()开关磁阻电动机的换相基本理论与实践

第28卷第4期1996年8月南　京　航　空　航　天　大　学　学　报Jo ur nal o f Nanjing Univ ersity o f Aeronautics&Astro nauticsV o l.28N o.4　Aug.1996开关磁阻电动机的换相基本理论与实践陈　昊　樊小明　朱学忠(南京航空航天大学自动控制系　南京,210016)摘要　介绍了开关磁阻电动机的换相原理,提出了衡量其换相性能的指标,并与其它类型电动机的换相机理做了对比。

根据对常规四相8/6结构方案、三相6/4结构PW M方案和四相五管制调压调速方案的实践,分析了影响其换相性能的主要控制参数和运行参数,表明关断角θ2是影响换相性能的主要控制参数,并以最大电磁功率为准则,给出了四相8/6结构和三相6/4结构的θ2优选范围,且其低速、轻载运行时,比高速、重载运行时的换相性能要好。

关键词:功率变换器;磁阻;开关磁阻电动机;开关电路;调速电动机;电机控制中图分类号:TM301.2引 言开关磁阻调速电动机(简称SRD)的各相绕组要保持有一定相序和通断时刻的相电流,需要由输出周期性脉冲电流的变换器来实现。

由于电机(SRM)转子是反应式结构,故只需单极性供电。

单极性输出的变换器的相电流没有自然过零点,因此必须适时关断主开关强迫换相,同时还要优化控制参数,防止电机换相续流时间过长而形成的制动转矩,影响系统的效率与出力[1,2]。

1　换相机理1.1　换相原理 m相SRD的相电感L(θ)以转子齿距角θr=2π/Z r(1)为周期而变化(见图1),其中,Z r为转子齿极数,且各相之间依次相差T p=θr/m(2)航空科学基金资助项目。

收稿日期:1995-10-16;修改稿收到日期:1996-01-09第一作者　陈　昊　男,博士后,1969年6月生。

通过控制功率变换器各相主开关分别在各自θ=θ1(开通角)时刻触发导通,在θ=θ2(关断角)时刻关断,在θ=θ3(换相角)时刻完成续流换相,即θ1≤θ<θ2区域,电源U s对相绕组供电;θ2≤θ≤θ3区域,换相电压U c反加于相绕组两端,强迫其换相,忽略相间互感,有电压方程U AU BU m=R A+j Ai AD0 0R B+j Bi B D00…　0R m+j mi mDi Ai Bi m+K θj A0j B0j m(3)图1　相电感及相电流示意图其中D表示时间微商记号,即Di=d id t;第k相磁链和电阻分别是j k,R k;电机运行角速度为K=dθ/d t;且供电阶段U k=U s,(k=A,B,…,m)。

一般,由于换相电压U c反向施于相绕组,强迫相电流衰减,实现换相,则换相时,有电压方程-U c=R k i k+j ki kd i kd t+Kj kθ(4) 从能量角度看,换相时,就要强迫释放电机磁场储能。

忽略铁心损耗及互感影响,以一相通电为例,根据能量守恒定律,有-d W m=R k i2k d t+U c i k d t+T em K d t(5)即d t时间内磁场释放的磁能(-d W m),一部分消耗在电阻R k上(定子铜耗,右边第一项),一部分转化为电能回馈给电源(或电容)(右边第二项),尚有一部分转化为有用机械能(右边第三项)。

而电磁转矩T em=-W mθj=c(6)若在θm～θr区域内有续流电流存在时,T em<0,电机进入再生运行阶段。

SRD就是通过对相绕组施加换相电压,强迫释放电机磁场储能,让换相的相电流迅速衰竭,从而减少制动转矩分量,实现有效换相,使系统得到充分利用。

1.2　换相性能指标(a)换相裕度V　SRD换相的相电流必须在一个θr内截止,这样,下一个周期到来时,主开关可实现零电流开通,开关应力小。

换相裕度定义为V=1-(θ3-θ1)/θr(7)它反映了确保实现零电流开通的角度余量。

(b)制动转矩相对值T*b　在0～θm区域,相电流产生电动转矩;在θm～θr区域,相电流产生制动转矩。

两者在一个θr内的平均值分别是T p和T b,则平均输出转矩为T av=T p-T b(8)493第4期陈　昊等:开关磁阻电动机的换相基本理论与实践则制动转矩相对值定义为T *b =T b /T av(9)它表示了SRD 的实际利用程度。

换相快,续流时间短,则负转矩小。

理想情况下,T *b 的最小值为0。

此外,SRD 的输出功率P 2和效率Z 也可以与V ,T *b 一起用来衡量其换相性能。

1.3　不同类型电机的比较SRD 可以说是带有位置闭环控制大步距角步进电动机的延拓。

一般步进电动机作为信息传输,实现角位移精密传动。

作为功率型电气传动装置,SRD 要突出转速控制和实现高效率运行,因此,对换相性能的要求远高于步进电动机。

反应式同步电动机也是利用无励磁转子的凸极效应传递功率的,但它的定子与常规多相交流电机的相同,接通交流电后产生旋转磁场,相电流有自然过零,可望自然换相。

自整步同步电动机,即无换向器直流电动机的定子由逆变器供多相交流电,在高速运行时,可利用电动机反电势关断原导通开关,实现换相;在低速时,采用断流法实现换相。

直流电动机是采用机械换向(相),必要时可辅以换向极实现反电势换向(相)。

可见,与其它电动机相比,SRD 具有特殊的工作机理,其换相策略也颇具特色。

2　典型换相策略分析常见的SRD 有四相8/6结构和三相6/4结构。

由于采用不同的变换器拓扑结构和控制方案,其换相策略也就不同。

本文选取几例典型方案,做有关分析。

2.1　常规四相8/6结构方案目前广泛应用的四相8/6结构SRD 主电路如图2(a )所示。

两电容C 1和C 2分压构成中点电位,同时起到续流贮能和强迫换相功能,并兼作交流整流的滤波电容。

A ,C 相换相电压是U 0;B ,D 相换相电压等于(U D -U 0)。

图2(b )给出了某样机工作时的相电流实际波形(U D =146V,n =2060r /min)。

(本文定义转子槽轴线与定子齿极轴线重合的位置为θ=0°。

)图2　常规四相8/6结构方案2.2　三相6/4结构PW M 方案图3(a )所示为三相6/4结构双开关主电路。

它每相采用两只主开关,供电时,对相触发信号施加PW M 信号,通过调节占空比D ,实现调速控制;换相时,两只主开关关断(以A 相为例,S 1和S 4关断),相电流将经两只续流二极管(VD 4,V D 1)续流,将磁能转变为电能回馈,直至续流电流截止,由于494南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第28卷电源电压U D 全部反向加于续流电路,即U C =U D ,所以可使换相相强迫续流,可靠换相。

某三相样机的相电流实际波形(U D =270V ,n =1500r /min ,T em =14.2N ·m ),见图3(b )所示。

图3　三相6/4结构PW M 方案2.3　四相五管制调压调速方案图4(a )为四相五管制调压调速SRD 主电路。

PW M 信号施加在斩波管V 上,通过调节占空比D ,实现调压调速。

变换器四相主开关采用优化的固定通断角触发,导通1/2周期,系统以DA →AB →BC →CD →DA 的双四拍工作制循序运行。

采用此方案的某样机的相电流实际波形(U D =250V ,n=1500r /m in ,T em =1.7N ·m )见图4(b )所示。

该方案换相时,换相相的磁能直接向其它相转移,引起中点电位U 0的浮动。

以A 相为例,进入第3拍(BC 导通)时:(1)若V 导通,由于A 相开始续流,C 相导通,使U 0上浮,换相电压U C =U 0升高,加速了A 相续流电流的衰减;(2)若V 关断,V D 导通,U 0下浮,则U C 减小,不利于A 相电流的衰减。

进入第4拍(CD 导通)时:(1)若V 导通,由于B 相开始续流,D 相导通,使U 0下浮;特别是(2)V 关断,VD 导通时,U 0进一步下浮,出现U 0<0,即U C <0,这有背于换相时串加反电压实现强迫换相;此时,若A 相电流未截止,则会引起A 相电流上升,难以实现可靠换相。

因此,须优选控制参数,使续流电流在第3拍内就截止。

图4　四相五管制调压调速方案上述方案中,均采用贮能元件(L,C)存贮和转移因换相而回馈的能量。

此外,也可采用电阻换相方案[3],使换相回馈的能量,一部分消耗在耗能元件(电阻)上,但因回馈的能量没有有效地回收,系统的效率不高,因此一般应用在微电机系统中。

3　影响换相性能的主要因素分析S RD 是由双凸极磁阻电机(SRM )、功率变换电路及控制调节单元组成的调速电动机系统,不同的S RM 结构参数,以及不同的功率变换电路方案,其换相性能就有所差异。

本文495第4期陈　昊等:开关磁阻电动机的换相基本理论与实践将着重分析控制参数和运行参数对换相性能的影响。

3.1　关断角θ2的影响θ2可以控制相电流的大小和波形,θ2过大,则续流电流大,换相过程长,延伸至电感下降区的续流电流,产生较大的制动转矩;θ2过小,则相电流过早截止,电机过早换相,出力小。

因此,关断角θ2是影响S RD 换相性能的主要控制参数。

根据计算结果,以最大电磁功率即电机有效利用程度为准则(如图5所示)得:(a )22(°)～24(°)是四相8/6结构SRD 的θ2优选范围;(b )36(°)～38(°)是三相6/4结构S RD 的θ2优选范围。

图5　θ2优选依据3.2　运行参数的影响作为调速电动机系统,SRD 具有一定的调速范围,同时还要求有一定的过速和过载能力。

然而,在不同的运行参数n (转速)和T em (电磁转矩)下,其换相性能亦不相同(见表1,2)。

(1)转速n 的影响表1以某四相五管制方案SR D 样机为例,保持电磁转矩恒定,计算了三种运行转速下的换相性能。

由于随转速n 的升高,需增加相绕组供电电压,以建立合适的相电流,满足输出的需要;而相电流的时间周期T =θr /Ψ变短,续流延长,(θ3-θ1)增加,则换相裕度γ减小,且制动转矩分量T *b 增加。

496南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第28卷表1　转速n 对换相性能的影响n /r ·min -1D (%)I ph /A i max /A γ(%)T *b (%)50030.0 1.69 3.3528.261.38150064.0 1.76 3.5724.571.842300100.01.683.0521.302.42 注:U D =250V ,T em = 1.7N ·m ,PW M 频率f =3k Hz 。

(2)电磁转矩T em 的影响表2　电磁转矩T em 对换相性能的影响T em /N ·m D (%)I ph /A i max /A γ(%)T *b (%)0.530.00.82 1.8224.571.061.764.0 1.76 3.5724.571.845.0100.03.325.4615.872.29 注:U D =250V ,n =1500r /min ,PW M 频率f =3k Hz 。