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開關磁阻電機課件 作者 蔡維倫日期 2016 4 15 課件的內(nèi)容 一 MOTOR的種類二 SRD的特點及應用三 SRD的驅(qū)動原理四 SRD控制策略 note1 PMSM PermanentMagnetSynchronousMotor2 BLDC BrushlessDC3 BLAC BrushlessAC4 SRM SwitchedReluctanceMotor5 SynRm SynchronousReluctanceMotor 電機 交流電機 直流電機 感應式電機 同步電機 通用電機 磁極電機 單相三相 永磁同步電機 BLDC BLAC 開關磁阻電機同步磁阻電機 旋轉(zhuǎn)式 直線式 1 電機的種類 1 1兩類不同原理的電動機 電機可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理劃分 電磁作用原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機 磁阻變化原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機 運動是定 轉(zhuǎn)子兩個磁場相互作用的結(jié)果 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 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 便會有磁阻力作用在轉(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 開關磁阻電機就是屬于這一類型的電機 1 2交流永磁同步電機 1 2 1交流永磁同步電機控制結(jié)構(gòu) 1 2 2交流永磁同步電機控制原理 電磁場 1 2 3交流永磁同步電機控制要求 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 從此 世界上大批學者投入到SR電機的研究領域 1980年 Lawrenson及其同事在ICEM會議上 發(fā)表著名論文 開關磁阻調(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 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)代開關磁阻電機的雛形 2開關磁阻電機發(fā)展歷史 通過30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 2 1SRD的應用 開關磁阻電動機 SwitchedReluctanceDrive SRD 是繼變頻調(diào)速系統(tǒng) 無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代無級調(diào)速系統(tǒng) 是集現(xiàn)代微電子技術 數(shù)字技術 電力電子技術 紅外光電技術及現(xiàn)代電磁理論 設計和制作技術為一體的光 機 電一體化高新技術 它具有調(diào)速系統(tǒng)兼具直流 交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點 英 美等經(jīng)濟發(fā)達國家對開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)的研究起步較早 并已取得顯著效果 產(chǎn)品功率等級從數(shù)w直到數(shù)百kw 廣泛應用于家用電器 航空 航天 電子 機械及電動車輛等領域 2 2 2 3總體影響 2 4SRD機械結(jié)構(gòu) 下面通過一個開關磁阻電動機原理模型來介紹工作原理 電機的定子鐵芯有六個齒極 由導磁良好的硅鋼片沖制 電機的轉(zhuǎn)子鐵芯有四個齒極 由導磁良好的硅鋼片沖制 由于定子與轉(zhuǎn)子都有凸起的齒極 這種形式也稱為雙凸極結(jié)構(gòu) 在定子齒極上繞有線圈 定子繞組 用來向電機提供工作磁場 在轉(zhuǎn)子上沒有線圈 這是磁阻電機的主要特點 2 5電動機定 轉(zhuǎn)子實際結(jié)構(gòu) 2 6 2 6 1 2 6 1 2 7開關磁阻電機的優(yōu)缺點 SRD電機轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組 永磁體 滑環(huán)等 定子上只有簡單的集中繞組 繞組端部較短 沒有相間跨接線 因此SR電機的結(jié)構(gòu)比鼠籠式感應電動機還要簡單 SR電機的材料利用系數(shù)高 與直流電機甚至感應電機相比 體積小 堅固 維護量小 由于SR電機的轉(zhuǎn)矩與電流極性無關 只需要單方向的電流激勵 因此在理論上功率變換器電路中每相可以只用一個可控開關元件 而且每個可控開關元件都與電機繞組串聯(lián) 不會出現(xiàn)像交流電機PWM逆變器那樣有電源直通短路的危險 所以功率變換器電路簡單 可靠性高 SR電機轉(zhuǎn)子上無繞組 系統(tǒng)在低速運行時 不僅轉(zhuǎn)矩大 而且轉(zhuǎn)子發(fā)熱不嚴重 SRD系統(tǒng)可以通過對電流的導通 斷開以及電流幅值等的控制 易于實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動 四象限運行和寬廣的恒功率范圍 SRD系統(tǒng)的容錯能力強 在缺相的情況下仍然能可靠運行 SR電機原有的轉(zhuǎn)矩脈動大 噪聲大的缺點通過技術的進步也已經(jīng)可以解決 19 2 7 1SRD的特點 2 8 2 8 1 電動汽車用開關磁阻電機 三相SRM 五相SRM 2 8 3 2 9SRD的研究方向 SR電機設計研究 1 減小轉(zhuǎn)矩脈動及噪聲 電機的振動的研究2 相數(shù)的研究與選擇3 電機鐵耗 效率分析SR電機的控制策略研究 最優(yōu)控制 減小轉(zhuǎn)矩脈動 降低噪聲具有較高動態(tài)性能 算法簡單 可抑制參數(shù)變化 擾動及各種不確定性干擾的新型控制策略智能控制策略SR電機的無位置傳感器控制SR電機的振動 噪聲研究SR電機應用研究 電動車 發(fā)電機 一體化電機等變換器方案確定和主開關元器件選擇微處理器和專用集成電路的應用 工作原理 結(jié)構(gòu)特點 3開關磁阻電機原理 在講電動機工作原理時常用通電導線在磁場中受力來解釋電動機旋轉(zhuǎn)的道理 磁阻電機轉(zhuǎn)子上沒有繞組 那是靠什么力推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動呢 磁阻電動機是利用磁阻最小原理 也就是磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合 利用磁引力拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 下面通過圖示來說明轉(zhuǎn)子的工作原理 下面是磁阻電動機的正視圖 定子六個齒極上繞有線圈 徑向相對的兩個線圈是連接在一起的 組成一 相 該電機有3相 結(jié)合定子與轉(zhuǎn)子的極數(shù)就稱該電機為三相6 4結(jié)構(gòu) 在下圖標注的A B C相線圈僅為后面分析磁路帶來方便 并不是連接三相交流電 在下面有一組磁阻電動機運轉(zhuǎn)原理動畫的截圖 從中我們將看到磁阻電動機是如何轉(zhuǎn)動起來的 圖中紅色的線圈是通電線圈 黃色的線圈沒有電流通過 通過定子與轉(zhuǎn)子的深藍色線是磁力線 把轉(zhuǎn)子啟動前的轉(zhuǎn)角定為0度 從左面圖起 A相線圈接通電源產(chǎn)生磁通 磁力線從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過轉(zhuǎn)子鐵芯 磁力線可看成極有彈力的線 在磁力的牽引下轉(zhuǎn)子開始逆時針轉(zhuǎn)動 中間圖是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了10度的圖 右面圖是轉(zhuǎn)到20度的圖 磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到30度為止 到了30度轉(zhuǎn)子不再轉(zhuǎn)動 此時磁路最短 3 1 開關磁阻電機原理 為了使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動 在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到30度前已切斷A相電源在30度接通B相電源 磁通從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過轉(zhuǎn)子鐵芯 見下左圖 于是轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動 中間圖是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到40度的圖 右面圖是轉(zhuǎn)到50度的圖 磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到60度為止 在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到60度前切斷B相電源在60度時接通C相電源 磁通從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過轉(zhuǎn)子鐵芯 見下左圖 轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動 中間圖是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到70度的圖 右面圖是轉(zhuǎn)到80度的圖 磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到90度為止 當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到90度前切斷C相電源 轉(zhuǎn)子在90度的狀態(tài)與前面0度開始時一樣 重復前面過程 接通A相電源 轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動 這樣不停的重復下去 轉(zhuǎn)子就會不停的旋轉(zhuǎn) 這就是磁阻電動機的工作原理 由于是運用了利用磁阻最小原理 故稱為磁阻電動機 又由于線圈電流通斷 磁通狀態(tài)直接受開關控制 故稱為開關磁阻電動機 3 1 1開關磁阻電機原理 向線圈供電的開關是用開關晶體管進行的 下面就是三相線圈與開關晶體管的連接示意圖 BG1 BG2 BG3是三個開關晶體管 分別控制三相線圈A B C的電流通斷 三極管旁邊并聯(lián)的二極管是用來續(xù)流的 由于電機靠磁阻工作 跟磁通方向無關 即跟電流方向無關 故在上面運行圖中沒有標明磁力線的方向 A B C各相線圈輪流通電似乎簡單 實際情況要復雜些 線圈切斷電源后產(chǎn)生的自感電流不會立即消失 要提前關斷電源進行續(xù)流 為加大力矩相鄰相線圈有電流的時間會有部分重合 調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩也要調(diào)整開關時間 各相線圈開通與關斷時間與轉(zhuǎn)子定子間的相對位置直接相關 故電機還裝有轉(zhuǎn)子位置檢測裝置為準時開關各相線圈電流提供依據(jù) 何相線圈何時通斷必須根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到的位置與控制參數(shù)決定 3 1 2開關磁阻電機原理 3 1 3開關磁阻電機的非線性特性以上分析都是在線性條件下進行的 實際電機磁路為非線性 磁場分布 3 2SRD交流電機控制原理 3 2 1SRM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)量的主開關元件 2 可將全部電源電壓加給電動機相繞組 3 主開關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 可通過主開關器件調(diào)制 有效地控制相電流 6 能將能量回饋給電源 3 3主電路常見形式 1 雙開關型 每相有兩只主開關和兩只續(xù)流二極管 當兩只主開關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 我司三相SRD12 8極電機常采用雙開關型主電路 雙開關型主電路又稱為不對稱半橋型主電路 3 3主電路常見形式 2雙繞組型電路特點 主開關S1導通時 電源對主繞組A供電 當其關斷時 靠磁耦合將主繞組A的電流轉(zhuǎn)移到副繞組 通過二極管D1續(xù)流 向電源回饋電能 實現(xiàn)強迫換相 早期使用的雙繞組結(jié)構(gòu) 每相有主 副兩個繞組 主 副繞組雙線并繞 同名端反接 其匝數(shù)比為1 1 3 3主電路常見形式 雙繞組型缺點 1 由于主 副繞組之間不可能完全耦合 在S1關斷的瞬間 因漏磁及漏感作用 其上會形成較高的尖峰電壓 故S1需要有良好的吸收回路 2 由于采用主 副兩個繞組 因而電機槽及銅線利用率低 銅耗增加 體積增大 優(yōu)點 適用于任何相數(shù)的SRM 尤其適宜于低壓直流電源供電場合 3 3主電路常見形式 3電容分壓型 電源分裂式 兩個相串聯(lián)的電容C1和C2將電源電壓一分為二 構(gòu)成中點電位 每相只有一個主開關S和一只續(xù)流二極管D 當S1導通時 上側(cè)電容C1對A相繞組放電 電源對A相供電 經(jīng)下側(cè)電容C2構(gòu)成回路 當S1關斷時 A相電流經(jīng)D1續(xù)流 向下側(cè)電容C2充電 3 3主電路常見形式 電容分壓型電路的特點 1 只適用于偶數(shù)相SR電機2 主開關數(shù)較少3 相控獨立性 不獨立4 電源利用率低 每相電壓為電源電壓的1 2 5 需限制中點電位漂移 3 3主電路常見形式 H橋型 該變換器比四相電容分壓型功率變換器主電路少了兩個串聯(lián)的分壓電容 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 DA 3 3主電路常見形式 H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 3 3主電路常見形式 3 4開關磁阻電動機的相數(shù)與結(jié)構(gòu) 相數(shù)與級數(shù)關系 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 5 3 5SR電機常用方案 相數(shù)與轉(zhuǎn)矩 性能關系 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 4 5 phase10statorpole 8rotorpole 利用永磁體輔助起動的單相SR電動機 3 6SR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 電路方程 第k相繞組的相電壓平衡方程 3 6 1磁鏈方程 所以 為電磁轉(zhuǎn)矩 Wf為磁場儲能 wr為轉(zhuǎn)子機械角速度 如果忽略繞組電阻R 則上面的方程可寫為 3 6 1磁鏈方程 3 6 2轉(zhuǎn)矩方程 3 6 3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斷 速度越高 要關斷的越早 3 6 3基本控制策略 3 6 3基本控制策略 C 電壓斬波控制 VoltageControl 簡稱VC 在導通區(qū)間內(nèi) 使功率開關按PWM方式工作 其脈沖周期T固定 占空比T可凋 在Tt內(nèi) 繞組加正電壓 T內(nèi)加零電壓或反電壓 改變占空比 則繞組電壓的平均值U變化 繞組電流也相應變化 從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié) 這就是電壓斬波控制 3 6 4當前基本控制策略 選擇和應用 1 高速角度控制 低速電流斬波控制低速電流斬波控制電流脈沖窄而尖 轉(zhuǎn)矩脈動和電流峰值大 若采用電流斬波控 則在aoff后 續(xù)流過程較長 影響出力和效率 解決方法是在低速電流斬波控制時結(jié)合角度控制 當轉(zhuǎn)速提高時 使 off適當提前 2 變角度電壓斬波控制電壓斬波調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 并使 on和 off隨轉(zhuǎn)速改變 電動機電動工作 希望盡量將電流波形置于電感上升段 由于電流的建立過程和續(xù)流消失的過程需要一定的時間 因而電流波形總比通電區(qū)域 on off有所滯后 轉(zhuǎn)速越高 通電區(qū)間對應的時間越短 電流波形滯后越多 因此要求通電區(qū)間提前的角度就越多 此控制方式轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大 高低速均有較好的電動機性能 亦不存在兩種控制方式的轉(zhuǎn)換問題 缺點是控制方式的實現(xiàn)較復雜 對功率開關的工作頻率要求較高 否則斬波噪聲較大 3 6 5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 此時電感只與轉(zhuǎn)子位置有關 10 2 3 0 4 5 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 1 3 6 5理想線性模型的SR電動機分析 0o位置 定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合 0o 3 6 5理想線性模型的SR電動機分析 2位置 轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置 2 3 6 5理想線性模型的SR電動機分析 3位置 轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置 rotor 3 3 6 5理想線性模型的SR電動機分析 4位置 轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置 4 3 6 5理想線性模型的SR電動機分析 5位置 rotor 轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 5 3 6 5理想線性模型的SR電動機分析 10 2 3 0 4 5 0定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合 1 5 轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 2轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置 3轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置 4轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置 3 6 5理想線性模型的SR電動機分析 K Lmax Lmin 3 2 Lmax Lmin s 特征 隨定 轉(zhuǎn)子磁極重疊的增加和減少 相電感在Lmax和Lmin之間線性地變化 Lmin為定子磁極軸線對轉(zhuǎn)子凹槽中心時的電感 Lmax定子磁極軸線對轉(zhuǎn)子磁極軸線的電感 3 6 5理想線性模型的SR電動機分析 3 6 5理想線性模型的SR電動機分析 3 6 5理想線性模型的SR電動機分析 3 7相電流解析分析 第k相繞組模型 3 7相電流解析分析 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 繞組關斷 繞組續(xù)流 3 z 4 z 2 off on 在電感下降之前 續(xù)流結(jié)束 否則會產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩 3 8典型電流波形 不同開通角下電流波形 開通角越小 電流幅值越大 續(xù)流時間越長 不同關斷角下電流波形 3 8典型電流波形 變化趨勢 結(jié)構(gòu)一定 在 on和 off不變時 繞組電流隨外加電壓的增大而增大 隨轉(zhuǎn)速的升高而減小 通過調(diào)整開關角和關斷角也可以影響繞組電流 從而就間接地使電動機的電磁轉(zhuǎn)矩增大 影響繞組電流的因素 外加電源電壓Us 角速度 r 開通角 on 關斷角 off 最大電感Lmax 最小電感Lmin 定子極弧 s等 線性模型忽略了許多因素 計算結(jié)果誤差很大 只能定性地說明影響電流 轉(zhuǎn)矩的因素 3 8典型電流波形 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 3 9SR電機固有機械特性 機械運動方程 式中Te 電磁轉(zhuǎn)矩 J 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量 K 摩擦系數(shù) TL 負載轉(zhuǎn)矩 4SR電機控制策略 基速以下 電流斬波控制 CCC 輸出恒轉(zhuǎn)矩 可控量為 Us on off 控制法1 固定 on off 通過電流斬波限制電流 得到恒轉(zhuǎn)矩 控制法2 固定 on off 由速度設定值和實際值之差調(diào)制Us 進而改變轉(zhuǎn)矩 基速以上 角度位置控制 APC 輸出恒功率 設定電流上 下幅值的斬波圖 設定電流上限和關斷時間斬波圖 4SR電機控制策略 控制方式的合理選擇 4SR電機控制策略 SR電動機的起動運行 四相SR電動機的矩角特性 兩相起動時合成轉(zhuǎn)矩波形 SR電動機的四象限運行控制 SR電動機正反轉(zhuǎn)控制原理 4SR電機控制策略 制動狀態(tài)下L i Te與轉(zhuǎn)子位置角 的關系