開關(guān)磁阻電機課件20116整理

電機可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機理粗略的分為兩大類：一類是由電磁作用原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；另一類是由磁阻變化原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在第一類電機中，運動是定、轉(zhuǎn)子兩個磁場相互作用的結(jié)果。這種相互作用產(chǎn)生使兩個磁場趨于同向的電磁轉(zhuǎn)矩，這類似于兩個磁鐵的同極性相排斥、異極性相吸引的現(xiàn)象。目前大部分電機都是遵循這一原理，例如一般的直流電機和交流電機。第二類的電機，運動是由定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的。當定子繞組通電時，產(chǎn)坐一個單相磁場，其分鈾要遵循“磁阻最小原則”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。因此，當轉(zhuǎn)子軸線與定子磁極的軸線不重合時，便公有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使其趨向于磁阻最小的位置。即兩軸線重合位置，這類似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物質(zhì)的現(xiàn)象。開關(guān)磁阻電機就是屬于這一類型的電機。兩類不同機理的電動機開關(guān)磁阻電機的最早文獻卻可追溯到1838年，英格蘭學者Davidson制造了一臺用以推動蓄電池機車的驅(qū)動系統(tǒng)。70年代左右，英國Leeds大學步進電機和磁阻電機研究小組首創(chuàng)了一臺現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機的雛形。1980年，Lawrenson及其同事在ICEM會議上，發(fā)表著名論文“開關(guān)磁阻調(diào)速電動機”，系統(tǒng)地介紹了他們的工作成果，闡述了SR電機的原理及設計特點，在國際上奠定了現(xiàn)代SR電機的地位，這也標志著SRD正式得到國際認證。從此，世界上大批學者投入到SR電機的研究領域。到日前為止，在SRD系統(tǒng)的開發(fā)研制方面，英國一直處于國際領先地位。除英國外，美國、中國、加拿大、印度、韓國等國家也都開展了SRD系統(tǒng)的研究工作。通過20多年的研究和改進，SRD的性能不斷提高，目前已能在數(shù)百瓦到數(shù)百千瓦的功率范圍內(nèi)使其性能不低于其他形式的電機。開關(guān)磁阻電機發(fā)展歷史2.1SRD傳動系統(tǒng)2.1.1SRD傳動系統(tǒng)的組成SR電動機定、轉(zhuǎn)子實際結(jié)構(gòu)

工作機理開關(guān)磁阻電機的工作機理基于磁通總是沿磁導最大的路徑閉合的原理。當定、轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就會產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁導最大的位置。當向定子各相繞組中依次通入電流時，電機轉(zhuǎn)子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉(zhuǎn)動。如果改變定子各相的通電次序，電機將改變轉(zhuǎn)向。但相電流通流方向的改變是不會影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向的。一、開關(guān)磁阻電機（SwitchedReluctanceMotor)

1.結(jié)構(gòu)特點1定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)；2定子上空間相對的兩個極上的線圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相繞組3定子集中繞阻、繞組為單方向通電4轉(zhuǎn)子上無繞組5最常見的組合為6/4極，8/6極或12/8極。2.1.2運行原理：磁阻最小原理磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必定使自己的軸線與主磁場的軸線重合A-A’通電?

1-1‘與A-A’重合B-B’通電?

2-2‘與B-B’重合C-C’通電?

3-3‘與C-C’重合D-D’通電?

1-1‘與D-D’重合依次給A-B-C-D繞組通電，轉(zhuǎn)子逆勵磁順序方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)例：12/8極三相開關(guān)磁阻電動機以不同的顏色表示磁場強弱，藍色磁場最弱，綠色強當某一相通電時，磁極極尖處磁場強轉(zhuǎn)速的計算設：定子繞組為m相，定子齒數(shù)Ns=2m，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Nr。當定子繞組輪流通電一次時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距。這樣定子需輪流通電Nr次轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過一周，故電機轉(zhuǎn)速n(r/min)與相繞組電壓的開關(guān)頻率fph之間的關(guān)系為給定子相繞組供電的功率變換器輸出電流脈動頻率則為

1、依次給A-B-C-A繞組通電，轉(zhuǎn)子逆勵磁順序方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。改變繞組導通順序，就可改變電機的轉(zhuǎn)向。2、通電一周期，轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子極距tr=360/Nr3、步距角qb=tr/m=360/(mNr)4、轉(zhuǎn)矩方向與電流無關(guān),但轉(zhuǎn)矩存在脈動。5、需要根據(jù)定、轉(zhuǎn)子相對位置投入激勵。不能像普通異步電機一樣直接投入電網(wǎng)運行，需要與控制器一同使用。結(jié)論：2.1.3開關(guān)磁阻電動機的相數(shù)與結(jié)構(gòu)

相數(shù)與級數(shù)關(guān)系1、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，所以雙凸極的定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)應為偶數(shù)。2、定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)不相等，但應盡量接近。因為當定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)相近時，就可能加大定子相繞組電感隨轉(zhuǎn)角的平均變化率，這是提高電機出力的重要因素。SR電動機常用的相數(shù)與極數(shù)組合

相數(shù)3456789定子極數(shù)681012141618轉(zhuǎn)子極數(shù)46810121416步進角(度)3015964.283.212.5SR電機常用方案相數(shù)與轉(zhuǎn)矩、性能關(guān)系：相數(shù)越大，轉(zhuǎn)矩脈動越小，但成本越高，故常用三相、四相，還有人在研究兩相、單相SRM低于三相的SRM沒有自起動能力2.2SR電機基本方程與性能分析不計磁滯、渦流及繞組間互感時，m相SR電機系統(tǒng)示意圖

J—轉(zhuǎn)子與負載的轉(zhuǎn)動慣量

TL—負載轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)矩公式可知：開關(guān)磁阻電機的轉(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)矩與繞組電感對轉(zhuǎn)子位置角的變化率成正比，因此，只有當繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置角而增大時，給繞組通電才能產(chǎn)生正向電動轉(zhuǎn)矩。當電感隨轉(zhuǎn)子位置角而下降時，如繞組中仍有電流，則將產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。相繞組關(guān)斷后繞組電流不能突變?yōu)榱?，有一個延續(xù)過程。為防止繞組電流延續(xù)到負轉(zhuǎn)矩區(qū)，必須在繞組電感開始下降之前提前關(guān)斷繞組。機械運動方程：式中Te——電磁轉(zhuǎn)矩；

J——系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量；

KΩ——摩擦系數(shù)；

TL——負載轉(zhuǎn)矩。

2.2.2基于理想線性模型的SR電動機分析

線性模型：不計磁路飽和，假定繞組電感與電流無關(guān)，此時電感只與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)1023045

SR電機相電感隨轉(zhuǎn)子位置變化=1位置轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置statorrotor1stator=0o位置rotor定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合=0ostator=2位置rotor轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置2stator=3位置轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置rotor3stator=4位置rotor轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置4stator=5位置rotor轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置5相電流解析分析第k相繞組模型續(xù)流結(jié)束角on<2:在電感上升前開通，迅速建立電流，以獲得足夠轉(zhuǎn)矩>2:電感上升，使繞組電流下降off<3:在電感達最大之前，繞組關(guān)斷，繞組續(xù)流。3<z<4(θz=2θoff-θon)在電感下降之前，續(xù)流結(jié)束。否則會產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩典型電流波形不同開通角下電流波形特點：開通角越小，電流幅值越大，續(xù)流時間越長。不同關(guān)斷角下電流波形1)on

是控制轉(zhuǎn)矩的重要參數(shù)：一定時，若開通角on較小，相電流直線上升時間較長，從而增大電流，提高轉(zhuǎn)矩。2)在on一定時，增大off,平均轉(zhuǎn)矩也相應增大。但導通角c=off-on有一個最佳值，超過此值，c增大，平均轉(zhuǎn)矩反而減小。討論：2.3SR電機的控制原理SR電機固有機械特性：F為以電機結(jié)構(gòu)參數(shù)(m，Nr，2，Lmax，Lmin)和控制參數(shù)(on,off)為變量的函數(shù)整理得：對一定電機，結(jié)構(gòu)參數(shù)一定。如Us、on

、off一定，則電機的固有機械特性為：

Tav=k/2P=k/

基本控制策略A.低速時的電流斬波控制（Currentchoppingcontrol-CCC)在電感很小時使繞組開通，電流快速上升。為防止電流過大而損壞電機，當電流達到最大值Imax時，使繞組關(guān)斷，電流開始衰減，當電流衰減咸至Imin時，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)到負轉(zhuǎn)矩區(qū)。B.高速時的角度位置控制（Angularpositioncontrol-APC)高速時，由于反電勢大，電流受到限制，上升較慢。當?shù)竭_最大值后，因電感的增加，電流返而下降。同樣，為避免電流延續(xù)到負轉(zhuǎn)矩區(qū)，繞組要在電感到達最大值之前關(guān)斷。速度越高，要關(guān)斷的越早。

SR電動機的基本機械特性

SR電機的基速SR電機的固有機械特性類似與直流電機的串勵特性。對給定SR電機，在最高電壓Us和最大允許電流條件下，存在一個臨界角速度。即SR電機得到最大轉(zhuǎn)矩的最高角速度，稱為基速。2.4SRM功率變換器功率變換器是直流電源和SRM的接口，起著將電能分配到SRM繞組中的作用，同時接受控制器的控制。

由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因此只需要單極性供電的功率變換器。功率變換器應能迅速從電源接受電能，又能迅速向電源回饋能量。對功率變換器主電路的要求

（1）較少數(shù)量的主開關(guān)元件；（2）可將全部電源電壓加給電動機相繞組；（3）主開關(guān)器件的電壓額定值與電動機接近；（4）具備迅速增加相繞組電流的能力；（5）可通過主開關(guān)器件調(diào)制，有效地控制相電流；（6）能將能量回饋給電源。2.4.1主電路常見形式1、雙開關(guān)型每相有兩只主開關(guān)和兩只續(xù)流二極管。當兩只主開關(guān)VT1和VT2同時導通時，電源US

向電機相繞組供電；當VT1和VT2同時關(guān)斷時，將電機的磁場儲能以電能形式迅速回饋電源，實現(xiàn)強迫換相。。雙開關(guān)型電路特點：1）適用于任意相數(shù)SR電機2）相控獨立性：獨立3）相電壓=電源電壓4）器件數(shù)量多

三相SR電機常采用雙開關(guān)型主電路雙開關(guān)型主電路又稱為不對稱半橋型主電路2、H橋型

換相相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導通相繞組，引起中點電位的較大浮動。它要求每一瞬間必須上、下各有一相導通。工作制：AB-BC-CD-DAH橋型電路的特點1）只適用于4的倍數(shù)相SR電機2）主開關(guān)數(shù)較少3）相控獨立性：不獨立4）相繞組電壓浮動5）本電路特有的優(yōu)點:可以實現(xiàn)零壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制性能。H橋型電路為4相SR電機最常用的主電路形式4相SR電機主電路工作方式4相8/6極SR電機主電路方式1：單管斬波方式，需增加一個公共開關(guān)V0,PWM斬波由V0完成，V1-V4只負責換相.V0導通V0關(guān)斷AB兩相導通時工作情況方式2：四相斬波方式V1-V4不僅擔負換相任務，還要進行PWM斬波兩導通相對應的開關(guān)V1、V2同時開通或關(guān)斷主電路續(xù)流方式3：兩相斬波方式主電路同方式2，V1和V3進行PWM斬波控制，工作情況較復雜斬波：V1關(guān)斷，續(xù)流換相：V2關(guān)斷，V1導通換相：V1關(guān)斷，V2導通

主電路設計實例

系統(tǒng)的主要技術(shù)指標

額定功率：30kW；額定轉(zhuǎn)速：1500r/min；轉(zhuǎn)速范圍：50~2000r/min電源：三相交流380V/50Hz；雙向運行，停車制動；起動轉(zhuǎn)矩：1.5190Nm；過載能力：120%。功率變換器主電路

器件的選用

IGBT模塊結(jié)構(gòu)圖

EXB841原理圖

IGBT驅(qū)動電路

EXB841典型應用電路

2.5SRM傳動系統(tǒng)的反饋信號檢測2.5.1位置檢測與換相邏輯光電傳感器靜止部分運動部分紅外發(fā)光二極管、光敏三極管、輔助電路與SRM轉(zhuǎn)子同軸安裝的遮光盤、遮光盤有6個30o間隔的齒位置檢測位置信號檢測電路原理圖VG為光耦，R1、R2限流電阻，兩個非門對輸出信號進行整形，以消除毛刺和上升沿、下降沿。光電耦合器件4相SR電機位置傳感器安裝示意圖定子上安裝兩個相距75o的光敏器件S、P,分別與定子極中心線成37.5o夾角?？奢敵鰞陕废嗖?5o、占空比為50%的方波信號將其組合為4種不同狀態(tài)，代表定子繞組4種不同參考位置位置1：0o導通相分析：令轉(zhuǎn)向為逆時針旋轉(zhuǎn)，則應為A、B兩相導通位置傳感器信號：S未遮，輸出高電平，持續(xù)15o。P被遮，輸出低電平，持續(xù)30o。位置2：轉(zhuǎn)過15o導通相分析：令轉(zhuǎn)向為逆時針旋轉(zhuǎn)，則應為B、C兩相導通位置傳感器信號：S被遮，輸出低電平，持續(xù)30o。P被遮，輸出低電平，持續(xù)15o。位置3：轉(zhuǎn)過30o導通相分析：令轉(zhuǎn)向為逆時針旋轉(zhuǎn)，則應為C、D兩相導通位置傳感器信號：S被遮，輸出低電平，持續(xù)15o。P未遮，輸出高電平，持續(xù)30o。位置4：轉(zhuǎn)過45o導通相分析：令轉(zhuǎn)向為逆時針旋轉(zhuǎn)，則應為D、A兩相導通位置傳感器信號：S未遮，輸出高電平，持續(xù)