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文檔簡(jiǎn)介
1、-. z.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的根本學(xué)習(xí)容開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的根本原理以及構(gòu)造開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Motor,簡(jiǎn)稱(chēng)SRM) 定轉(zhuǎn)子為雙凸極構(gòu)造,鐵心均由普通硅鋼片疊壓而成,其定子極上有集中繞組,徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一相,轉(zhuǎn)子非永磁體,其上也無(wú)繞組1,3。SRM的定轉(zhuǎn)子極數(shù)必須滿(mǎn)足如下約束關(guān)系: (1-1) 其中,Ns,Nr分別為電機(jī)定、轉(zhuǎn)子數(shù);m為電機(jī)相數(shù)值減1;k為一常數(shù)。以下列圖1-1所示一個(gè)典型四相8/6極SRM為例,相數(shù)為4,因而m=3,取k=1,則Ns=6,Nr=8。m及k值越高,越利于高控制性能控制,但相應(yīng)本錢(qián)越高,構(gòu)造越復(fù)雜。目前技術(shù)較為成熟,開(kāi)展較為
2、迅速的產(chǎn)品多為三、四相SRM2。圖1-1即為一典型四相8/6構(gòu)造的SRM電機(jī)本體及其不對(duì)稱(chēng)功率變換器主電路的示意圖圖1-1在末尾手畫(huà)。為表述清晰,圖中僅畫(huà)出不對(duì)稱(chēng)半橋電路的一相,其他各相均與該相一樣,并省略了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)電路。完整的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)Switched Reluctance Motor Drive,簡(jiǎn)稱(chēng)SRD則由SRM、功率變換器、控制器、位置檢測(cè)器等四大局部組成,如下列圖1-2示。SRM可以認(rèn)為是同步電機(jī)的一個(gè)分支,它運(yùn)行時(shí)遵循磁阻最小原理,同步進(jìn)電機(jī)較為類(lèi)似2,30。其具體運(yùn)行原理如下:首先要保證勵(lì)磁相的定子凸極和最近的轉(zhuǎn)子凹極中心線(xiàn)不重合,也即初始位移不能位于磁阻最小
3、位置。通以交流電后,經(jīng)過(guò)一個(gè)整流橋變?yōu)橹绷麟娫?,?dāng)開(kāi)關(guān)S1和S2開(kāi)通時(shí),AA相通電勵(lì)磁,產(chǎn)生一個(gè)磁拉力。在該電磁力的軸向分量作用下,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,凸極轉(zhuǎn)子鐵心趨向于旋轉(zhuǎn)到定轉(zhuǎn)子極軸線(xiàn)B-B與A-A重合的位置;而電磁力的徑向力分量則造成定子的變形,這也是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電機(jī)噪聲的根本原因之一。在該過(guò)程中電機(jī)吸收電能。關(guān)斷S1和S2,開(kāi)通BB相,此時(shí)AA相經(jīng)續(xù)流二極管VD1、VD2將電能回饋給電源,同時(shí)BB相趨向運(yùn)行到定轉(zhuǎn)子極軸線(xiàn)C-C與B-B重合的位置。以此類(lèi)推,順次給ABCD相循環(huán)勵(lì)磁,在慣性和軸向力的作用下,轉(zhuǎn)子將一直逆著勵(lì)磁順序旋轉(zhuǎn),從而完成自同步運(yùn)行。同理假設(shè)改變勵(lì)磁順序?yàn)镃BAD,則轉(zhuǎn)子
4、沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。由此可以看出, SRM與直流電機(jī)不同,其運(yùn)行方向與相電流方向無(wú)關(guān),而僅與相繞組通電順序有關(guān)。圖1-2開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成初次以外,我還搜集了幾種不同構(gòu)造的SR電機(jī),分別有渦輪轉(zhuǎn)子兩相SR電機(jī),可控飽和兩相SR電機(jī)、常規(guī)構(gòu)造三相6/4級(jí)SR電機(jī)、三相6/8SR電機(jī)、三相12/10級(jí)SR電機(jī)、三相6/2級(jí)SR電機(jī)、三相12/8級(jí)SR電機(jī)、三相24/32極外轉(zhuǎn)子SR電機(jī)、五項(xiàng)10/8級(jí)短磁SR電機(jī)、七相14/12極短磁路SR電機(jī),具體配圖見(jiàn)報(bào)告末尾備注。二 SRD的物理方程與控制分析SRM的雙凸極構(gòu)造及整個(gè)磁路的脈振性、高飽和、渦流、磁滯等非線(xiàn)性因素的存在,加上運(yùn)行時(shí)的開(kāi)關(guān)性,
5、使得的SRM準(zhǔn)確分析極為困難【41,44】。在此問(wèn)題上,適度的簡(jiǎn)化模型顯示了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。首先,基于簡(jiǎn)化模型的假設(shè)如下【28,102】:主開(kāi)關(guān)電源的直流電壓(Us)不變;忽略鐵耗及相間互感;忽略功率開(kāi)關(guān)自身的功耗,視為理想開(kāi)關(guān)器件;認(rèn)為電機(jī)各相參數(shù)完全對(duì)稱(chēng);磁場(chǎng)不飽和。在此根底上,我們可以得到SRM運(yùn)行的本質(zhì)電磁和力學(xué)關(guān)系,寫(xiě)出其嚴(yán)密的物理方程1,2,3,7。1.電路方程 (1-2)式中,Uk:第k相繞組端電壓;Rk、ik、k:第k相繞組的電阻、電流和磁鏈。2.磁鏈方程相繞組磁鏈可用相電感和相電流表示,即: (1-3)式中,:轉(zhuǎn)子位置角。3.機(jī)械方程 (1-4)其中: (1-5) (1-6)式中
6、,:角速度;Te:電磁轉(zhuǎn)矩;:負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;D:摩擦系數(shù)。4.機(jī)電聯(lián)系方程單相單獨(dú)工作時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為:(1-7)且 : (1-8)式中,:相繞組磁共能。由電路方程,可求得簡(jiǎn)化模型下的相電流解析式為:(1-9)其中,f()為電機(jī)本體參數(shù)、開(kāi)通圍及轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。因此,可得到m相電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩為:(1-10)5. 機(jī)械特性方程如果開(kāi)通區(qū)間和給定電壓固定,則式(1-10)中積分局部為定值,由此得到SRM固有機(jī)械特性為:(1-11)式中,k為比例系數(shù)。將式1-11變形可得: (1-12)由此可明顯看出,SRM可調(diào)速參數(shù)較多,分別為:相繞組電壓Us、開(kāi)通角和關(guān)斷角。根據(jù)調(diào)節(jié)參數(shù)的
7、不同,可將SRD常見(jiàn)調(diào)速方式分為三種1,53,58,59斬波控制方式(Current Chopping Control,簡(jiǎn)稱(chēng)CCC);角度位置控制方式(Angular Position Control,簡(jiǎn)稱(chēng)APC);和電壓控制(VoltageControl,簡(jiǎn)稱(chēng)VC),其中VC常采用電壓PWMPulseWidth Modulation,簡(jiǎn)稱(chēng)PWM方式,如圖1-3所示。三種調(diào)速方式中,CCC常用于基速以下的恒轉(zhuǎn)矩區(qū),通過(guò)電流斬波限來(lái)限制其啟動(dòng)電流。APC則適用于基速以上的恒功率區(qū),因旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較大,開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間較短,電流較小,可通過(guò)APC方式增大來(lái)補(bǔ)償電磁轉(zhuǎn)矩。電壓PWM方式通過(guò)調(diào)節(jié)繞組電
8、壓平均值,間接調(diào)節(jié)并限制繞組電流,適用于整個(gè)調(diào)速?lài)?。下列圖 1-4 a)- c)分別為各調(diào)速方式的控制框圖。圖1-3 SRD常見(jiàn)調(diào)速方式應(yīng)用為使SRD工作于最正確狀態(tài),需結(jié)合不同的調(diào)速方式選擇適宜的控制策略。目前較常用的有傳統(tǒng)PI控制17、模糊控制【4,30】、滑??刂啤?3】及其組合控制【34,35】等。由于其電機(jī)的強(qiáng)耦合和非線(xiàn)性等特性,傳統(tǒng)控制無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)高性能的要求,智能控制正逐步應(yīng)用于SR電機(jī)控制領(lǐng)域,很多學(xué)者致力于該方面的研究,如自適應(yīng)控制【27,28,31】、反應(yīng)線(xiàn)性化控制【59】、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制【43,45】等。三SRD的控制方式以及運(yùn)行狀態(tài) 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在運(yùn)行時(shí),有三種物理狀
9、態(tài):起動(dòng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行制動(dòng)控制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),控制方式有三種,分別是電流限制CCC控制/電流PWM控制、電壓PWM控制,其三種手畫(huà)圖分別為圖a、圖b、圖c。 圖a圖b圖c四SRD電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):SRD有較大的電機(jī)利用系數(shù),可以是感應(yīng)電機(jī)利用系數(shù)的1.21.4倍電機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組;定子上只有簡(jiǎn)單的集中繞組,沒(méi)有相間跨接線(xiàn)。轉(zhuǎn)矩與電流極性無(wú)關(guān),單向電流鼓勵(lì)。對(duì)轉(zhuǎn)速限制小,可以制成高速電動(dòng)機(jī)通過(guò)對(duì)電流的通段、幅值控制,滿(mǎn)足不同服在要求的機(jī)械特性SRD系統(tǒng)效率和功率密度在寬廣的速度和負(fù)載圍都較高缺點(diǎn):有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩由一系列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成,切有雙凸級(jí)構(gòu)造和磁路非線(xiàn)性,合成轉(zhuǎn)矩不是恒定轉(zhuǎn)矩
10、,有一定的諧波分量噪聲與振動(dòng)大出線(xiàn)頭多五SRD電機(jī)性能、應(yīng)用以及研究現(xiàn)狀與開(kāi)展前景自1842年,英國(guó)的Aberdeen和Davidson的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行理念誕生以來(lái),經(jīng)過(guò)100多年的技術(shù)準(zhǔn)備,1967-1970年出現(xiàn)了世界上第一臺(tái)SRM的雛形28與傳統(tǒng)交直流電機(jī)相比,整體效率高10以上;功率因數(shù)空載時(shí)可達(dá)0.995,滿(mǎn)載時(shí)可達(dá)0.98,構(gòu)造簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高、性能可靠、調(diào)速?lài)鷮?、運(yùn)行效率高、可控參數(shù)多,控制靈活方便,允許頻繁起停,起停次數(shù)可達(dá)1000次/小時(shí),轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小變化的影響,具有很高的效率17,18。因而上世紀(jì)80年代以后,開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)得到迅速開(kāi)展,日新月異【58,1011】。目前國(guó)
11、外已有許多公司分別推出了其商品化的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)品,代表性產(chǎn)品如下表1-1所示【28,36,60,73,87,88】。表1-1 SRD代表性產(chǎn)品或樣機(jī)Table 1-1 Representative Products of the SRD研制單位相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)優(yōu)勢(shì)優(yōu)點(diǎn)美國(guó)GE高速SRD樣機(jī)90 kw ,105r/min有效材料僅10kg, 5MW, 1*106N.m中國(guó)SRM采煤機(jī),牽引電機(jī)100kw,180kw防爆,適用于惡劣工作環(huán)境,可頻繁起制動(dòng)航空航天大學(xué)高速SRD樣機(jī)1kW,1.5kW,105r/min可超高速運(yùn)行,工作轉(zhuǎn)速可達(dá)130,000r/min;英國(guó)SRDLtd.第二代SRD
12、通用產(chǎn)品100w100Kw 505000 r/min效率比第一代OULTON電機(jī)高2%以上英國(guó)ALLENWESTSRD產(chǎn)品通用系列7.522KW功率圍大英國(guó)BJD公司密閉水冷式SRD35KW防爆,耐高溫意SICMEMOTOR和英國(guó)SRDLtd.*MC、*MP、*ME3系列SRD80 180m, 4Kw140Kw,3000rpm,轉(zhuǎn)速的60140%圍的效率都高于90%,即使在20%額定轉(zhuǎn)速的低速下,其效率仍可達(dá)40%.英國(guó)Nottingham開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)可變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)加拿大semifusion開(kāi)關(guān)磁阻伺服系統(tǒng)雙軸、四象限,調(diào)速平穩(wěn)中國(guó)于1984年跟蹤英國(guó)的研究成果,在借鑒國(guó)外經(jīng)歷的根底上
13、,開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的研究進(jìn)展很快【13,14】。目前華中科技大學(xué)在九五工程中研制出了SRD電動(dòng)車(chē),十五工程中將SRD應(yīng)用到混合動(dòng)力城市公交車(chē),調(diào)速電機(jī)廠已與與紡織機(jī)械研究所合作研制成功3kW的SRM。近年來(lái),我國(guó)已研制了50W-50KW、20多個(gè)規(guī)格的工業(yè)產(chǎn)品樣機(jī),應(yīng)用于刨床、煤礦牽引、紡織、冶金、機(jī)械、運(yùn)輸、電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)、航空、和家用電器等領(lǐng)域【58,1011】?,F(xiàn)已開(kāi)場(chǎng)新型SRM電機(jī)的研究【101】如DSPM電機(jī)、電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)、磁浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)【22】、無(wú)軸承開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)【93】等,并取得了一定研究成果。在SR電機(jī)的理論研究上,主要集中于控制、仿真、設(shè)計(jì)理論和電磁數(shù)值分析等方面,代表單位有航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué),華中理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、東南大學(xué)、交通大學(xué)、大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、紡織機(jī)械研究所,電科院、微電機(jī)研究所等 ADDIN EN.CITE ADDIN EN.CITE.DATA 39,42,47,52,57。作為一新型電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),SRD涵蓋了電力電子、電機(jī)、微機(jī)、控制工程、控制機(jī)械等知識(shí)領(lǐng)域。目前SRD還存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲大、需要位置檢測(cè)器、系統(tǒng)非線(xiàn)性等缺點(diǎn)【55,56】,在理論和應(yīng)用上仍需進(jìn)展深入研究,主要有以下方面: SRM仿真模型的
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