開關(guān)磁阻電動機(1,2章)

1、開關(guān)磁阻電動機的調(diào)速控制理論與設(shè)計江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院第1頁第一章第二章 第一節(jié)第一節(jié) 開關(guān)磁阻電動機與運行原理開關(guān)磁阻電動機與運行原理第一章 開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)的組成及發(fā)展第2頁常見電機的典型結(jié)構(gòu)常見電機的典型結(jié)構(gòu) （6/4 極極 三相；三相； 8/6極極 四相）四相）三相6/4 SRM四相8/6 SRM第3頁不同相數(shù)的開關(guān)磁阻電機優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、控制電路簡單缺點：轉(zhuǎn)矩脈動大、不能在任意角度起動，因起動問題限制了其使用。單相開關(guān)磁阻電機第4頁兩相開關(guān)磁阻電機為克服起動問題，與單相開關(guān)磁阻電機相比，增加了階梯式氣隙，結(jié)構(gòu)與控制電路相對比較簡單，但是轉(zhuǎn)矩脈動還是比較大。由于機械結(jié)構(gòu)制約

2、，只能單向運行。第5頁三相和四相開關(guān)磁阻電機三相開關(guān)磁阻電機四相開關(guān)磁阻電機第6頁電機的運行原理：電機的運行原理：從簡單的物理意義上看，由于電磁引力的存在，電機轉(zhuǎn)子總是企圖向磁阻最小的方向運行。從電磁轉(zhuǎn)矩上分析，某一磁極的磁通與電流的關(guān)系如右圖所示。其關(guān)系曲線隨位置變化而變化。由于電流i建立的磁場能量：iidWmag0第7頁磁能與磁共能A0iAi12magWmagW由電磁基本理論，其電磁轉(zhuǎn)矩：cmagemWT或磁共能：對于某點：第8頁magAAiWidiWA0cimagemWTAAAiL221LiWWmagmagLiTem221電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，相電感隨位置角度的變化情況如下：設(shè)磁阻最大處 產(chǎn)生

3、電動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩第9頁相繞組電感曲線0:;0m0Lm或0T=0;Tm0LL()LmaxLmin0mr控制相繞組在不同位置下通電，就能獲得不同大小和不同方向的轉(zhuǎn)矩。其他一些類型的SRM外轉(zhuǎn)子單相開關(guān)磁阻電機第10頁三相6/8結(jié)構(gòu)截面圖三相12/10結(jié)構(gòu)截面圖abc根據(jù)電磁原理的主要特征與此相類同的電機：1、步進電機，雙凸極磁阻電機、步進電機，雙凸極磁阻電機；2、反應(yīng)式同步電動機、反應(yīng)式同步電動機。反應(yīng)式同步電動機的原理第11頁3、無換向器直流電動機。、無換向器直流電動機。無換向器直流電動機的原理第12頁第二節(jié)第二節(jié) 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機（開關(guān)磁阻調(diào)速電動機（SRDSRD）的系統(tǒng)組成的系

4、統(tǒng)組成SRD基本框圖 第13頁第三節(jié)第三節(jié) 功率變換器功率變換器1、雙開關(guān)式功率變換器主電路、雙開關(guān)式功率變換器主電路三相雙開關(guān)式功率變換器主電路第14頁2、電容分壓式、電容分壓式四相電容分壓式功率變換器主電路3、電感換相式、電感換相式電感換相式主電路第15頁4、雙繞組式、雙繞組式雙繞組式主電路5、電容轉(zhuǎn)儲式、電容轉(zhuǎn)儲式電容轉(zhuǎn)儲式主電路（一相）第16頁VLCSUVD1VD+1C1SdU6、公共開關(guān)式、公共開關(guān)式三相公共開關(guān)式主電路 第17頁第四節(jié)第四節(jié) 轉(zhuǎn)子位置檢測器轉(zhuǎn)子位置檢測器1、SRM步距角步距角的概念的概念轉(zhuǎn)子齒數(shù)：定子相數(shù)：轉(zhuǎn)子齒距角：定子步距角：各相都導(dǎo)通一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1個齒距。對

5、于6/4極三相 SRM 三相三拍運行時： 8/6極 四相SRM 四相四拍運行時： 第18頁prZmrrZ360rrPmZm360（一相繞組完成一次導(dǎo)通的效果）30P15P2、轉(zhuǎn)子位置檢測方法、轉(zhuǎn)子位置檢測方法四相/ SRM轉(zhuǎn)子位置檢測四相/ SRM轉(zhuǎn)子基本位置信號第19頁三相6/4 SRM轉(zhuǎn)子位置檢測三相6/4 SRM轉(zhuǎn)子基本位置信號第20頁三相6/4 SRM兩個傳感器的位置檢測三相6/4 SRM兩個傳感器轉(zhuǎn)子基本位置信號第21頁第五節(jié)開關(guān)磁阻電動機的主要特征與發(fā)展情況、優(yōu)點：體積比較??；結(jié)構(gòu)簡單；運行效率高；調(diào)速范圍寬；低速啟動力矩大；可實行超高速運行。（其他電機的類似情況：交流異步電動機；

6、直流電動機）、缺點：低速轉(zhuǎn)矩脈動大；噪聲大；位置傳感器增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和故障率。、發(fā)展情況和主要研究方向：工程應(yīng)用發(fā)展；第22頁第23頁研究情況的關(guān)鍵技術(shù)與動態(tài)；無位置傳感器的運行研究；非勵磁相檢測法；勵磁相檢測法；基于電機模型的狀態(tài)估計法b.降低力矩脈動和噪聲的研究；c.SRD調(diào)速控制性能的研究；d.優(yōu)化設(shè)計的研究；（電動機、功率變換器與控制器）e.系統(tǒng)可靠性和高速化的研究。第一章結(jié)束第二章 開關(guān)磁阻電機的數(shù)學(xué)模型及調(diào)速理論模型：表達相關(guān)狀態(tài)變量的數(shù)學(xué)關(guān)系式SRM狀態(tài)變量為：電流 i 、磁通鏈 、轉(zhuǎn)子位置 ；關(guān)鍵性的變量為 i，在電機結(jié)構(gòu)確定之后，轉(zhuǎn)矩主要決定于電流 i。按變量參數(shù)種類來分類

7、，其模型的分析方法可分為：1、電感參數(shù)法、電感參數(shù)法：（將磁鏈用電感與電流的乘積表示 ） 如：第24頁dtdLidtdiLridtLidridtdriu)(2、非線性磁參數(shù)法、非線性磁參數(shù)法： （將磁化曲線 反演成 ）3、混合模型方法、混合模型方法： （電機磁場的泊松方程和繞組電壓方程聯(lián)系） （ J0為電流密度，A為矢量磁位）第25頁),(i),(i)(),(1dtdriuriudd0JyAuyxAuxdtdriuZZ 4、關(guān)于、關(guān)于 、 、 的狀態(tài)方程的狀態(tài)方程 第26頁idtdddHJJFdtduHRdtdNjnnnnnnn1221)(nnnHi)(nnnnnHRiu、 分別為SRM第n相

8、的磁通鏈、相電壓、相電流、相電阻和相倒電感相倒電感。 和 J 分別為SRM角頻率、位置角度、阻尼摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量。F、第27頁按模型的磁化曲線線性程度可分為：1、線性模型分析法2、準線性模型分析法3、非線性模型分析法第28頁第一節(jié) SRM線性分析根據(jù)電壓平衡方程：iRdtdLiiRdtduiRdtdiLidtdiLiRdtdLidtdiL“+”對應(yīng)開關(guān)閉合； “-”對應(yīng)于開關(guān)斷開。LiiRdtdiLur即：（電壓平衡方程）電源電壓自感壓降電阻壓降旋轉(zhuǎn)電勢壓降1、電流計算、電流計算：第29頁10tt )(內(nèi)的近似tdtdiLu分段求解：（1）tLuimin)0()2(21Rttt第30頁iLd

9、tdiLLiLdtdiLurr1miniLdtdiLdtdiLLronon1min itdtdLdtdiLrhonhLL1min其中：兩邊對t積分，可得：hrLu tL iittLLutirh第31頁tLLutirhmax2udtd()maxronoffu32)3(tttt2為主開關(guān)斷，續(xù)流開始階段0L近似可得第32頁43)4(ttt續(xù)流階段，且0L相電流不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，磁場儲能全部饋回電流。相電流在外界反電壓作用下近似線性下降。maxmax2Luti 0LtLLutirBmax2onBLLL3max續(xù)流階段，且產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，進入再生制動狀態(tài)。其中：4)5(tt 第33頁2、轉(zhuǎn)矩計算、轉(zhuǎn)矩計算

10、： 瞬時相電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。LiTem221（電感不受電流大小的影響）平均電磁轉(zhuǎn)矩：TavdtLiTmT02211第34頁第二節(jié) 準線性模型分析準線性模型分析是將電機的磁特性曲線分段線性化。1、電機的飽和磁特性及分段線性化、電機的飽和磁特性及分段線性化第35頁a) 電流與電感特性曲線電流與電感特性曲線b) 磁能關(guān)系圖磁能關(guān)系圖在換向點C前，電機的相繞組接受電流供能。其磁能為：1OACFOWS而在換向點C后的續(xù)流階段，電機繞組向電流回饋電能:3O E C F OWS則每相電流在一個工作周期 內(nèi)轉(zhuǎn)換為機械能的有效電磁能量W2：)(rrT213OACFOOECFOOACEOWWWSSSmaxoff

11、onoffonrrVODdVmin1LVironP2min121PronoffpiLViW第36頁而3OECFOCFSSEOWSSS其中2min12CFSOAPPSSLi12C F SscSi而PsiLABminmax又ccsiLiLminmaxminmaxLLisc第37頁第38頁312WWWminmax2minmax2minmax21LLiLiLiPPPminmax1min112221LLLVoffonoffr故m相電機的輸出平均功率：minmax1min11222221)(LLLTVmTWmPoffonoffrav而電機的電磁能轉(zhuǎn)矩平均值為：211122minmaxmin12offoff

12、onavrrrWVTmmLLL第39頁從以上分析可得：1）對開通角 最敏感 。on)(min1Lon2）對關(guān)斷角 的敏感度較弱。off3）當V固定， ，平均電磁轉(zhuǎn)矩變化使其轉(zhuǎn)速2ncTav變化，故由機械特性變軟。 第40頁avTTFur/4）由式 可得： 其中F為電機結(jié)構(gòu)參數(shù)，m、r、1、Lmax、Lmin及控制參數(shù)on、off的函數(shù) ，表明SRM的固有機械特性與串勵直流電及相仿。由準線性的分析過程可得5）提高有效能量的方法。（增加W2）a.加大電流ip,使 線左移；b.加大磁鏈幅值使 線上移；BCABc.加大最大電感，使 線左轉(zhuǎn)；d.減小最小電感，使 線右轉(zhuǎn)。（效果不太明顯）OCOA第41頁

13、6）能量效率 線性時磁能利用率小于50%，在磁通飽和時可大于50%。12WWKe第42頁第三節(jié) SRM調(diào)速控制的基本策略 1 1SRMSRM可實現(xiàn)的基本運行特性可實現(xiàn)的基本運行特性三種控制方式下的電流波形第44頁 第一臨界轉(zhuǎn)速（稱為基速）：在允許最高電源電壓作用和允許最大磁鏈與最大電流條件下的臨界轉(zhuǎn)速：即電機能得到最大轉(zhuǎn)矩的最高速度。 第二臨界轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的平方下降的臨界速度，即為開始進入串勵區(qū)的轉(zhuǎn)速。2 2基本的控制方法基本的控制方法1)起動控制方法：一相電流斬波控制；二相電流斬波控制；2)低速區(qū)（ ）的控制；采用上下限幅的斬波控制（CCC）b3)中高速區(qū)（ ）時的控制，采用固定off 調(diào)節(jié)on 的角度位置控制（APC)。（這時電流可不做任何控制）b第45頁4)固定導(dǎo)通角的調(diào)壓調(diào)速控制（固定on、of