開關磁阻電機課件20116整理

1、 電機可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機理粗略的分為兩大類：一類是由電磁作用電機可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機理粗略的分為兩大類：一類是由電磁作用原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；另一類是由磁阻變化原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；另一類是由磁阻變化原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 在第一類電機中，在第一類電機中，運動是定、轉(zhuǎn)子兩個磁場相互作用的結(jié)果。運動是定、轉(zhuǎn)子兩個磁場相互作用的結(jié)果。這種相這種相互作用產(chǎn)生互作用產(chǎn)生使兩個磁場趨于同向使兩個磁場趨于同向的電磁轉(zhuǎn)矩，這的電磁轉(zhuǎn)矩，這類似于兩個磁鐵的同極性類似于兩個磁鐵的同極性相排斥、異極性相吸引的現(xiàn)象相排斥、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。目前大部分電機都是遵循這一原理，例如一般的直

2、流電機和交流電機。一般的直流電機和交流電機。 第二類的電機，第二類的電機，運動是由定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的。運動是由定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的。當定子當定子繞組通電時，產(chǎn)坐一個單相磁場，其分鈾要遵循繞組通電時，產(chǎn)坐一個單相磁場，其分鈾要遵循“磁阻最小原則磁阻最小原則”，即磁，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，便公有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使其趨向于磁阻最小的位重合時，便公有磁阻力作用在轉(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，這置。即兩軸線重合位置，這類似于

3、磁鐵吸引鐵質(zhì)物質(zhì)的現(xiàn)象類似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物質(zhì)的現(xiàn)象。開關磁阻電。開關磁阻電機就是屬于這一類型的電機。機就是屬于這一類型的電機。兩類不同機理的電動機兩類不同機理的電動機開關磁阻電機的最早文獻卻可追溯到開關磁阻電機的最早文獻卻可追溯到1838年，英格蘭學者年，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)。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。一臺現(xiàn)代開關磁阻電機的雛形。1980年，年，Lawrenson及其同事在及其同事在ICEM會議上

4、，發(fā)表著名論文會議上，發(fā)表著名論文“開開關磁阻調(diào)速電動機關磁阻調(diào)速電動機”，系統(tǒng)地介紹了他們的工作成果，闡述了，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，這電機的地位，這也標志著也標志著SRD正式得到國際認證。正式得到國際認證。從此，世界上大批學者投入到從此，世界上大批學者投入到SR電機的研究領域。電機的研究領域。到日前為止，在到日前為止，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、韓國等國家也都開地位。除英國外，美國

5、、中國、加拿大、印度、韓國等國家也都開展了展了SRD系統(tǒng)的研究工作。系統(tǒng)的研究工作。通過通過20多年的研究和改進，多年的研究和改進，SRD的性能不斷提高，目前已能的性能不斷提高，目前已能在數(shù)百在數(shù)百瓦到數(shù)百千瓦的功率范圍瓦到數(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。內(nèi)使其性能不低于其他形式的電機。開關磁阻電機發(fā)展歷史開關磁阻電機發(fā)展歷史 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 工作機理v開關磁阻電機的工作機理基于磁通總是沿磁導最大的路開關磁阻電機的工作機理基于磁通總是沿磁導最大的路徑閉合的原理。

6、徑閉合的原理。v當定、轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就當定、轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就會產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁導最大的會產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁導最大的位置。位置。v當向定子各相繞組中依次通入電流時，電機轉(zhuǎn)子將一步當向定子各相繞組中依次通入電流時，電機轉(zhuǎn)子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉(zhuǎn)動。一步地沿著通電相序相反的方向轉(zhuǎn)動。v如果改變定子各相的通電次序，電機將改變轉(zhuǎn)向。但相如果改變定子各相的通電次序，電機將改變轉(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。電流通流方向的改變是不會影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向的。一、開關磁阻電機（Switche

7、d Reluctance Motor) 1. 結(jié)構特點結(jié)構特點AABCDBCDEsS1S2VD1VD21231231 定子和轉(zhuǎn)子均為凸極定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構；結(jié)構；2 定子上空間相對的兩定子上空間相對的兩個極上的線圈串聯(lián)或個極上的線圈串聯(lián)或并聯(lián)構成一相繞組并聯(lián)構成一相繞組3 定子集中繞阻、繞組定子集中繞阻、繞組為單方向通電為單方向通電 4 轉(zhuǎn)子上無繞組轉(zhuǎn)子上無繞組5 最常見的組合為最常見的組合為6/4極，極，8/6極或極或12/8極。極。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，

8、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重合重合例：例：12/8 極三相開關磁阻電動機極三相開關磁阻電動機v以不同的顏色表示磁場強弱，藍色磁場最弱，綠色強v當某一相通電時，磁極極尖處磁場強轉(zhuǎn)速的計算設：設：定子繞組為定子繞組為m相，定子齒數(shù)相，定子齒數(shù) Ns=2m，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Nr。 當定子繞組輪流通電一次時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距。這當定子繞組輪流通電一次時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距。這樣定子需輪流通電樣定子需輪流通

9、電 Nr次轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過一周，故電機轉(zhuǎn)速次轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過一周，故電機轉(zhuǎn)速 n(r/min)與相繞組電壓的開關頻率與相繞組電壓的開關頻率 fph之間的關系為之間的關系為 給定子相繞組供電的功率變換器輸出電流脈動頻率給定子相繞組供電的功率變換器輸出電流脈動頻率 則為則為 60phrfnN60rphN nf60nmNfrD)22kNNkmNsrs1 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(zhuǎn)子齒槽數(shù)應為偶數(shù)。定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)應為偶數(shù)。2 2、定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)不相等，但應盡量接近。、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

10、時，就可能加大定因為當定子和轉(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。機出力的重要因素。)22kNNkmNsrs 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(zhuǎn)子極數(shù)轉(zhuǎn)子極數(shù) 4 6 8 10 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(zhuǎn)矩脈動越小，但成本越高，故常相數(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、單相用三相、四相，還有人在研究兩相、單相SR

11、M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(zhuǎn)子與負載的轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)子與負載的轉(zhuǎn)動慣量 TL負載轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)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 由轉(zhuǎn)矩公式可知：由轉(zhuǎn)矩公式可知：1.開關磁阻電機的轉(zhuǎn)矩大小與電流平方成正比，因此開關磁阻電機的轉(zhuǎn)矩大小與電流平方成正比，因此轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關，故可以采用單極性電流供電方向與電流方向無關，故可以采用單極性電流供電。2.轉(zhuǎn)矩與繞組電感對

12、轉(zhuǎn)子位置角的變化率成正比，因此，轉(zhuǎn)矩與繞組電感對轉(zhuǎn)子位置角的變化率成正比，因此，只有當繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置角而增大時，給繞組通電才只有當繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置角而增大時，給繞組通電才能產(chǎn)生正向電動轉(zhuǎn)矩。能產(chǎn)生正向電動轉(zhuǎn)矩。當電感隨轉(zhuǎn)子位置角而下降時，當電感隨轉(zhuǎn)子位置角而下降時，如繞組中仍有電流，則將產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。如繞組中仍有電流，則將產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。3.相繞組關斷后繞組電流不能突變?yōu)榱?，有一個延續(xù)過程。相繞組關斷后繞組電流不能突變?yōu)榱?，有一個延續(xù)過程。為防止繞組電流延續(xù)到負轉(zhuǎn)矩區(qū)，必須在繞組電感開始為防止繞組電流延續(xù)到負轉(zhuǎn)矩區(qū)，必須在繞組電感開始下降之前提前關斷繞組。下降之前提前關斷繞組。ddLiTe

13、22122eLddTJKTdtdt 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，此時電感只與轉(zhuǎn)子位置有關此時電感只與轉(zhuǎn)子位置有關 1 0 2 3 0 4 5 SR電機相電感隨轉(zhuǎn)子位置變化電機相電感隨轉(zhuǎn)子位置變化 = 1位置位置轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置statorrotor 1stator =0o位置位置rotor定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合 =0ostator = 2位置位置rotor轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置 2stator = 3位置位置轉(zhuǎn)子

14、磁極前沿與定子磁極前沿重合位置轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置 4stator = 5位置位置rotor轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 5相電流解析分析相電流解析分析zonzoffsoffonsUU,0uk12min2min23min234max45max4()()(2)()()(2)(2)()sonsonoffsoffonoffsoffonsoffonULULKUiLKULULK on 2 :電感上升，使繞組電感上升，使繞組電流下降電

15、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 z 4 (zz=2=2offoff- -onon) ) 在電感下降之前，續(xù)流結(jié)在電感下降之前，續(xù)流結(jié)束。否則會產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩束。否則會產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩典型電流波形典型電流波形1) on 是控制轉(zhuǎn)矩的重要參數(shù)：是控制轉(zhuǎn)矩的重要參數(shù)： 一定時，若一定時，若開通角開通角 on較小，相電流直線上升時間較長，較小，相電流直線上升時間較長，從而增大電流，提高轉(zhuǎn)矩從而增大電流，提高轉(zhuǎn)矩。2) 在在 on一定時，增大一定時，增大 off,平均轉(zhuǎn)矩也相應增大。平均轉(zhuǎn)矩也相應增大。但導通角但導通角 c= off-

16、on有一個最佳值，超過此值，有一個最佳值，超過此值， c 增大，平均轉(zhuǎn)矩反而減小。增大，平均轉(zhuǎn)矩反而減小。討論：討論：2.3 SR電機的控制原理電機的控制原理F為以電機結(jié)構參數(shù)為以電機結(jié)構參數(shù)(m，Nr， 2，Lmax，Lmin)和和控制參數(shù)控制參數(shù)( on , off)為變量的函數(shù)為變量的函數(shù)/sa vUFT 整理得：整理得：對一定電機，結(jié)構參數(shù)一定。如對一定電機，結(jié)構參數(shù)一定。如Us、 on 、 off一定，則一定，則電機的固有機械特性電機的固有機械特性為：為： Tav=k/ 2 P=k/ 基本控制策略A. 低速時的電流斬波控制（Current chopping control- CCC)

17、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（Angular position control-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。 恒轉(zhuǎn)矩區(qū)恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 恒功率區(qū)恒功率區(qū) 串勵特性區(qū)串勵特性區(qū) CCC 方式方式 APC 方式方式 1 2 c固定固定 o

18、T SR電機的基速電機的基速vSR電機的固有機械特性類似與直流電機電機的固有機械特性類似與直流電機的串勵特性。的串勵特性。v對給定對給定SR電機，在最高電壓電機，在最高電壓Us和最大允和最大允許電流條件下，存在一個臨界角速度。即許電流條件下，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，稱電機得到最大轉(zhuǎn)矩的最高角速度，稱為為。v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。 v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。（1）較少數(shù)量的主開關元件；）較少

19、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）可將全部電源電壓加給電動機相繞組；組；（3）主開關器件的電壓額定值與電動機）主開關器件的電壓額定值與電動機接近；接近；（4）具備迅速增加相繞組電流的能力；）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）可通過主開關器件調(diào)制，有效地控制相電流；制相電流；（6）能將能量回饋給電源。）能將能量回饋給電源。1、雙開關型、雙開關型每相有兩只主開關每相有兩只主開關和兩只續(xù)流二極管和兩只續(xù)流二極管。當兩只主開關當兩只主開關VTVT1 1和和VTVT2 2同時導通時，同時導通時，電源電源U US S 向電機相向電機相繞組供電繞組供電

20、 ；當當VTVT1 1和和VTVT2 2同時關斷時，同時關斷時，將電機的磁場儲能將電機的磁場儲能以電能形式迅速回以電能形式迅速回饋電源，實現(xiàn)強迫饋電源，實現(xiàn)強迫換相。換相。 。 + US - - VD1 VD2 VT1 VT2 雙開關型電路特點：雙開關型電路特點：1）適用于任意相數(shù)）適用于任意相數(shù)SR電機電機2 2）相控獨立性：獨立）相控獨立性：獨立3 3）相電壓）相電壓= =電源電壓電源電壓4 4）器件數(shù)量多）器件數(shù)量多 + US - - VD1 VD4 VT1 VT4 VD2 VD5 VT2 VT5 VD3 VD6 VT3 VT6 A B C 換相相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分

21、注入導通相繞組，引起中點電位的較大浮動。它要求每一它要求每一瞬間必須上、下各瞬間必須上、下各有一相導通。有一相導通。1）只適用于）只適用于4的倍數(shù)相的倍數(shù)相SR電機電機2）主開關數(shù)較少）主開關數(shù)較少3）相控獨立性：不獨立）相控獨立性：不獨立4）相繞組電壓浮動）相繞組電壓浮動可以實現(xiàn)零壓續(xù)流，可以實現(xiàn)零壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制性能。提高系統(tǒng)的控制性能。H橋型電路為橋型電路為4相相SR電機最常電機最常用的主電路形式用的主電路形式單管斬波方式，需增加一個公共開關單管斬波方式，需增加一個公共開關V0, PWM斬波由斬波由V0完成，完成，V1-V4只負責換相只負責換相.V0導通導通 V0關斷關斷AB兩相導通時工作情況兩相導通時工作情況主電路主電路續(xù)流續(xù)流斬波：V1關斷，續(xù)流換相：V2關斷，V1導通換相：V1關斷，V2導通 VT1 VT3 VD3 VD1 VD2 VD4 VT2 VT4 + + US - - + U0 A B C D C2 C1 J 電壓檢測電壓檢測 R1 R2 R3 380V VT RL 11 10 2 1 3 MID 3 1 2 8 9 MDI