開關(guān)磁阻電動機(jī)原理

1、電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所7.2.17.2.1開關(guān)磁阻電動機(jī)原理開關(guān)磁阻電動機(jī)原理電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所一、開關(guān)磁阻電動機(jī)的工作原一、開關(guān)磁阻電動機(jī)的工作原理理l 關(guān)磁阻電動機(jī)傳動系統(tǒng)(簡稱 SRD系統(tǒng))是最近20年來開發(fā)成功的一種新型電氣傳動系統(tǒng)，它由開關(guān)磁阻電動機(jī)(簡稱 SR電機(jī)或 SRM)、功率變換器、轉(zhuǎn)子位置檢測器和控制器所組成，如圖 5-21所示。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所圖5-21 開關(guān)磁阻電動機(jī)傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)l定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)l定子和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)不等，轉(zhuǎn)子齒數(shù)一般比定子少兩個l定子齒上套有集中線圈，兩個空間位置相對的定子齒線

2、圈相串聯(lián)，形成一相繞組l轉(zhuǎn)子由鐵心疊片而成，其上無繞組 如圖5-22所示電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所圖5-22 開關(guān)磁阻電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所工作機(jī)理工作機(jī)理l開關(guān)磁阻電機(jī)的工作機(jī)理與磁阻(反應(yīng))式步進(jìn)電動機(jī)一樣，基于磁通總是沿磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原理。l當(dāng)定、轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導(dǎo)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(dǎo)最大的位置。l當(dāng)向定子各相繞組中依次通入電流時，電機(jī)轉(zhuǎn)子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉(zhuǎn)動。l如果改變定子各相的通電次序，電機(jī)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。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所轉(zhuǎn)速的計算轉(zhuǎn)速的

3、計算設(shè)：定子繞組為m相，定子齒數(shù) Ns=2m，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Nr。 當(dāng)定子繞組換流通電一次時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距。這樣定子需切換通電 Nr次轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過一周，故電機(jī)轉(zhuǎn)速 n(r/min)與相繞組電壓的開關(guān)頻率 f之間的關(guān)系為 (5-10) (5-11) 給定子相繞組供電的功率變換器輸出電流脈動頻率 則為 (5-12) rNfn6060nNfr60nmNfrD電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)l開關(guān)磁阻電機(jī)由于轉(zhuǎn)子上沒有繞組，定子線圈的端部又很短，不但制造方便，而且線圈的發(fā)熱量小且容易散熱，從而電磁負(fù)荷可以提高，電機(jī)利用系數(shù)可達(dá)異步電機(jī)利用系數(shù)的 1.4倍，電機(jī)制造成本大為降低。l由于轉(zhuǎn)子上無線圈

4、，轉(zhuǎn)動慣量小，具有較高的轉(zhuǎn)矩/慣量比，所以特別適合于高速運(yùn)行。l由于開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是靠定、轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)產(chǎn)生，與繞組中所通電流極性無關(guān)，因此每相繞組中通入的可以是單方向的電流(脈沖)，無須交變。這樣不但可使控制每相電流的功率開關(guān)元件數(shù)量減少一半，而且可以避免一般電壓型逆變器中最危險的上、下橋臂元件直通的故障，不但顯著降低控制裝置的成本，而且大大提高了系統(tǒng)的安全可靠性。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所不足不足l開關(guān)磁阻電機(jī)的主要問題是它產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩脈動較大，振動與噪聲較嚴(yán)重，此外功率開關(guān)元件關(guān)斷時還會在電機(jī)定子繞組端部及開關(guān)器件上產(chǎn)生較高的電壓尖峰。l為了解決這些問題已設(shè)計出不同的控制方案，圖

5、 5-23為一種較為常用的四相開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路形式。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所圖5-23 四相開關(guān)磁阻電動機(jī)原理接線圖電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所二、開關(guān)磁阻電動機(jī)的運(yùn)行分二、開關(guān)磁阻電動機(jī)的運(yùn)行分析析l開關(guān)磁阻電動機(jī)依靠定轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其機(jī)理可以用相繞組電感 L隨轉(zhuǎn)子位置變化的關(guān)系來說明。l如果忽略電機(jī)磁路飽和的影響，則相繞組電感與電流大小無關(guān)；如不計磁場邊緣擴(kuò)散效應(yīng)，則相繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置 的變化規(guī)律 L()將如圖 5-24所示，近似為一梯形波。圖5-24 相繞組電感變化規(guī)律電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性l當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)由圖 5-23所示的電源供電時，如果

6、電動機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)，可得 (5-15)式中，等號右邊第一項(xiàng)為平衡繞組中變壓器電勢的壓降； 第二項(xiàng)為電阻壓降； 第三項(xiàng)為旋轉(zhuǎn)電勢所引起的壓降，它只有在電感隨轉(zhuǎn)子位置而變時才存在，其方向與電感隨轉(zhuǎn)子位置 的變化率有關(guān)：當(dāng)電感隨 角的增大而增大時為正，當(dāng)電感隨 角的增大而減小時為負(fù)。LiiRdtdiLUrs電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所l旋轉(zhuǎn)電勢引起的壓降為正表示吸收電功率，產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，輸出機(jī)械功l當(dāng)旋轉(zhuǎn)電勢引起的壓降為負(fù)則表示是發(fā)出電功率，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩l所以在開關(guān)磁阻電機(jī)中，為獲得較大的有效轉(zhuǎn)矩應(yīng)避免產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，在繞組電感開始隨轉(zhuǎn)子位置角 的增大而減少時應(yīng)盡快使繞組中電流衰減到零，這點(diǎn)十分重要。電力

7、電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所l在開關(guān)磁阻電機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)主要是通過控制功率開關(guān)的開、關(guān)時刻，即開關(guān)元件的導(dǎo)通角 1和截止角2 來實(shí)現(xiàn)的l設(shè)在圖 5-24中 的 I 區(qū) 內(nèi) 觸 發(fā) 導(dǎo) 通 功 率 開 關(guān) (11)；在 II 區(qū)內(nèi)關(guān)斷功率開關(guān) (113)。在這種情況下，相電流的波形將如圖 5-25所示，它可以分為五段。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所圖5-25 電動機(jī)工作時的相電流波形電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所電流特性電流特性(1)第一段 在t=0(=1 )時，功率開關(guān)導(dǎo)通，相繞組開始通電。但在這段區(qū)間由于電感小且 ，故無旋轉(zhuǎn)電勢，所以在這階段中相電流作線性增長，上升速率較快。如不計電阻影響，由

8、式5-15可得 通過合理選擇導(dǎo)通角 1使相電流在進(jìn)入有效工作段時就達(dá)到足夠大的數(shù)值，這是開關(guān)磁阻電機(jī)控制電磁轉(zhuǎn)矩的主要辦法。)(0111tt0/LtLUismin電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所(2)第二段第二段l這段期間 L在不斷增大，因而相繞組中出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)電勢壓降，繞組中電流不能繼續(xù)直線上升，甚至可能出現(xiàn)下降。求得這段期間電流關(guān)系式為： (5-19)式中 這時的電流主要用于產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此這一段電流的大小直接影響電動機(jī)的出力。)(2121ttt)0(i tLLtUirks)(11minLLLK電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所l從5-19可以看出，開關(guān)磁阻電機(jī)的負(fù)載電流與許多參數(shù)有關(guān)，其中屬于可控

9、的因素是導(dǎo)通角1，不 同 1的可能形成不同的電流波形。如圖 5-26所示。圖5-26 不同 1 時相電流波形電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所(3)第三段第三段l在反向電壓Us的作 用 下 繞 組 磁 鏈 開 始 線 性 下 降，電 流 也 逐 漸 減小。l由于在這一區(qū)間仍是 ，續(xù)流電流仍產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩，說明在這一階段電機(jī)中的磁場儲能有一部分轉(zhuǎn)化為有用的機(jī)械能從電機(jī)軸上輸出，而另一部分轉(zhuǎn)化為電能回饋給了電容器。l這時在反壓及旋轉(zhuǎn)電勢的作用下相電流以較快的速率下降，其規(guī)律可表達(dá)為 (5-22)(3232ttt0/LtLLtUirKsmax2電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所(4)第四段第四段l在這個區(qū)段由于

10、，而沒有旋轉(zhuǎn)電勢存在，相電流不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，只在外界反向電壓Us作用下繼續(xù)衰減，其規(guī)律為 (5-24) 在這段區(qū)間電機(jī)中的磁場儲能進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電能回饋給電容器，軸上無機(jī)械功輸出。)(4313ttt0/L)0( 2maxmaxiLtUis電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所(5)第五段第五段l如相電流在這一區(qū)段中還沒有衰減到零，則由于 ,使相繞組中電流所產(chǎn)生的將是制動轉(zhuǎn)矩，電機(jī)進(jìn)入再生制動狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)電勢將起與外加反向電壓相抵消的作用，使電流的下降速度變慢。這時電流的表達(dá)式為 (5-25) 式中)(44 tt0/L)0( 2maxitLLtUirBs)(14maxLLLB電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所l開關(guān)

11、磁阻電機(jī)要實(shí)現(xiàn)再生制動非常方便，只要加大1 使相電流主要出現(xiàn)在 ,的區(qū)段即可，其電流、磁鏈、電感、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系如圖 5-27所示。圖5-27 制動時的 L、i、T與關(guān)系0/L電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所7.2.27.2.2開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所一、開關(guān)磁阻電動機(jī)運(yùn)行特性一、開關(guān)磁阻電動機(jī)運(yùn)行特性和控制方式和控制方式1.1.電流控制電流控制 從圖 5-28可見，功率開關(guān)的導(dǎo)通角對電機(jī)電流的影響很大，它是控制開關(guān)磁阻電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩的主要手段。 隨著 1的減小，電流直線上升階段的時間 電流就顯著增大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩相應(yīng)增加。 功率開關(guān)的關(guān)斷角 2 則

12、影響電源對電機(jī)相繞組的供電時間的長短和續(xù)流的過程，它對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩有直接的影響。實(shí)用中多采用保持 2恒定而改變1角的辦法來控制開關(guān)磁阻電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩。rt/ )(111電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所圖5-28定子相電流有效值與1 、2 的關(guān)系電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所l在開關(guān)角 1 、2一定條件下電源電壓Us一定時,電流的標(biāo)么值與電機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān),但實(shí)際相電流和電流基值均正比于工作周期,反比于電機(jī)的轉(zhuǎn)速,因此電機(jī)低速運(yùn)行時電流的峰值將顯著增大。為了限制低速運(yùn)行時的過大電流，通常需采用斬波 (PWM)實(shí)現(xiàn)恒流控制，圖 5-29示出了斬波控制下的相電流波形。圖5-29 斬波控制下的相電流波形電力電子與

13、電機(jī)系統(tǒng)控制研究所2.轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩控制l在實(shí)際電機(jī)中，當(dāng)定、轉(zhuǎn)子齒相互對齊氣隙比較小時磁路較飽和，需要將電機(jī)飽和磁化特性曲線作分段線性化，用所謂準(zhǔn)線性化模型來計算電感，據(jù)此可較準(zhǔn)確地求得開關(guān)磁阻電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩 (5-28) 及電機(jī)輸出功率 (5-29)()(21)(minmax12min111222LLLUmTrrsav)()(21)(minmax12min111222LLLUmPrrs電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所 式(5-28)說明：l在開關(guān)角 1 、2不變的情況下，開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和輸入電壓Us 的平方成正比，和轉(zhuǎn)速的平方成反比，具有與串激直流電動機(jī)相仿的機(jī)械特性l在一定轉(zhuǎn) 速 下 提

14、前 導(dǎo) 通 功 率 開 關(guān)，即 減 小 1 角，可 增 加 相 電 流 直 線 上 升 時 間 ，增大了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩l在 1一定的情況下，增加2 ，使產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的區(qū)間增加， 也可以使平均轉(zhuǎn)矩增大。但是 2過大時續(xù)流階段可能會產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，這是不利的一面。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所3.轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲控制轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲控制 開關(guān)磁阻電機(jī) A、B、C、D 各相繞組通電時所產(chǎn)生 的 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 TA、TB、TC、TD 如圖5-30所示，其波形因電機(jī)結(jié)構(gòu)、磁路飽和程度、特別是通電時間長短不同而異。圖5-30 各相電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所振動、噪聲產(chǎn)生原因振動、噪聲產(chǎn)生原因l當(dāng)定子

15、各相繞組依 序 輪流通電時電機(jī)產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩具有明 顯 的 脈 動，這是引起開關(guān)磁阻電機(jī)振動與噪聲的一個原因。l開關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)生噪聲的更重要原因是齒極所受徑向磁拉力的變化，引起了定子鐵心的變形和振動。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所抑制噪聲的辦法抑制噪聲的辦法l一般采用適當(dāng)增加氣隙長度，適當(dāng)減小 2角以減小相繞組斷電時的齒極磁場強(qiáng)度。l近年又提出了采用所謂二步關(guān)斷的辦法來有效抑制電磁噪聲。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所4.開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式l單四 拍 運(yùn) 行(每相通電 1/4周 期) 在這種運(yùn)行方式中，電源向繞組供電的時間在 1/4周期左右，再加上續(xù)流時間，整個通電過程中相

16、繞組有可能均處在電感隨轉(zhuǎn)角而增長的環(huán)境中，電流能有效地產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所雙四雙四 拍拍 運(yùn)運(yùn) 行行( (每相通電每相通電1/21/2周期周期) )l缺點(diǎn)：電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的有效性將降低，而電流在繞組中的損耗卻隨著通流時間的增長而增加。此外，在雙四拍工作方式下由于有兩相同時通電，電機(jī)磁路飽和加劇，會進(jìn)一步降低電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，影響運(yùn)行的效果及性能。l優(yōu)點(diǎn)：可以減小轉(zhuǎn)矩的脈動當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)由圖 5-23所示的電容分壓雙極性電源供電時，采用雙四拍運(yùn)行還具有減小電容電壓波動的作用。結(jié)論結(jié)論：實(shí)用中電機(jī)高速運(yùn)行時都采用單四拍方式，低速運(yùn)：實(shí)用中電機(jī)高速運(yùn)行時都采用單四拍方式，低速運(yùn)行

17、時常采用雙四拍方式。行時常采用雙四拍方式。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所圖5-32 開關(guān)磁阻電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所5.開關(guān)磁阻電機(jī)的機(jī)械特性開關(guān)磁阻電機(jī)的機(jī)械特性l開關(guān)磁阻電機(jī)低速運(yùn)行時通電周期比較長，通常采用斬波 (PWM)控制，通過改變設(shè)定電流的大小來控制輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。l當(dāng)電機(jī)進(jìn)入較高速度后，功率開關(guān)導(dǎo)通時間縮短，電機(jī)達(dá)不到限流值，此時主要靠控制 1 角實(shí)現(xiàn)恒功率特性。l當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高后1 和2已達(dá)到極限值，電機(jī)就進(jìn)入恒定 1 和2的運(yùn)行方式，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成反比，呈現(xiàn)出串勵電動機(jī)的機(jī)械特性。開關(guān)磁阻電動機(jī)完整的機(jī)械特性如圖 5-33所示。電力

18、電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所圖5-33 開關(guān)磁阻電動機(jī)機(jī)械特性電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所二、開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制系統(tǒng)二、開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制系統(tǒng)l開關(guān)磁阻電動機(jī)由于運(yùn)行模式比較復(fù)雜，一般多采用微機(jī)數(shù)字控制，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 5-34所示，其中較為特殊的部分是它的位置檢測系統(tǒng)和功率變換器。圖5-34開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所1.位置檢測系統(tǒng)位置檢測系統(tǒng)l開關(guān)磁阻電動機(jī)中為準(zhǔn)確地控制定子繞組通電時刻(相位)，需要在電機(jī)軸端安裝一個轉(zhuǎn)子位置檢測器，作為相位控制的定位基準(zhǔn)信號。l圖5-35是A、B、C、D四相繞組的功率開關(guān)正、反序通電時P、Q兩個轉(zhuǎn)子位置傳感元件的輸出信號波形電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所圖5-35 位置檢測信號及組合邏輯電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所2.功率變換器功率變換器作用：l起開關(guān)作用使相繞組及時通、斷，保證電機(jī)產(chǎn)生預(yù)期的轉(zhuǎn)矩l為電機(jī)系統(tǒng)提供能源l為繞組儲能提供回饋路徑電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所主