开关磁阻电机课件整理

2.3 SR电机的控制原理
SR电机固有机械特性：
整理得： Us F/Tav
F为以电机结构参数(m，Nr， q2，Lmax，Lmin)和 控制参数(qon ,qoff)为变量的函数
对一定电机，结构参数一定。如Us、 qon 、qoff 一定，则电机的固有机械特性为：
Tav=k/ 2
P=k/
基本控制策略 A. 低速时的电流斩波控制（Current chopping control- CCC)
2.1 SRD传动系统 2.1.1 SRD传动系统的组成
电源
功率变换器
SR电动机
负载
控制信号
电流检测 位置检测 控制器
SR电动机定、转子实际结构
工作机理
❖ 开关磁阻电机的工作机理基于磁通总是沿磁导最大的路 径闭合的原理。
❖ 当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就 会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的 位置。
B
D'
2 定子上空间相对的两
VD1
1
3'
个极上的线圈串联或
并联构成一相绕组
Es
C2
2' C '
3 定子集中绕阻、绕组
VD2
3
1'
为单方向通电
D
B'
4 转子上无绕组
S2
A'
5 最常见的组合为6/4
极，8/6极或12/8极。
2.1.2 运行原理：磁阻最小原理
磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心 在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主 磁场的轴线重合
从此，世界上大批学者投入到SR电机的研究领域。
到日前为止，在SRD系统的开发研制方面，英国一直处于国际领先 地位。除英国外，美国、中国、加拿大、印度、韩国等国家也都开 展了SRD系统的研究工作。
通过20多年的研究和改进，SRD的性能不断提高，目前已能在数百 瓦到数百千瓦的功率范围内使其性能不低于其他形式的电机。
q = q1位置
转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置
stator rotor
q1
q=0o位置 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合
stator rotor
q=0o
q =q2位置 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置
stator rotor
q2
q = q3位置 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置
stator rotor
q1 q q2 q 2 q q off q off q q 3 q3 q q4 q4 q q5
典型电流波形
qon<q2 : 在电感上升前开通， 迅速建立电流，以获得足够
转矩
q>q2 :电感上升，使绕组电流下降
qoff<q3 : 在电感达最大之前，绕组 关断，绕组续流。
q3<qz<q4 (θz=2θoff-θon)
❖ 当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步 一步地沿着通电相序相反的方向转动。
❖ 如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相 电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。
一、开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor)
1. 结构特点
S1
A
1 定子和转子均为凸极 结构；
2. 转矩与绕组电感对转子位置角的变化率成正比，因此， 只有当绕组电感随转子位置角而增大时，给绕组通电才 能产生正向电动转矩。当电感随转子位置角而下降时， 如绕组中仍有电流，则将产生制动转矩。
3. 相绕组关断后绕组电流不能突变为零，有一个延续过程。 为防止绕组电流延续到负转矩区，必须在绕组电感开始 下降之前提前关断绕组。
在电感下降之前，续流结 束。否则会产生反向转矩
特点： 开通角越 小，电流 幅值越大， 续流时间 越长。
不同开通角下电流波形
不同关断角下电流波形
讨论：
1) qon 是控制转矩的重要参数：一定时，若 开通角qon较小，相电流直线上升时间较长，
从而增大电流，提高转矩。
2) 在qon一定时，增大qoff,平均转矩也相应增大。 但导通角qc= qoff- qon有一个最佳值，超过此值， qc 增大，平均转矩反而减小。
2
SR电机的基速
❖ SR电机的固有机械特性类似与直流电机 的串励特性。
❖ 对给定SR电机，在最高电压Us和最大允 许电流条件下，存在一个临界角速度。即 SR电机得到最大转矩的最高角速度，称
为基速。
2.4 SRM 功率变换器
❖ 功率变换器是直流电源和SRM的接口，起着 将电能分配到SRM绕组中的作用，同时接受 控制器的控制。
❖ 当某一相通电时，磁极 极定子齿数 Ns=2m，转子齿数为Nr。
当定子绕组轮流通电一次时，转子转过一个转子齿距。这 样定子需轮流通电 Nr次转子才转过一周，故电机转速 n(r/min)与相绕组电压的开关频率 fph之间的关系为
方式1：单管斩波方式，需增加一个公共开关
V0, PWM斩波由V0完成，V1-V4只负责换相.
V0导通
V0关断
AB两相导通时工作情况
方式2：四相斩波方式
V1-V4不仅担负换相任务，还要进行PWM斩波 两导通相对应的开关V1、V2同时开通或关断
双开关型电路特点：
1）适用于任意相数SR电机 2）相控独立性：独立 3）相电压=电源电压 4）器件数量多
三相SR电机常采用双开关型主电路
+ VD1
VT1 VD2
VT2 VD3
VT3
US
A
B
C
VT4 VD4 VT5 VD5 VT6 VD6 -
双开关型主电路又称为不对称半 桥型主电路
2、H桥型
换相相的磁能以电 能形式一部分回馈 电源，另一部分注 入导通相绕组，引 起中点电位的较大 浮动。它要求每一 瞬间必须上、下各 有一相导通。
❖ 由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因 此只需要单极性供电的功率变换器。功率 变换器应能迅速从电源接受电能，又能迅 速向电源回馈能量。
对功率变换器主电路的要求
（1）较少数量的主开关元件； （2）可将全部电源电压加给电动机相绕
组； （3）主开关器件的电压额定值与电动机
接近； （4）具备迅速增加相绕组电流的能力； （5）可通过主开关器件调制，有效地控
工作制：AB-BC-CD-DA
H桥型电路的特点
1）只适用于4的倍数相SR电机 2）主开关数较少 3）相控独立性：不独立 4）相绕组电压浮动 5）本电路特有的优点:可以实现零压续流， 提高系统的控制性能。
H桥型电路为4相SR电机最常 用的主电路形式
4相SR电机主电路工作方式 4相8/6极SR电机主电路
机械运动方程：
d2q dq
Te J dt2 K dt TL
式中Te——电磁转矩； J ——系统的转动惯量； KΩ——摩擦系数；
TL——负载转矩。
2.2.2基于理想线性模型的SR电动机分析
线性模型：不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关， 此时电感只与转子位置有关
SR电机相电感随转子位置变化
q1 0 q2 q3 q0 q4 q5
两类不同机理的电动机
电机可以根据转矩产生的机理粗略的分为两大类：一类是由电磁作用原 理产生转矩；另一类是由磁阻变化原理产生转矩。
在第一类电机中，运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。这种相互 作用产生使两个磁场趋于同向的电磁转矩，这类似于两个磁铁的同极性相排 斥、异极性相吸引的现象。目前大部分电机都是遵循这一原理，例如一般的 直流电机和交流电机。
A-A’ 通电 ⃗ 1-1‘ 与A-A’重合 B-B’ 通电 ⃗ 2-2‘ 与B-B’重合 C-C’ 通电 ⃗ 3-3‘ 与C-C’重合 D-D’ 通电 ⃗ 1-1‘ 与D-D’重合
依次给A-B-C-D绕组通电，转 子逆励磁顺序方向连续旋转
例：12/8 极三相开关磁阻电动机
❖ 以不同的颜色表示磁场 强弱，蓝色磁场最弱， 绿色强
2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。因 为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子 相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电机 出力的重要因素。
SR电动机常用的相数与极数组合
Ns Nr
2k m Ns 2k)
相数
SR电机常用方案 34567
89
定子极数 6 8 10 12 14 16 18
转子极数 4 6 8 10 12 14 16
步进角(度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5
相数与转矩、性能关系：
相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常 用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM
低于三相的SRM 没有自起动能力
2.2 SR电机基本方程与性能分析
+ R1 i1
u1
d1/dt
n 60 f ph Nr
f ph
N rn 60
给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率 则为
fD
mNr n 60
结 论：
1、依次给A-B-C-A绕组通电，转子逆励磁顺序方 向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机 的转向。
2、通电一周期，转过一个转子极距tr=360/Nr
3、步距角 qb=tr/m=360/(mNr)
q
q on
U s (q q on )
i (q
)
[ L m in
U s (2q
[ L m in
o ff
K
K
(q q 2 )] q on q )
(q q 2 )]
U s ( 2q off q on q )
Lmax
U s ( 2q off q on q )
[ L m a x K (q q 4 ) ]
第二类的电机，运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。当定子绕 组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循“磁阻最小原则”，即磁通总 要沿着磁阻最小的路径闭合。因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时， 便公有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位置。即两轴 线重合位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象。开关磁阻电机就是属于这 一类型的电机。
-
+
Rm t...1 im
um
dm/dt
-
K 耦合磁场 Te
J TL
不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相SR电 机系统示意图
J—转子与负载的转动惯量
TL—负载转矩
Te
1i2 2
dL dq
由转矩公式可知：
1. 开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，因此转矩 方向与电流方向无关，故可以采用单极性电流供电。
高速时，由于反电势大，电流 受到限制，上升较慢。当到达 最大值后，因电感的增加，电 流返而下降。
同样，为避免电流延续到负转 矩区，绕组要在电感到达最大 值之前关断。速度越高，要关 断的越早。
SR电动机的基本机械特性
T 恒转矩区 恒功率区 串励特性区 CCC 方 式 APC 方 式 qc 固 定
o
1
4、转矩方向与电流无关,但转矩存在脉动。
5、需要根据定、转子相对位置投入激励。不能像 普通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控 制器一同使用。
2.1.3 开关磁阻电动机的相数与结构
相数与级数关系
Ns 2k m Nr Ns 2k)
1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双 凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。
q3
q =q4位置 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置
stator rotor
q4
q =q5位置 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置
stator rotor
q5
相电流解析分析
第k相绕组模型
Us
qon q qoff
ukUs
qoff q qz
0
q qon,q qz 续流结束角
Us L m in
在电感很小时使绕组开通，电 流快速上升。为防止电流过大 而损坏电机，当电流达到最大 值Imax时，使绕组关断，电流 开始衰减，当电流衰减咸至 Imin时，绕组重新开通。
在最大电感出现之前必须将绕 组关断，以免电流延续到负转 矩区。
B. 高速时的角度位置控制（Angular position control-APC)
开关磁阻电机发展历史
开关磁阻电机的最早文献却可追溯到1838年，英格兰学者Davidson 制造了一台用以推动蓄电池机车的驱动系统。
70年代左右，英国Leeds大学步进电机和磁阻电机研究小组首创了 一台现代开关磁阻电机的雏形。
1980年，Lawrenson及其同事在ICEM会议上，发表著名论文“开 关磁阻调速电动机”，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了SR电 机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代SR电机的地位，这也标 志着SRD正式得到国际认证。
制相电流； （6）能将能量回馈给电源。
2.4.1 主电路常见形式
每相有两只主开关 1、双开关型
和两只续流二极管。
当两只主开关VT1
+
和VT2同时导通时，
电源US 向电机相
绕组供电 ；当VT1 U S
和VT2同时关断时，
将电机的磁场储能
以电能形式迅速回
VD1
VT1
VT2
VD2
馈电源，实现强迫 -
换相。 。