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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 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。 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。 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SR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 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)(CCC),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
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