(7).开关磁阻电机

di ∂L U = iR + L + i ω dt ∂θ
电阻压降 旋转电势： 旋转电势 变压器电势 ＋ 电动，吸收电功率，输出机械能 — 发电，输出电功率，制动
19 2006-10-24 开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 相电流波形与电感线性模型关系
—交流电机调速理论与方法—
不同开通角θon下的相电流波形（关断角相同）
Tk (θ , ik ) =
∂Wk ∂θ
分段线性模型 非线性模型
磁共能原理
W k (θ , ik ) =
2006-10-24
∫
ik
0
Φ k (θ , ik )
21 开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 2、开关磁阻电动机的准线性模型
—交流电机调速理论与方法—
⎧Lmin ⎪ ⎪Lmin +k (θ −θ2 ) ⎪ I Lmin +k (θ −θ2 ) M ⎪ ik ⎪ ⎪ L(θ,ik ) = ⎨Lmax ⎪L +( L − L ) IM ⎪ min max min ik ⎪ ⎪Lmax −k (θ −θ4 ) ⎪ IM ⎪Lmin + ⎡Lmax −k (θ −θ4 ) − Lmin ⎤ ik ⎣ ⎦ ⎩
2006-10-24 开关磁阻电机 17
nU：上主开关器件数
nL：下主开关器件数
浙江大学电气工程学院 四、开关磁阻电机的运行分析 1、线性模型
—交流电机调速理论与方法—
⎧Lmin ⎪L + K (θ − θ ) ⎪ min 2 L(θ ) = ⎨ ⎪Lmax ⎪Lmax − K (θ − θ 4 ) ⎩
2006-10-24 开关磁阻电机 13
浙江大学电气工程学院 （4）斩波式带存贮电容的功率变换器
+
—交流电机调速理论与方法—
L
Us
V0
VD 1
A VD 2
B
C
+
Cs
VD 3
V D
-
+C - 1
V1
V2
V3
加入存储电容C1。V1导通时，电源Us向A相绕组；V1关断时， 绕组通过VD1续流，将能量储存在C1上 。 特点： （1）效率高 （2）器件数量多，要求两个贮能电容，关断角受限制 （3）主开关器件额定电压>Us
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θ1 ≤ θ < θ 2 θ2 ≤ θ < θ3
θ3 ≤ θ < θ4 θ4 ≤ θ < θ5
开关磁阻电机
K＝（Lmax－Lmin）/（θ3 －θ2）
18
浙江大学电气工程学院
—交流电机调速理论与方法—
±U = iR +
U = iR +
dΦ dt
∂Φ di ∂Φ dθ ∂L ⎞ di ∂ L dθ ⎛ ⋅ + ⋅ = iR + ⎜ L + i ⎟ + i ∂i dt ∂θ dt ∂i ⎠ dt ∂θ dt ⎝
2006-10-24 开关磁阻电机 7
浙江大学电气工程学院 开关磁阻电机的应用
—交流电机调速理论与方法—
SRD 应用领域
8 2006-10-24 开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 三、结构与分类 常用关系：
定子齿数
—交流电机调速理论与方法—
Zs=Zr+2
转子齿数
相数：m=Zs/2
转速：n = 60mf/NP = 60f/Zr 1、位置检测器
每转步数mZr
9 2006-10-24 开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 2、功率变换器 基本要求： 1）最少数量的主开关器件
—交流电机调速理论与方法—
2）同时适用于奇数相和偶数相的开关磁阻电动机 3）可以将全部电源电压加在电动机绕组上 4）主开关器件的电压额定值与电动机接近 5）具备迅速增加相绕组电流的能力 6）可以通过主开关器件调制，有效的控制相电流 7）在绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给电源
14 2006-10-24 开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 （5）再生式功率变换器
+ L VFm A Us + VD1 B
—交流电机调速理论与方法—
VD2
C
VD3
Cs
VD V1 V2 V3
-
这种功率变换器的电路中增加一个与所有相都成串联关系 的附加开关VFm，附加的开关器件与某相的主开关器件同时开通， 同时关断。VFm与V1同时开通时，对A相绕组进行斩波控制；当二 者都关断时，绕组通过VD和VD1实现强迫续流换相。 特点： （1）效率高，能量回馈迅速，器件数量少，易于实现 （2）需要附加一个开关器件，关断角受限制 （3）主开关器件额定电压>Us
6 2006-10-24 开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 3、无刷直流电动机
—交流电机调速理论与方法—
均采用带转子位置闭环控制的自控变频器供电 无换向器直流电动机：转子有励磁，定子由逆变器多相供电 开关磁阻电机：转子反应式，无励磁，定子直流脉冲供电 4、开关磁阻电机特点 （1）可控参数多，调速性能好 主开关开通角、主开关关断角、相电流幅值、直流电压 （2）结构简单、成本低、适用于高速 （3）损耗小、效率高 （4）各相独立工作，系统可靠性高 （5）功率主电路简单可靠 （6）起动转矩高，起动电流小 （7）适用于频繁起动、停止以及正反转运行 (8) 噪声较大、振动较大
+
Cs
VD2
VD4
D
B
+
Cs
V2
V4
外加直流电源Us被两个裂相电容Cs一分为二，两相绕组的一端 共同接至双极性直流电源的中点，因此，这种功率变换器方案只 适用于偶数相的开关磁阻电动机。V1导通时，电源Us对A相供电； V1关断时，A相通过VD1向电容Cs充电。
特点：
（1）器件数量少，能量回馈迅速 （2）相间独立性差，仅适用于偶数相SRM，要求双极性电源 （3）主开关器件额定电压>Us
开关磁阻电机
2006-10-24
开关磁阻电机
1
浙江大学电气工程学院 一、基本原理
—交流电机调速理论与方法—
基于磁通总是沿磁阻最小（磁导最大）的路径闭合的原理
2 2006-10-24 开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 1、结构 双凸极可变磁阻电机
—交流电机调速理论与方法—
定子加励磁
A、B、C A、C 、B
(a)
(
)
(b) (c) (d)
22 2006-10-24 开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 3、开关磁阻电动机的非线性模型
—交流电机调速理论与方法—
待定系数a、bБайду номын сангаас
分段线性模型的缺点： (1) 不连续，不能写成确切的函数表达式 (2) 不能表达周期性 非线性模型
Φ k (θ , ik ) = Φ s 1 − e − ik hk (θ )
(
)
⎛ β + βr + α r L1 ⎜ s 2 ⎝ ⎞ ⎟ = Lmin = min h1 (θ ) = Φ s ( a − b ) ⎠
hk (θ) =a+∑ bn sin⎡n −( j −1) 2π m⎤ +cn cos⎡n −( j −1) 2π m⎤ ⎣θ ⎦ ⎣θ ⎦
n=1
∞
{
}
⎛ β + βr L1 ⎜ s ⎝ 2
θ ∈[θ1,θ2 ) θ ∈[θ2,θ3 ) 0 ≤ ik < IM θ ∈[θ2,θ3 ) ik ≥ IM θ ∈[θ3,θ4 ) 0 ≤ ik < IM θ ∈[θ3,θ4 ) ik ≥ IM θ ∈[θ4,θ5 ) 0 ≤ ik < IM θ ∈[θ4,θ5 ) ik ≥ IM
∂L ⎛ Rk + ω k dik ⎜ ∂θ = ⎜− dt ⎜ Lk ⎝
逆时针 顺时针
3
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开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 2、主电路
+ VD1 Us + Cs A V1 VD3 B V3
—交流电机调速理论与方法—
VD5 C
V5
V2 -
VD2
V4
VD4
V6
VD6
V1、V2通: V1、V2断:
A相通电 A相电流经VD1、VD2回馈电源
转子每转一个齿距角，定子每相通断工作一个周期 如何确定每相通断时间：
2006-10-24 开关磁阻电机 15
浙江大学电气工程学院 功率变换器主电路结构比较
结构形式 主开关器件 的电压定额
>2U s
—交流电机调速理论与方法—
优点
能量回馈迅 速，器件数量 少，效率高 器件数量 少，能量回 馈迅速
缺点
接线多，关断尖脉 冲高，铜线利用率 低，主开关器件额 定电压利用率低
电动机额 定电压
（1）能量回馈迅速，器件数量少，效率高 （2）接线多，关断尖脉冲高，铜线利用率低，主开关器件额定电压利用率低 （3）主开关器件额定电压>2Us
2006-10-24 开关磁阻电机 12
浙江大学电气工程学院 （3）采用分裂式直流电源的功率变换器
+ V1 Us C VD1 VD 3 V3 A
—交流电机调速理论与方法—
Us
双绕组
分裂式直 流电源 斩波式带 存贮电容
>U s
相间独立性差， 仅适用于偶数相 电动机，要求双 极性电源 器件数量多，要求 两个贮能电容，关 断角受限制 需要附加一个 开关器件，关 断角受限制
US/2
>U s
效率高
Us
再生式
>U s
效率高，能量回 馈迅速，器件数 量少，易于实现
Us
16 2006-10-24 开关磁阻电机
2006-10-24
位置检测
4
开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 3、系统原理图
电源 功率变换器 SRM
—交流电机调速理论与方法—
机械输出 负载
电流检测 转速给定 控制器 位置检测
5 2006-10-24 开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 二、类比与特点 1、与步进电机比较 大步距角步进电动机的延拓 不同之处： 开环与闭环： 设计思路：
⎞ ⎟ 1 ⎟ ⋅ ik + ⋅ uk Lk ⎟ ⎠
d Φk ⎧ uk = Rk ik + ⎪ dt ⎪ ⎪Φk = L (θ , ik ) ⋅ ik ⎪ ⎨ ∂ ik Tem = ∑Temk Temk = L (θ , ik ) ⋅ ik dik ⎪ ∂θ ∫0 ⎪ dω ⎪ω = dθ + kω + TL + T0 Tem = J ⎪ dt dt ⎩
—交流电机调速理论与方法—
开关磁阻电机是闭环，步进电机是开环 开关磁阻电机是驱动系统，步进电机是控制元件
2、与反应式同步电机比较
mU 2 1 1 Pem = − ( ) sin δ 2 Xq Xd
开关磁阻电机差异 （1）定、转子均为凸极结构 （2）n=60f/Zr
转子齿数
60 f n= p
（3）无起动、调速方面的困难
11 2006-10-24 开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 （2）双绕组功率变换器
+
—交流电机调速理论与方法—
Us
+ Cs V1
A VD 1 V2
B VD2 V3
C VD3
-
SRM每相有一个二次绕组与一次绕组完全耦合（一般采用双股 并绕，匝数比为1:1）。V1导通时，电源Us 对A相供电；V1关断时， 靠磁耦合将主绕组的电流转移到副绕组，通过二极管VD1续流，向 电源迅速回馈电能，实现强迫换相。 特点：
10 2006-10-24 开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 （1）不对称半桥线路
+ VD1 Us + Cs A V1 VD3 B V3
—交流电机调速理论与方法—
VD5 C
V5
V2 -
VD2
V4
VD4
V6
VD6
特点：
（1）各相主开关器件的电压额定值为主电路电压Us （2）由于主开关器件的电压定额与电动机绕组的电压定额近似相等 （3）这种主电路结构对开关磁阻电动机相数没有限制 （4）线路中每相需要两个主开关器件
⎞ ⎟ = Lmax = max h1 (θ ) = Φ s ( a + b ) ⎠
简化
hk (θ ) = a + b sin ⎡θ − ( j −1) 2π m⎤ ⎣ ⎦
a=
Lmax + Lmin 2 ⋅ Φs
b=
Lmax − Lmin 2 ⋅ Φs
i
1 2
3
θ1
0 θon θ2
θoff θ3
θ4
θ5 θ
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2006-10-24
开关磁阻电机
浙江大学电气工程学院 如何提高数学模型的精确度？
—交流电机调速理论与方法—
dΦk ⎧ ⎪uk = rk ik + dt ⎪ ⎨ 2 ⎪J d θ = T − T e l ⎪ dt 2 ⎩
虚位移定理
对 Φk (θ , ik ) 的处理 (1) 考虑磁路饱和与槽漏感的影响 (2) 模型的复杂度
浙江大学电气工程学院 （6）具有最少数量主开关器件的功率变换器
+ Vb Us + Cs VD b Va B VD2 VDd A VD1 VDa VD4 D Vd C
—交流电机调速理论与方法—
VDc VD3
Vc
可以接到功率变换器的绕组最多相数为： nmax = nU ×nL Va 和Vb 导通时，A相绕组通电；Va 和Vb 关断时，绕组通过 VDa、VDb和VD1续流 （1）保留了桥式电路的全部优点，但每相主开关器件少于两个； 特点： 可以使增加电动机相数从而减小转矩脉动而又同时不增加功率变换 器成本。 （2）主开关器件额定电压>Us