開關(guān)磁阻電機(jī)課件20116整理

電機(jī)可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)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。在第一類電機(jī)中，運(yùn)動(dòng)是定、轉(zhuǎn)子兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。這種相互作用產(chǎn)生使兩個(gè)磁場(chǎng)趨于同向的電磁轉(zhuǎn)矩，這類似于兩個(gè)磁鐵的同極性相排斥、異極性相吸引的現(xiàn)象。目前大部分電機(jī)都是遵循這一原理，例如一般的直流電機(jī)和交流電機(jī)。第二類的電機(jī)，運(yùn)動(dòng)是由定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的。當(dāng)定子繞組通電時(shí)，產(chǎn)坐一個(gè)單相磁場(chǎng)，其分鈾要遵循“磁阻最小原則”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線與定子磁極的軸線不重合時(shí)，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，這類似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物質(zhì)的現(xiàn)象。開關(guān)磁阻電機(jī)就是屬于這一類型的電機(jī)。兩類不同機(jī)理的電動(dòng)機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)的最早文獻(xiàn)卻可追溯到1838年，英格蘭學(xué)者Davidson制造了一臺(tái)用以推動(dòng)蓄電池機(jī)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。70年代左右，英國(guó)Leeds大學(xué)步進(jìn)電機(jī)和磁阻電機(jī)研究小組首創(chuàng)了一臺(tái)現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機(jī)的雛形。1980年，Lawrenson及其同事在ICEM會(huì)議上，發(fā)表著名論文“開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)”，系統(tǒng)地介紹了他們的工作成果，闡述了SR電機(jī)的原理及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在國(guó)際上奠定了現(xiàn)代SR電機(jī)的地位，這也標(biāo)志著SRD正式得到國(guó)際認(rèn)證。從此，世界上大批學(xué)者投入到SR電機(jī)的研究領(lǐng)域。到日前為止，在SRD系統(tǒng)的開發(fā)研制方面，英國(guó)一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位。除英國(guó)外，美國(guó)、中國(guó)、加拿大、印度、韓國(guó)等國(guó)家也都開展了SRD系統(tǒng)的研究工作。通過(guò)20多年的研究和改進(jìn)，SRD的性能不斷提高，目前已能在數(shù)百瓦到數(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(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)展歷史2.1SRD傳動(dòng)系統(tǒng)2.1.1SRD傳動(dòng)系統(tǒng)的組成SR電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子實(shí)際結(jié)構(gòu)

工作機(jī)理開關(guān)磁阻電機(jī)的工作機(jī)理基于磁通總是沿磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原理。當(dāng)定、轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導(dǎo)不為最大時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì)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。當(dāng)向定子各相繞組中依次通入電流時(shí)，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(dòng)。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(huì)影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向的。一、開關(guān)磁阻電機(jī)（SwitchedReluctanceMotor)

1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)；2定子上空間相對(duì)的兩個(gè)極上的線圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相繞組3定子集中繞阻、繞組為單方向通電4轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組5最常見(jiàn)的組合為6/4極，8/6極或12/8極。2.1.2運(yùn)行原理：磁阻最小原理磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必定使自己的軸線與主磁場(chǎng)的軸線重合A-A’通電?

1-1‘與A-A’重合B-B’通電?

2-2‘與B-B’重合C-C’通電?

3-3‘與C-C’重合D-D’通電?

1-1‘與D-D’重合依次給A-B-C-D繞組通電，轉(zhuǎn)子逆勵(lì)磁順序方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)例：12/8極三相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)以不同的顏色表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱，藍(lán)色磁場(chǎng)最弱，綠色強(qiáng)當(dāng)某一相通電時(shí)，磁極極尖處磁場(chǎng)強(qiáng)轉(zhuǎn)速的計(jì)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)定子繞組輪流通電一次時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)子齒距。這樣定子需輪流通電Nr次轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過(guò)一周，故電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min)與相繞組電壓的開關(guān)頻率fph之間的關(guān)系為給定子相繞組供電的功率變換器輸出電流脈動(dòng)頻率則為

1、依次給A-B-C-A繞組通電，轉(zhuǎn)子逆勵(lì)磁順序方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。改變繞組導(dǎo)通順序，就可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向。2、通電一周期，轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)子極距tr=360/Nr3、步距角qb=tr/m=360/(mNr)4、轉(zhuǎn)矩方向與電流無(wú)關(guān),但轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)。5、需要根據(jù)定、轉(zhuǎn)子相對(duì)位置投入激勵(lì)。不能像普通異步電機(jī)一樣直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，需要與控制器一同使用。結(jié)論：2.1.3開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的相數(shù)與結(jié)構(gòu)

相數(shù)與級(jí)數(shù)關(guān)系1、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對(duì)稱，所以雙凸極的定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)應(yīng)為偶數(shù)。2、定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)不相等，但應(yīng)盡量接近。因?yàn)楫?dāng)定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)相近時(shí)，就可能加大定子相繞組電感隨轉(zhuǎn)角的平均變化率，這是提高電機(jī)出力的重要因素。SR電動(dòng)機(jī)常用的相數(shù)與極數(shù)組合

相數(shù)3456789定子極數(shù)681012141618轉(zhuǎn)子極數(shù)46810121416步進(jìn)角(度)3015964.283.212.5SR電機(jī)常用方案相數(shù)與轉(zhuǎn)矩、性能關(guān)系：相數(shù)越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小，但成本越高，故常用三相、四相，還有人在研究?jī)上?、單相SRM低于三相的SRM沒(méi)有自起動(dòng)能力2.2SR電機(jī)基本方程與性能分析不計(jì)磁滯、渦流及繞組間互感時(shí)，m相SR電機(jī)系統(tǒng)示意圖

J—轉(zhuǎn)子與負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)矩公式可知：開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小與電流平方成正比，因此轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無(wú)關(guān)，故可以采用單極性電流供電。轉(zhuǎn)矩與繞組電感對(duì)轉(zhuǎn)子位置角的變化率成正比，因此，只有當(dāng)繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置角而增大時(shí)，給繞組通電才能產(chǎn)生正向電動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電感隨轉(zhuǎn)子位置角而下降時(shí)，如繞組中仍有電流，則將產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。相繞組關(guān)斷后繞組電流不能突變?yōu)榱悖幸粋€(gè)延續(xù)過(guò)程。為防止繞組電流延續(xù)到負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)，必須在繞組電感開始下降之前提前關(guān)斷繞組。機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：式中Te——電磁轉(zhuǎn)矩；

J——系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

KΩ——摩擦系數(shù)；

TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2.2.2基于理想線性模型的SR電動(dòng)機(jī)分析

線性模型：不計(jì)磁路飽和，假定繞組電感與電流無(wú)關(guān)，此時(shí)電感只與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)1023045

SR電機(jī)相電感隨轉(zhuǎn)子位置變化=1位置轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置statorrotor1stator=0o位置rotor定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合=0ostator=2位置rotor轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置2stator=3位置轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置rotor3stator=4位置rotor轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置4stator=5位置rotor轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置5相電流解析分析第k相繞組模型續(xù)流結(jié)束角on<2:在電感上升前開通，迅速建立電流，以獲得足夠轉(zhuǎn)矩>2:電感上升，使繞組電流下降off<3:在電感達(dá)最大之前，繞組關(guān)斷，繞組續(xù)流。3<z<4(θz=2θoff-θon)在電感下降之前，續(xù)流結(jié)束。否則會(huì)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩典型電流波形不同開通角下電流波形特點(diǎn)：開通角越小，電流幅值越大，續(xù)流時(shí)間越長(zhǎng)。不同關(guān)斷角下電流波形1)on

是控制轉(zhuǎn)矩的重要參數(shù)：一定時(shí)，若開通角on較小，相電流直線上升時(shí)間較長(zhǎng)，從而增大電流，提高轉(zhuǎn)矩。2)在on一定時(shí)，增大off,平均轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。但導(dǎo)通角c=off-on有一個(gè)最佳值，超過(guò)此值，c增大，平均轉(zhuǎn)矩反而減小。討論：2.3SR電機(jī)的控制原理SR電機(jī)固有機(jī)械特性：F為以電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)(m，Nr，2，Lmax，Lmin)和控制參數(shù)(on,off)為變量的函數(shù)整理得：對(duì)一定電機(jī)，結(jié)構(gòu)參數(shù)一定。如Us、on

、off一定，則電機(jī)的固有機(jī)械特性為：

Tav=k/2P=k/

基本控制策略A.低速時(shí)的電流斬波控制（Currentchoppingcontrol-CCC)在電感很小時(shí)使繞組開通，電流快速上升。為防止電流過(guò)大而損壞電機(jī)，當(dāng)電流達(dá)到最大值Imax時(shí)，使繞組關(guān)斷，電流開始衰減，當(dāng)電流衰減咸至Imin時(shí)，繞組重新開通。在最大電感出現(xiàn)之前必須將繞組關(guān)斷，以免電流延續(xù)到負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)。B.高速時(shí)的角度位置控制（Angularpositioncontrol-APC)高速時(shí)，由于反電勢(shì)大，電流受到限制，上升較慢。當(dāng)?shù)竭_(dá)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(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)，繞組要在電感到達(dá)最大值之前關(guān)斷。速度越高，要關(guān)斷的越早。

SR電動(dòng)機(jī)的基本機(jī)械特性

SR電機(jī)的基速SR電機(jī)的固有機(jī)械特性類似與直流電機(jī)的串勵(lì)特性。對(duì)給定SR電機(jī)，在最高電壓Us和最大允許電流條件下，存在一個(gè)臨界角速度。即SR電機(jī)得到最大轉(zhuǎn)矩的最高角速度，稱為基速。2.4SRM功率變換器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(shí)接受控制器的控制。

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(yīng)能迅速?gòu)碾娫唇邮茈娔?，又能迅速向電源回饋能量。?duì)功率變換器主電路的要求

（1）較少數(shù)量的主開關(guān)元件；（2）可將全部電源電壓加給電動(dòng)機(jī)相繞組；（3）主開關(guān)器件的電壓額定值與電動(dòng)機(jī)接近；（4）具備迅速增加相繞組電流的能力；（5）可通過(guò)主開關(guān)器件調(diào)制，有效地控制相電流；（6）能將能量回饋給電源。2.4.1主電路常見(jiàn)形式1、雙開關(guān)型每相有兩只主開關(guān)和兩只續(xù)流二極管。當(dāng)兩只主開關(guān)VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源US

向電機(jī)相繞組供電；當(dāng)VT1和VT2同時(shí)關(guān)斷時(shí)，將電機(jī)的磁場(chǎng)儲(chǔ)能以電能形式迅速回饋電源，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相。。雙開關(guān)型電路特點(diǎn)：1）適用于任意相數(shù)SR電機(jī)2）相控獨(dú)立性：獨(dú)立3）相電壓=電源電壓4）器件數(shù)量多

三相SR電機(jī)常采用雙開關(guān)型主電路雙開關(guān)型主電路又稱為不對(duì)稱半橋型主電路2、H橋型

換相相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導(dǎo)通相繞組，引起中點(diǎn)電位的較大浮動(dòng)。它要求每一瞬間必須上、下各有一相導(dǎo)通。工作制：AB-BC-CD-DAH橋型電路的特點(diǎn)1）只適用于4的倍數(shù)相SR電機(jī)2）主開關(guān)數(shù)較少3）相控獨(dú)立性：不獨(dú)立4）相繞組電壓浮動(dòng)5）本電路特有的優(yōu)點(diǎn):可以實(shí)現(xiàn)零壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制性能。H橋型電路為4相SR電機(jī)最常用的主電路形式4相SR電機(jī)主電路工作方式4相8/6極SR電機(jī)主電路方式1：?jiǎn)喂軘夭ǚ绞?，需增加一個(gè)公共開關(guān)V0,PWM斬波由V0完成，V1-V4只負(fù)責(zé)換相.V0導(dǎo)通V0關(guān)斷AB兩相導(dǎo)通時(shí)工作情況方式2：四相斬波方式V1-V4不僅擔(dān)負(fù)換相任務(wù)，還要進(jìn)行PWM斬波兩導(dǎo)通相對(duì)應(yīng)的開關(guān)V1、V2同時(shí)開通或關(guān)斷主電路續(xù)流方式3：兩相斬波方式主電路同方式2，V1和V3進(jìn)行PWM斬波控制，工作情況較復(fù)雜斬波：V1關(guān)斷，續(xù)流換相：V2關(guān)斷，V1導(dǎo)通換相：V1關(guān)斷，V2導(dǎo)通

主電路設(shè)計(jì)實(shí)例

系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

額定功率：30kW；額定轉(zhuǎn)速：1500r/min；轉(zhuǎn)速范圍：50~2000r/min電源：三相交流380V/50Hz；雙向運(yùn)行，停車制動(dòng)；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：1.5190Nm；過(guò)載能力：120%。功率變換器主電路

器件的選用

IGBT模塊結(jié)構(gòu)圖

EXB841原理圖

IGBT驅(qū)動(dòng)電路

EXB841典型應(yīng)用電路

2.5SRM傳動(dòng)系統(tǒng)的反饋信號(hào)檢測(cè)2.5.1位置檢測(cè)與換相邏輯光電傳感器靜止部分運(yùn)動(dòng)部分紅外發(fā)光二極管、光敏三極管、輔助電路與SRM轉(zhuǎn)子同軸安裝的遮光盤、遮光盤有6個(gè)30o間隔的齒位置檢測(cè)位置信號(hào)檢測(cè)電路原理圖VG為光耦，R1、R2限流電阻，兩個(gè)非門對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行整形，以消除毛刺和上升沿、下降沿。光電耦合器件4相SR電機(jī)位置傳感器安裝示意圖定子上安裝兩個(gè)相距75o的光敏器件S、P,分別與定子極中心線成37.5o夾角。可輸出兩路相差15o、占空比為50%的方波信號(hào)將其組合為4種不同狀態(tài)，代表定子繞組4種不同參考位置位置1：0o導(dǎo)通相分析：令轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)為A、B兩相導(dǎo)通位置傳感器信號(hào)：S未遮，輸出高電平，持續(xù)15o。P被遮，輸出低電平，持續(xù)30o。位置2：轉(zhuǎn)過(guò)15o導(dǎo)通相分析：令轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)為B、C兩相導(dǎo)通位置傳感器信號(hào)：S被遮，輸出低電平，持續(xù)30o。P被遮，輸出低電平，持續(xù)15o。位置3：轉(zhuǎn)過(guò)30o導(dǎo)通相分析：令轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)為C、D兩相導(dǎo)通位置傳感器信號(hào)：S被遮，輸出低電平，持續(xù)15o。P未遮，輸出高電平，持續(xù)30o。位置4：轉(zhuǎn)過(guò)45o導(dǎo)通相分析：令轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)為D、A兩相導(dǎo)通位置傳感器信號(hào)：S未遮，輸出高電平，持續(xù)