開關磁阻電機講座課件

1、2.1 SRM 傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)2.2 SRM 基本方程與性能分析基本方程與性能分析2.3 SRD的的 控制原理控制原理2.4 SRD 的功率變換器的功率變換器2.5 SRD 傳動系統(tǒng)的反饋信號檢測傳動系統(tǒng)的反饋信號檢測2.6 SRD 控制系統(tǒng)原理及其實現(xiàn)控制系統(tǒng)原理及其實現(xiàn)2.7 基于單片機的基于單片機的SRD控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)2.8 基于基于DSP的的SRD控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)2.9 開關磁阻發(fā)電機開關磁阻發(fā)電機 位位置置檢檢測測 功功率率變變換換器器 SR電電動動機機 電電流流檢檢測測 控控制制信信號號 控控制制器器 電電 源源 負負 載載 1、雙凸極、雙凸極結構結構2、定子集、定子集中繞阻、

2、繞中繞阻、繞組為單方向組為單方向通電通電 3、轉子無、轉子無繞阻繞阻電機原理演示電機原理演示磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的鐵心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磁場的軸線重合A-A 通電通電 1-1 與與A-A重合重合B-B 通電通電 2-2 與與B-B重合重合C-C 通電通電 3-3 與與C-C重合重合D-D 通電通電 1-1 與與D-D重合重合12/8 極三相開關磁阻電動機極三相開關磁阻電動機 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

3、場強22 )srsNkmNNk=1 1、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，所以、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，所以雙凸極的雙凸極的定子和轉子齒槽數(shù)應為偶數(shù)。定子和轉子齒槽數(shù)應為偶數(shù)。2 2、定子和轉子齒槽數(shù)不相等，但應盡量接近。、定子和轉子齒槽數(shù)不相等，但應盡量接近。因為當定子和轉子齒槽數(shù)相近時，就可能加大定因為當定子和轉子齒槽數(shù)相近時，就可能加大定子相繞組電感隨轉角的平均變化率，這是提高電子相繞組電感隨轉角的平均變化率，這是提高電機出力的重要因素。機出力的重要因素。 相數(shù)相數(shù) 3 4 5 6 7 8 9定子極數(shù)定子極數(shù) 6 8 10 12 14 16 18轉子極數(shù)轉子極數(shù) 4 6 8 1

4、0 12 14 16步進角步進角(度度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR電機常用方案電機常用方案相數(shù)越大，轉矩脈動越小，但成本越高，故常相數(shù)越大，轉矩脈動越小，但成本越高，故常用三相、四相，還有人在研究兩相、單相用三相、四相，還有人在研究兩相、單相SRM低于三相的低于三相的SRM 沒有自起動能力沒有自起動能力 PM PM （1） 2-phase 4 stator pole/2 rotor pole（2） 4-phase 8 stator pole/6 rotor pole（3） 3-phase 6 stator pole/4 rotor pole（4） 5-phase 1

5、0 stator pole/8 rotor pole1)1)電動機結構簡單、成本低、適用于高速電動機結構簡單、成本低、適用于高速, , 開關磁阻電動機的結構比通常認為最簡開關磁阻電動機的結構比通常認為最簡單的鼠籠式感應電動機還要簡單。單的鼠籠式感應電動機還要簡單。2)2)功率電路簡單可靠功率電路簡單可靠 因為電動機轉矩方因為電動機轉矩方向與繞組電流方向無關，即只需單方向向與繞組電流方向無關，即只需單方向繞組電流，故功率電路可以做到每相一繞組電流，故功率電路可以做到每相一個功率開關。個功率開關。3)3)各相獨立工作，可構成極高可靠性系統(tǒng)各相獨立工作，可構成極高可靠性系統(tǒng) 從從電動機的電磁結構上看

6、，各相繞組和磁路相電動機的電磁結構上看，各相繞組和磁路相互獨立，各自在一定軸角范圍內產(chǎn)生電磁轉互獨立，各自在一定軸角范圍內產(chǎn)生電磁轉矩。而不像在一般電動機中必須在各相繞組矩。而不像在一般電動機中必須在各相繞組和磁路共同作用下產(chǎn)生一個圓形旋轉磁場，和磁路共同作用下產(chǎn)生一個圓形旋轉磁場，電動機才能正常運轉。電動機才能正常運轉。4)4)高起動轉矩，低起動電流高起動轉矩，低起動電流 控制器從電源側控制器從電源側吸收較少的電流，在電機側得到較大的起動吸收較少的電流，在電機側得到較大的起動轉矩是本系統(tǒng)的一大特點。轉矩是本系統(tǒng)的一大特點。 （SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）5)5

7、)適用于頻繁起停及正反向轉運行適用于頻繁起停及正反向轉運行 SRDSRD系統(tǒng)具有的高起動轉矩，低起動電流系統(tǒng)具有的高起動轉矩，低起動電流的特點，使之在起動過程中電流沖擊的特點，使之在起動過程中電流沖擊小，電動機和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定小，電動機和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定運行時還小。運行時還小。6)6)可控參數(shù)多，調速性能好可控參數(shù)多，調速性能好 控制開關控制開關磁阻電動機的主要運行參數(shù)和常用方磁阻電動機的主要運行參數(shù)和常用方法至少有四種法至少有四種: :相開通角相開通角, ,相關斷角相關斷角, , 相電流幅值相電流幅值, ,相繞組電壓。相繞組電壓。7)7)效率高，損耗小效率高，損耗小 SRDSRD系

8、統(tǒng)是一種系統(tǒng)是一種非常高效的調速系統(tǒng)。非常高效的調速系統(tǒng)。8)8)可通過機和電的統(tǒng)一協(xié)調設計滿可通過機和電的統(tǒng)一協(xié)調設計滿足各種特殊使用要求足各種特殊使用要求 。9)9)缺點：轉矩脈動、振動、噪聲缺點：轉矩脈動、振動、噪聲 但但可通過特殊設計克服可通過特殊設計克服航空工業(yè)航空工業(yè) 家用電器家用電器 機械傳動機械傳動 精密伺服系統(tǒng)精密伺服系統(tǒng) 電動車電動車 SR電機設計研究：電機設計研究： 鐵心損耗計算、轉矩脈動、噪聲、優(yōu)化設計等理論鐵心損耗計算、轉矩脈動、噪聲、優(yōu)化設計等理論 SR電機的控制策略研究：電機的控制策略研究： 最優(yōu)控制，減小轉矩脈動、降低噪聲最優(yōu)控制，減小轉矩脈動、降低噪聲 具有較

9、高動態(tài)性能、算法簡單、可抑制參數(shù)變化、擾動及具有較高動態(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各種不確定性干擾的新型控制策略 智能控制策略智能控制策略 SR電機的無位置傳感器控制電機的無位置傳感器控制 SR電機的振動、噪聲研究電機的振動、噪聲研究 無軸承無軸承SR電機研究（磁懸?。╇姍C研究（磁懸?。?SR電機應用研究：電動車、發(fā)電機、一體化電機等電機應用研究：電動車、發(fā)電機、一體化電機等不計磁滯、渦流及繞組間互感時，不計磁滯、渦流及繞組間互感時，m相相SR電電機系統(tǒng)示意圖機系統(tǒng)示意圖 J轉子與負載的轉動慣量轉子與負載的轉動慣量 D粘性摩擦系數(shù)粘性摩擦系數(shù) TL負載

10、轉矩負載轉矩 Te K J TL R1 d 1/dtt1 u1 + - . . . Rm d m/dt um + - 耦合磁場耦合磁場 i1 im 第第k相繞組的相電壓平衡方程相繞組的相電壓平衡方程:所以：所以：電阻壓降電阻壓降kkkkk kkkkkk kkkkkdidUR iidtdtLdiL dR iLiiidtdtqqqq Y Y=+抖驏抖琪=+琪抖桫22eLddTJDTdtdtqq=+0( ,)iWcidiq=YY-Y-i( , )ceWiTqq=2 /0( , )2rNravemNTT idpqqp= 不計磁路飽和，假定繞組電感與電流無關，不計磁路飽和，假定繞組電感與電流無關，此時電

11、感只與轉子位置有關此時電感只與轉子位置有關 1 0 2 3 0 4 5 SR電機相電感隨轉子位置變化電機相電感隨轉子位置變化stator = 1位置位置rotor轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 1stator =0o位置位置rotor定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合 =0ostator = 2位置位置rotor轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置 2stator = 3位置位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置rotor 3stator = 4位置位置rotor轉

12、子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置 4stator = 5位置位置rotor轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 5 1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合 1( 5) 轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 2 轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置 3 轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置 4 轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置SR電機繞組電感的分

13、段線性解析式：電機繞組電感的分段線性解析式：min122min23max34max445()( )()LKLLLLKqqqqqqqqqqqqqqqqq-+= -K=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (Lmax-Lmin)/sLmin為定子磁極軸線對轉子凹槽中心時的電感為定子磁極軸線對轉子凹槽中心時的電感, Lmax定子磁極軸線對轉子磁極軸線的電感定子磁極軸線對轉子磁極軸線的電感 。相電流解析分析相電流解析分析ku0,sonoffsoffzonzUUqqqqqqqqqq+=-忽略電阻，相繞組電壓方程：忽略電阻，相繞組電壓方程：而：而： =L iSdUdtY=didLdidLUsLiLidtd

14、tdtdq =+=+W相電流解析分析相電流解析分析同時可以同時可以導出：導出：22233424500000TTKiTKiqqqqqqqqq= -KT為常數(shù)為常數(shù)sdidLULidtdq =+WsUdidLLiddqq=+WminsUdiLdq=Wmin( )sonUiLq qq-=Wmin2()sUCLKiqq q+=+-Wmin2min2min2()()()()sUdidLdiLiLKiKddddidiLKKiKdddid K iLKddq qqqqqqqqqqqq=+=+-+W=-+=-+min2()( )()sonUiLKqqqqq-=W+-min2(2)( )()soffonUiLKq

15、qqqqq-=W+-max(2)( )soffonUiLqqqq-=Wmax4(2)( )()soffonUiLKqqqqqq-=W-12min2min23min234max45max4()()(2)( )()(2)(2)()sonsonoffsoffonoffsoffonsoffonULULKUiLKULULKqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqq-W-W+-=W+-W- W-開通角開通角關關斷斷角角 on 2 :電感上升，使繞組電感上升，使繞組電流下降電流下降 off 3 : 在電感達最大之前，繞組在電感達最大之前，繞組關斷，繞組續(xù)流。關斷，繞組續(xù)流。 3

16、z 4 (zz=2=2offoff- -onon) ) 在電感下降之前，續(xù)流結在電感下降之前，續(xù)流結束。否則會產(chǎn)生反向轉矩束。否則會產(chǎn)生反向轉矩典型電流波形典型電流波形結構一定，在結構一定，在onon和和offoff不變時，不變時，繞組電流隨外加電壓的增大而增大，隨轉速繞組電流隨外加電壓的增大而增大，隨轉速的升高而減??；通過調整開關角和關斷角也的升高而減小；通過調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可以影響繞組電流，從而就間接地使電動機的電磁轉矩增大。的電磁轉矩增大。 ：外加電源電壓外加電源電壓UsUs、角、角速度速度r r、開通角、開通角onon、關斷角、關斷角offof

17、f、最大電、最大電感感Lmaxmax、最小電感、最小電感Lminmin、定子極弧、定子極弧s s等。等。 線性模型忽略了許多因素，計算結果誤差很線性模型忽略了許多因素，計算結果誤差很大，只能定性地說明影響電流、轉矩的因素。大，只能定性地說明影響電流、轉矩的因素。為避免繁瑣計算，又近似考慮磁路的飽和效應，常為避免繁瑣計算，又近似考慮磁路的飽和效應，常借助準線性模型：將實際非線性磁化曲線分段線性，借助準線性模型：將實際非線性磁化曲線分段線性，且不考慮磁耦合且不考慮磁耦合一段為飽和段，視為與一段為飽和段，視為與 =0的位置的的位置的磁化曲線平行磁化曲線平行,斜率為斜率為Lmin；一段為非飽和段，為；一段為非飽和段，為L( ,i)的的 不飽和段。不飽和段。準線性模型分析準線性模型分析實際磁化曲線實際磁化曲線分段線性磁化曲線分段線性磁化曲線i1準線性模型繞阻電感準線性模型繞阻電感L(i, ): 基于準線性模型，基于準線性模型，L(i, )是可解析的，可是可解析的，可以分別求出繞阻磁鏈與磁共能的分段解析式，以分別求出繞阻磁鏈與磁共能的分段解析式，由此得到由此得到SR電機的瞬時轉矩的分段解析式：電機的瞬時轉矩的分