開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(1,2章)

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的

調(diào)速控制理論與設(shè)計(jì)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)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)與運(yùn)行原理第一章開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成及發(fā)展

第2頁常見電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)（6/4極三相；8/6極四相）三相6/4SRM四相8/6SRM第3頁不同相數(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、控制電路簡單缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、不能在任意角度起動(dòng)，因起動(dòng)問題限制了其使用。單相開關(guān)磁阻電機(jī)第4頁兩相開關(guān)磁阻電機(jī)為克服起動(dòng)問題，與單相開關(guān)磁阻電機(jī)相比，增加了階梯式氣隙，結(jié)構(gòu)與控制電路相對(duì)比較簡單，但是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)還是比較大。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)制約，只能單向運(yùn)行。第5頁三相和四相開關(guān)磁阻電機(jī)三相開關(guān)磁阻電機(jī)四相開關(guān)磁阻電機(jī)第6頁電機(jī)的運(yùn)行原理：從簡單的物理意義上看，由于電磁引力的存在，電機(jī)轉(zhuǎn)子總是企圖向磁阻最小的方向運(yùn)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(chǎng)能量：第7頁磁能與磁共能由電磁基本理論，其電磁轉(zhuǎn)矩：或磁共能：對(duì)于某點(diǎn)：第8頁電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相電感隨位置角度的變化情況如下：設(shè)磁阻最大處產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩或制動(dòng)轉(zhuǎn)矩第9頁相繞組電感曲線T=0

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(jī)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(jī)：1、步進(jìn)電機(jī)，雙凸極磁阻電機(jī)；2、反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)。反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)的原理第11頁3、無換向器直流電動(dòng)機(jī)。無換向器直流電動(dòng)機(jī)的原理第12頁第二節(jié)開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)（SRD）

的系統(tǒng)組成SRD基本框圖第13頁第三節(jié)功率變換器1、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主電路第15頁4、雙繞組式雙繞組式主電路5、電容轉(zhuǎn)儲(chǔ)式電容轉(zhuǎn)儲(chǔ)式主電路（一相）第16頁6、公共開關(guān)式三相公共開關(guān)式主電路第17頁第四節(jié)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器1、SRM步距角的概念轉(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(gè)齒距。對(duì)于6/4極三相SRM三相三拍運(yùn)行時(shí)：8/6極四相SRM四相四拍運(yùn)行時(shí)：第18頁（一相繞組完成一次導(dǎo)通的效果）2、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法四相８/６SRM轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)四相８/６SRM轉(zhuǎn)子基本位置信號(hào)第19頁三相6/4SRM轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)三相6/4SRM轉(zhuǎn)子基本位置信號(hào)第20頁三相6/4SRM兩個(gè)傳感器的位置檢測(cè)三相6/4SRM兩個(gè)傳感器轉(zhuǎn)子基本位置信號(hào)第21頁第五節(jié)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的主要特征與發(fā)展情況１、優(yōu)點(diǎn)：體積比較??；結(jié)構(gòu)簡單；運(yùn)行效率高；調(diào)速范圍寬；低速啟動(dòng)力矩大；可實(shí)行超高速運(yùn)行。（其他電機(jī)的類似情況：交流異步電動(dòng)機(jī)；直流電動(dòng)機(jī)）２、缺點(diǎn)：低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大；噪聲大；位置傳感器增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和故障率。３、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(dòng)態(tài)；無位置傳感器的運(yùn)行研究；［非勵(lì)磁相檢測(cè)法；勵(lì)磁相檢測(cè)法；基于電機(jī)模型的狀態(tài)估計(jì)法］b.降低力矩脈動(dòng)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(jì)的研究；（電動(dòng)機(jī)、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(jī)的數(shù)學(xué)模型及調(diào)速理論模型：表達(dá)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(jī)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，其模型的分析方法可分為：1、電感參數(shù)法：（將磁鏈用電感與電流的乘積表示） 如：第24頁2、非線性磁參數(shù)法：（將磁化曲線反演成）3、混合模型方法：（電機(jī)磁場(chǎng)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

4、關(guān)于、、的狀態(tài)方程

第26頁

分別為SRM第n相的磁通鏈、相電壓、相電流、相電阻和相倒電感。和J分別為SRM角頻率、位置角度、阻尼摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。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(zhǔn)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：“+”對(duì)應(yīng)開關(guān)閉合；“-”對(duì)應(yīng)于開關(guān)斷開。即：（電壓平衡方程）電源電壓自感壓降電阻壓降旋轉(zhuǎn)電勢(shì)壓降1、電流計(jì)算：第29頁分段求解：（1）第30頁其中：兩邊對(duì)t積分，可得：第31頁t2為主開關(guān)斷，續(xù)流開始階段近似可得第32頁續(xù)流階段，且相電流不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，磁場(chǎng)儲(chǔ)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。

續(xù)流階段，且產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)。其中：第33頁2、轉(zhuǎn)矩計(jì)算：瞬時(shí)相電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。（電感不受電流大小的影響）平均電磁轉(zhuǎn)矩：第34頁第二節(jié)準(zhǔn)線性模型分析準(zhǔn)線性模型分析是將電機(jī)的磁特性曲線分段線性化。1、電機(jī)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b)磁能關(guān)系圖在換向點(diǎn)C前，電機(jī)的相繞組接受電流供能。其磁能為：而在換向點(diǎn)C后的續(xù)流階段，電機(jī)繞組向電流回饋電能:則每相電流在一個(gè)工作周期內(nèi)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的有效電磁能量W2：第36頁而其中而又第37頁第38頁故m相電機(jī)的輸出平均功率：而電機(jī)的電磁能轉(zhuǎn)矩平均值為：第39頁從以上分析可得：1）對(duì)開通角

最敏感。2）對(duì)關(guān)斷角的敏感度較弱。3）當(dāng)V固定，，平均電磁轉(zhuǎn)矩變化使其轉(zhuǎn)速變化，故由機(jī)械特性變軟。

第40頁4）由式可得：其中F為電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，m、θr、θ1、Lmax、Lmin及控制參數(shù)θon、θoff的函數(shù)，表明SRM的固有機(jī)械特性與串勵(lì)直流電及相仿。由準(zhǔn)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；c.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）第41頁6）能量效率

線性時(shí)磁能利用率小于50%，在磁通飽和時(shí)可大于50%。第42頁第三節(jié)SRM調(diào)速控制的基本策略1．SRM可實(shí)現(xiàn)的基本運(yùn)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(jī)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(jìn)入串勵(lì)區(qū)的轉(zhuǎn)速。2．基本的控制方法1)起動(dòng)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）3)中高速區(qū)（）時(shí)的控制，采用固定θoff

調(diào)節(jié)θon

的角度位置控制（APC)。（這時(shí)電流可不做任何控制）第45頁4)固定導(dǎo)通角的調(diào)壓調(diào)速控制（固定θon、θoff調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入電壓）5)變導(dǎo)通角的調(diào)壓調(diào)速控制（變?chǔ)?/p>