隨之減小，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒對(duì)著定子槽時(shí)，磁鏈有最小值。9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材忽略銅耗和鐵耗，則電磁功率為：每相電磁轉(zhuǎn)矩為：Tpm為永磁磁鏈與電樞電流相互作用產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩；Tr為繞組電感變化而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，因電感很小，磁阻轉(zhuǎn)矩分量較小，永磁轉(zhuǎn)矩占主導(dǎo)地位。9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材當(dāng)磁通變化率為正時(shí)

9、，通入正電流，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩；當(dāng)磁通變化率為負(fù)時(shí)，通入負(fù)電流，仍產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩?？梢?，一個(gè)周期內(nèi)兩個(gè)區(qū)間均得到利用，所以，DSPM電機(jī)的功率密度高，材料利率高。DSPM電機(jī)需要雙極性電流供電。6/4極DSPM電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（每相值）9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材3 基本控制策略低速時(shí)的電流斬波控制（Current chopping control-CCC) 9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材高速時(shí)的角度位置控制（Angular position control-APC)在正半周，因永磁磁鏈和電感的變化率均為正，電流上升較慢。在負(fù)半周，因開始時(shí)的反電勢(shì)較大

10、，電流變化較慢，但到負(fù)半周的后部，因反電勢(shì)變小，電感也較小，電流快速增加到很大的數(shù)值，為免電流過大，仍需進(jìn)行斬波限流。9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材4 功率變換電路 為獲得雙極性電流，基本的功率變換電路有兩種：一是每相一個(gè)全橋電路。每相需要四個(gè)功率器件，繞組電壓就等 于直流電源電壓。全橋功率變換器9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材二是帶分裂電容的半橋功率變換器。用兩個(gè)電容將直流電壓一分為二；繞組電壓等于直流電壓的一半；每相需要二個(gè)功率器件。9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材5 轉(zhuǎn)子位置傳感 器8/6極DSPM電機(jī)位置傳感器位置信號(hào)與磁鏈之間的關(guān)系9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材6 控制系統(tǒng)構(gòu)成9.雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材非線性特性PM flux linkageSelf-inductance可見，繞組電感