开关磁阻调速电动机功率变换器的设计.doc

（2010届）本科毕业设计（论文）资料湖南工业大学教务处2010届本科毕业设计（论文）资料第一部分 设计说明书（2010届）本科毕业设计（论文）开关磁阻调速电动机功率变换器的设计2010 年 6 月湖南工业大学本科生毕业设计（论文）摘要 开关磁阻电动机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10W5MW的各种高低速驱动调速系统。使的开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合如纺织、造纸、矿产、机械、电力、航空、船舶、军工等各个领域均能得到广泛使用。 开关磁阻调速电动机传动系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器四部分组成。本文以研究开关磁阻调速电机的功率变换器为主要内容。首先介绍了开关磁阻电动机调速系统的构成及其在国际的研究状况和研究成果，其次对开关磁阻调速电机的结构、特点和原理进行阐述，分析了其绕组电流变化情况以及转矩公式。详细阐述了几种功率变换电路，并对其优缺点进行比较，对其结构和相关参数进行优化和设计。关键词：开关磁阻调速电动机，功率变换电路，绝缘门极双极型晶体管，功率变换器ABSTRACTSwitched Reluctance Drive (SRD) is a new-typed drive-electromotor system.This system have the advantages of both DC and AC drive-electromotor system,it is the latest infinitely variable speeds after variable frequency regulating speed system and brushless DC variable speed system.The SRD is a drive-electromotor system which has the simple architecture and high reliability,the advantageous function and cover the power range between 10W and 5MW. It is an important development direction for aviation power supply system and some other engine-driven sport carriers such as ships, cars, submarines, armored vehicles, tanks, and so on. This paper introduces the constitution of Switched Reluctance Drive and its condition of the international development, and has carried on the characteristic of Switched Reluctance Drive and the principle elaborately, and analyzed its winding electric current change situation as well as the torque formula. This article put forward the special require of drive circuit to Insulation Grid Bipolar Transistor and consider the problem of designing the drive circuit, describe the common style of drive circuit, and give some practical and typical circuit. The paper introduced the power transfer network of this system, and has carried on the design of the computation and the related parameter of the electric circuit.Keywords：Switched Reluctance Motor, the structure of power circuit,IGBT, Power Converter Circuit目 录第1章 绪论11.1 国外研究现状11.2 开关磁阻电机分类21.3 开关磁阻电机的特点41.4 开关磁阻电机的利用领域61.5 SRD急待解决的技术问题71.6 SRD发展展望7第2章 开关磁阻调速电机的结构和工作原理92.1 开关磁阻调速电动机的组成及特点92.1.1 开关磁阻调速电动机的组成92.1.2 开关磁阻调速电动机的特点112.2 开关磁阻调速电动机的相数与结构122.2.1 相数与极数的关系122.2.2 开关磁阻调速电动机的结构132.3 开关磁阻调速电动机的工作原理142.4 开关磁阻电动机的基本数学模型162.5 本章小结18第3章 开关磁阻电动机起动方式与起动转矩分析193.1 SR电动机起动方式193.2 起动转矩倍数和起动时的能量比率20第4章 功率变换电路244.1 功率变换器的简介244.2 功率变换器开关器件的选择254.3 功率变换电路264.3.1 双开关式功率变换电路264.3.2 双绕组式功率变换电路274.3.3 公共开关式功率变换电路284.3.4 电容转储式功率变换电路284.3.5 分裂式功率变换电路294.3.6 不对称半桥是功率变换电路29第5章 功率变换器的设计305.1 功率开关器件和续流二极管的选型305.2 IGBT的基本特性和结构315.3 缓冲吸收回路的设计355.4 以IGBT为主开关器件的功率变换电路365.5 功率变换器主电路结构和特点385.5.1 工作原理385.5.1.1 电感正向储能期（t1t2）415.5.1.2 电容放电期（t2t3）415.5.1.3 相开关开通期（t3t4）415.5.1.4 电感反向储能期（t4t5）415.5.1.5 电容充电期（t5t6）415.5.1.6 相绕组供电期（t6t7）425.6 本章小结42结 论43参考文献44致谢45第1章 绪论1.1 国外研究现状开关磁阻调速电动机(以下简称SRD)是由电力电子技术、控制技术及计算机技术与传统磁阻式电动机相结合,发展起来的新型无级调速系统。诞生于一个半世纪前的磁阻电动机,因换相时没有续流二极管将电动机磁场贮能回馈电源,而不得不使用机械式开关换向,这使电动机运行时伴有周期性换相火花,且控制精度低、性能很差,所以在电力电子开关器件问世前的一百多年间,这种电动机一直未能得到重视。本世纪50年代未晶闸管的出现,70年代后各种高速、全控型开关器件的先后问世,带来了电力电子技术的蓬勃发展,加之控制技术及计算机技术日新月异的进步,又是结构上最简单的电动机,又引起人们的研究兴趣。由英国Leeds 大学和Not Gingham大学联合组成的研究组,研制出由开关控制器与磁阻电动机相结合的开关磁阻调速电动机。同时,还发表了一批具有深远影响的、系统阐述其工作原理、设计及控制等方面的论文,于1983将名为0ulton的产品投放市场。1988年后又推出了其第二代产品。继英国之后,美国、德国、法国、意大利、加拿大、新加坡等国家及我国相继开展了这方面的研究工作。近十多年来, 开关磁阻调速电动机在电气传动领域异军突起,倍受国内外学术界和工程界的重视,目前已成为高科技的研究热点之一。目前开关磁阻电动机从结构型式到电磁场分析、电磁设计、性能计算及参数优化等方面都取得了大量的研究成果, 而且SRD 系统的功率变换器、控制器及控制策略等方面都在不断研究改进,使得整个系统在运行可靠性、方便性、成本等方面能与其他类型调速系统相竞争, 其产品的种类、应用领域、销售量也日益扩大。国外不仅生产形成系列的通用型SRD 产品, 还生产具有特殊用途、特殊性能的SRD产品,应用领域较为广泛。国内从1985年开始研制开关磁阻电动机,由于借鉴了国外的一些经验,因此SRD的研究工作发展的很快。我国SRD系统的理论研究已经取得长足的发展。在电动机设计方面,二维非线性有限元法和非线性磁路法已经有力地支持了开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor,以下简称SRM)磁场的分析和电磁转矩的计算。在功率变换器设计方面, 已提出了多种功率变换电路拓扑,建立了主开关器件定额的计算方法,在低压或小功率系统上常采用MOS 场效应晶体管(MOSFET),较大功率系统多采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)设计方案, 出现了采用Z80、8031、8098、80C196KB及DSP 等微处理器构成的控制器。在应用方面,开发出了10W300kW、转速可达100000r/min的SRD,并已在牵引运输、航空航天、纺织、造纸、食品加工及家用电器等领域得到了初步应用。目前,国际上的研究前沿是：系统优化设计。以提高调速系统整体性能为目标,探索与电动机、功率变换器及控制策略三者之间相协调的优化设计方法。无位置检测器方案研究。探索实用有效的无位置检测器方案,以增强电动机结构的坚固性,提高电动机运行的可靠性。转矩脉动与振动、噪声的研究。一方面,优化设计电动机的齿槽；另一方面,采用现代控制理论方法,对控制参数实施实时优化控制,以平滑电动机输出转矩,降低转矩脉动动量,并减小径向电磁力的变化幅度,降低由转矩脉动、机械振动和电磁噪声引起的电动机振动和噪声。特殊应用的研究。针对一些特殊应用场合,充分发挥SRD的优点,探索与之相适应的电动机结构、功率变换器拓扑结构和控制策略,实现其它电动机无法比拟的高性能、高可靠性和长寿命运行。1.2 开关磁阻电机分类开关磁阻电动机可以设计成单相、两相、三相、四相及多相不同相数结构，并且有每极单齿结构和每极多齿结构，轴向气隙和轴向径向混合气隙结构，内转子和外转子结构。低于三相的SR电动机一般没有自起能力。相数多，有利于减小转矩波动，但导致结构复杂、主开关器件多、成本高。目前应用较多的是三相6/4极结构和四相8/6极结构。单相开关磁阻电动机显然，单相开关磁阻电动机的电动机成本都是最低的，控制器只需要一个开关管和一个快速恢复二极管，绕组数和引出线都是最少的。但是如果启动问题不能解决，或者没有足够的系统转动惯量使电动机克服转矩“死区”，单相开关磁阻电动机亦难以变为现实。典型的单相开关磁阻电动机是利用涡流反映转矩辅助启动的，转子极间嵌入铝块或铜块。当绕组通以励磁电流后，嵌块上感生涡流，产生反应转矩。由于涡流的衰减，使涡流反应转矩和静磁转矩在任何转子都不能维持一种稳定平衡的状态，从而电动机可能在任何转子位置启动。但是这种技术的缺点在于需要加入涡流嵌块，电动机正常运行时有附加损耗。单相开关磁阻电动机还有许多其他的形式，如径向轴向磁通的外转子，还有利用永久磁钢辅助启动的结构。两相开关磁阻电动机显然，这种形式的两相电动机在对齐位置（定、转子磁极中心线对齐）和不对齐的位置（定、转子槽中心线对齐）都不具备启动能力，同时也存在一定的转矩“死区”。因此EL.Khazndar和Stephenson提出一种阶梯气隙不规则两相电动机。这种结构电动机在对齐和不对齐位置电感比值上基本不变，但是不对齐位置下的转矩“死区”明显减小，另外还有涡轮转子结构和可控饱和结构。两相电极具有很多明显的优势，结构简单，电动机和控制器成本低，连接线少、槽空间大，为减小绕组铜耗提供了便利。大的铁心截面使定子具有良好的机械强度，这对降低电动机噪声十分重要。由于相对较低的转换频率也降低的铁心损耗。此外，不对齐位置的大气隙亦提高了电感比值。因此，如果不要求同时具备正、反转向，应首先考虑采用具有自启动能力的两相电动机。三相开关磁阻电动机三相和四相都是最常见的开关磁阻电动机机构。三相电动机是具备正反方向自启动能力最少相数的常规结构SR电动机。除了常见三相6/4极外，还有三相6/2极、6/8极、12/8极等结构。三相6/8极转子步进角比6/4极小，有利于减小转矩波动，但是减低了对齐位置与不对齐位置电感比率，导致控制器伏安容量增加，由于开关频率上升，也使贴心损耗增大。四相开关磁阻电动机四相电动机也是得到广泛应用和研究的开关磁阻电动机。与三相电动机相比，四相电动机的起动性能要好的多，转矩波动也小，但电动机和控制器的成本都有所增加。常见的四相8/6极SR电动机，每转有24个步矩，步进角为15此外，还有四相8/10结构，每转有32个步距，步进角为11.25。显然，8/10极结构的电动机电感比率要比8/6极低，能量转换所包围的面积也下降。通常8/10极或更高极数的四相电动机不大采用。五相或五相以上开关磁阻电动机 采用五相或者更多相数开关磁阻电动机的目的多是为了获得更平滑的电磁转矩，降低转矩波动，另外一个优点是可获得稳定的开环工作状态（无位置传感器），但其缺点也很明显，电动机和控制器的成本和复杂性大大提高。多相开关磁阻电动机一般都采用短磁路的结构，还有盘式结构、滚动转子结构和直线结构等特种开关磁阻电动机。1.3 开关磁阻电机的特点理论研究和实践证明，开关磁阻电动机调速系统具有许多显著的特点：电动机结构简单、成本低、适于高速运行。开关磁阻电动机的突出优点是转子上没有任何形式的绕组，成本低；转子的机械强度高，电动机可高速运转而不致变形；转子转动惯量小，易于加、减速。在定子方面，只有集中绕组，因此制造简便，绝缘结构简单，工作可靠，能适应频繁起动，适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。损耗主要产生在定子，电动机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升。功率变换电路简单可靠，降低系统成本。因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率变换电路可以做到每相一个功率开关，电路结构简单；另外，系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，避免了直通短路现象。因此保护电路可以简化，既降低了成本，又具有很高的工作可靠性。起动转矩大，起动电流低，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。典型产品的数据是：当达到100额定转矩时，只需30%的额定电流。调速范围宽，调速比大于20：1，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性。能四象限运行，具有较强的再生制动能力。效率高、功耗小。开关磁阻电动机驱动系统是一种非常高效的调速系统。因为一方面电动机转子不存在绕组铜耗，另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。图1.1给出了典型产品的输出特性和效率曲线，其系统效率在很宽的范围内都在87%以上，这是其它调速系统不易达到的。可控参数多，调整性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和方法至少有四种：A、控制开通角；B、控制关断角；C、控制相电流幅值；D、控制相绕组电压。图1.1开关磁阻电动机实测性能曲线（资料来源：国外开关磁阻电动机近期研究方向，1994，第6页）可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态(如出力最大、效率最高等)，还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线。与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电动机在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等都具有明显的优势或竞争力。开关磁阻电动机驱动系统也存在着一些不足，因为功率变换器输出的是不规则电流脉冲，一般导致振动噪声较大、低速转矩脉动较大，并且相数越多，主接线数越多：需要根据定、转子的相对位置投励，不能像异步电动机那样可以直接接入电网作稳速运行，而开关磁阻电动机必须与控制器一同使用等。随着有关研究工作的深入，这些缺点正被逐步克服。开关磁阻电动机调速系统是由电动机、位置传感器、功率变换电路和控制电路所组成的机电统一体，各部分密切配合，缺一不可。电气传动系统的传统设计方法都是利用己有的电动机，然后在此基础上作系统设计。设计电动机时所作的优化仅涉及电动机本身，对系统而言只能称为“局部优化”，而开关磁阻电动机调速系统因各部分不能单独使用，只能是从系统总体性能优化的角度出发，而不是只考虑每一部分本身的优化，这种设计方法同传统设计方法相比是一个质的飞跃，实际己经步入新兴学科“机械电子学”的范畴，在这种思想指导下设计出的产品是典型的机电一体化产品。1.4 开关磁阻电机的利用领域近年来，开关磁阻电动机的应用和发展取得了明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，功率范围从10W到5MW，最大速度高达100000r/min。SRD开关磁阻电动机驱动系统的电动机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电动机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。在发展初期，由于具有串励直流电动机的特性，开关磁阻电动机较多的是在电力机车上作牵引用功率从几十千瓦到几百千瓦。从电力机车的实验结果看，SRD的效率及其输出功率均比通常的交、直流电动机调速系统高，价格介于交、直流电动机调速系统之间。另外，开关磁阻电动机在蓄电池电动运输车辆，例如电瓶车、电动汽车上的成功应用，亦表明SRD可以优良的性能用作牵引驱动。SRD的应用范围当然不会仅仅局限在牵引运输。实际上转速范围为1500-1800r/m的SRD是与由50Hz/60Hz电源逆变器供电的异步电动机市场相适应；而750-3000r/m的SRD则与传统直流电动机市场相适应。因此，SRD中多数仍作为需要四象限运行的通用调速系统。另外，SRD在低压小功率的应用场合大大优于普通的异步电动机和直流电动机。比如，使用SRD驱动风扇、泵类、压缩机等。可在宽广的速度范围内实现高效率的运行，可明显的节能，并在短期内收回成本。经济型小功率SRD有着广阔的市场，包括在有着广大用户的家用电器中的应用。很多应用场合需要高速传动。因为SR电动机的坚固性需要相对低的开关频率，在叠片性能和轴承满足要求的条件下可高速运行。因此，开发高速SRD是充分发挥其特长的一个方向。应用场合举例： 通用机械：风机、水泵、油泵、压缩机等 机床：龙门机床（刨、铣、磨）、钻床等 塑料机械：挤出机、注塑机等 压力机械：螺旋压力机、模锻压力机、冲床等 铸造机械：抛丸机等 油田机械：抽油机等 纺织机械：印花机、卷布机、浆纱机、织机等 造纸机械：造纸机、压光机、卷纸机等 玻璃机械：制瓶机等 食品加工机械： 搅拌机 、混合机等 矿山、煤矿机械：采煤机、掘进机、球磨机等 冶金机械：轧钢机等 提升运输机械 ：电梯、绞车、卷扬机、传送带等 辅助机械：卷取机、开卷机、架线机等 家用电器：风扇、空调、冰箱、洗衣机、吸尘器等 电动工具：手钻等 交通工具：车辆、 机车、轮船、飞机等 发电设备：风力发电1.5 SRD急待解决的技术问题振动及噪声：开关磁阻电动机工作在脉冲供电方式中，瞬时转矩脉动大，转速很低时，步进状态明显；高速重载时，振动和噪声大，减小振动和噪声是重要的研究课题。据了解，有些科研人员正在从电磁参数设计和调速方法以及电动机结构几个方面进行研究，加以改进、解决。位置检测器使得结构简单的SR电动机变的逊色，降低了运转的可靠性，因此探索实用的无位置检测器的检测方案是十分引人注目的，目前国内外研究较多的是用定子绕组的瞬态电感信息来实现无位置检测器方案，但距实际应用还待进一步研究开发。SRD作为一项方兴未艾的新技术涉及到电动机，微电子，电力电子，微机，控制，机械及工程应用等众多学科领域。从目前发展水平看，无论是理论上还是应用上都存在不少问题，还有待进一步研究与完善。1.6 SRD发展展望作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电动机以其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性，愈来愈得到人们的认可和应用。目前已成功应用于在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域中，成为交流电动机调速系统、直流电动机调速系统和无刷直流电动机调速系统的强有力竞争者。美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家都开展了SRD系统的研制工作。在国外的应用中，SRD一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车。同时高速性能是SRD的一个特长的方向。据报道，美国为空间技术研制了一个25000r/min、90kW的高速SRD样机。SRD系统的研究已被列入我国中、小型电动机“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。华中科技大学开关磁阻电动机课题组在“九五”项目中研制出使用SRD的纯电动轿车，在“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。纺织机械研究所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机，煤矿牵引及电动车辆等，取得了显著的经济效益。近年来功率电子技术,数字信号处理技术和控制技术的快速发展，而且随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片（DSP）的出现，利用高性能DSP开发各种复杂算法的间接位置检测技术,无需附加外部硬件电路，大大提高了开关磁阻电动机检测的可靠性和适用性,必将更大限度地显示SRD的优越性。90年代进一步以计算机控制的柔性制造系统、主体仓库、机器人进行装配等组合起来，由计算机控制材料、部件的供应管理、达到全厂高效率、高质量的全自动化均衡生产，设计和制造水平不断提高，专用控制芯片和集成功率器件不断被开发出来，开关磁阻电动机性能和适用性不断增强。随着国民经济建设的日益发展，各行各业的机械化、自动化程度越来越高，为开关磁阻电动机提供了巨大的潜在市场。第2章 开关磁阻调速电机的结构和工作原理2.1 开关磁阻调速电动机的组成及特点2.1.1 开关磁阻调速电动机的组成图2.1 SR电动机系统组成开关磁阻调速电动机传动系统（Switched Reluctance Drive,SRD）是20世纪80年代中期发展起来的一种新型机电一体化交流调速系统，主要由四部分组成：开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor），功率变换器，控制器和检测器，如图2.1所示。 下面对开关磁阻电机四部分进行介绍：（1） 功率变换器 功率变换器是连接电源和电动机绕组的开关部件。通过它将电源能量馈入电机，也可将电机内的磁场储能反馈回电源，其功率变换电路所用的开关部件为快速绝缘门极双极型晶体管（IGBT）.有三种基本的功率变换器电路：不对称半桥电路、双绕组电路、裂相式电路。不对称半桥的主电路为单电源供电方式，每相有两个主开关，工作原理简单，控制起来灵活，流经主开关的电流小，适配电机的范围大；双绕组电路的主电路的特点是有一个初级绕组和一个次级绕组，与完全偶合（经常采用双股并绕），所需主开关数目少；裂相式主电路以对称电源供电，每相只有一个主开关，上桥臂从上电源吸收能量，并将剩余的能量回馈到电源，或从下电源吸收能量回馈到上电源，所需主开关数目少。由于各主电路的开关总伏安容量大致抵消相等，成本相差不大。在此需要特别指出，它与众不同的是，开关磁阻调速节能电机系统很容易通过改变电动机的工作方式和控制参数实现不同的性能特点和满足特殊的性能指标，尤其当采用微控制机为控制核心时，往往只需通过修改软件，便能满足用户不同的性能要求。（2） 控制器和位置检测器 控制器综合处理位置检测器、电流检测器、速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，实现对SR电机运行状态的控制，是SRD的指挥中枢。控制器一般由单片机及外围接口电路等组成。在SRD中，要求控制器具有以下性能：电流斩波控制角度位置控制启动、制动、停车及四象限运行 速度调节 图2.2 三相6/4极 SRM 的结构原理图位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确的决定绕组的导通和关断的时刻。通常采用光电元件、霍尔元件或电磁线圈法进行位置检测，采用无位置检测的方法是SRD的发展方向，对降低系统成本、提高系统可靠性具有重要意义。SRM电动机是 SRD系统中实现机电能量转换的部件，其结构和工作原理都与传统电机有较大的差别。如图2.2所示， SRM电动机为双凸极结构，其定转子均由普通硅钢片叠压而成。转子上既无绕组也无永磁体，定子齿极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联，构成“一相”。SRM 电动机可以设计成单相，三相，四相或更多结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数增多，有利于减少转矩脉动，但导致结构复杂，主开关器件增多，成本增高。目前应用较多的是三相6/4极结构，三相12/8极结构和四相8/6结构。功率变换器是 SRD系统能量传输的关键部分，是影响系统性能价格比的主要因素，起控制绕组开通与关断的作用。由于SRM电动机绕组电流是单相的，使得功率变换器主电路不仅结构简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，可以避免直通短路危险。 SRD系统的功率变换器结构形式与供电电压，电动机相数及主开关器件的种类有关。控制单元是 SRD系统的核心部分，其作用是综合处理速度指令，速度反馈信号及电流传感器，位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的通断，实现对 SR电机运行状态的控制。检测单元由位置检测和电流检测环节组成，提供转子的位置信息以决定各相绕组的开通与关断，提供电流信息来完成电流斩波控制或采取相应的保护措施以防止过电流。2.1.2 开关磁阻调速电动机的特点（1） 开关磁阻调速电机的优点：SRM结构简单开关磁阻电动机的突出优点是转子上没有任何形式的绕组，而定子上只有简单的集中绕组，因此绝缘结构简单，制造简便，成本低。并且发热大部分在定子、易于冷却；转子的机械强度高，电动机可高速运转而不至变形；转子转动惯量小，易于实现加、减速。功率电路简单可靠因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关，电路结构简单。另外，系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，避免了直通短路现象。因此SRD 系统中功率变换器的保护电路可以简化，既降低了成本，又具有较高的可靠性。高起动转矩，低起动电流，适用于频繁起停和正反转运行。从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧得到较大的起动转矩是SRD系统的一大特点。可控参数多，调速性能好。a. 控制开通角b. 控制关断角c. 控制相电流幅值d. 控制相绕组电压可控参数多，意味着控制灵活方便，选择余地大，不同区间选择不同控制。容错能力强。在缺一相或两相是可照样工作，只是性能差些，但仍可以缺相运行，不同于异步电机。对于牵引电机，是非常好的性能。（2） 开关磁阻调速电机的缺点： 电机低速运行是转矩脉动较大。 振动和噪声比一般电动机大。 SR电动机的出线较多，且相数较多，主接线数越多。2.2 开关磁阻调速电动机的相数与结构2.2.1 相数与极数的关系 SR电动机的转矩为磁阻性质，为了保证电机能够连续旋转，当某一相定子与转子齿极轴线重合时，相临相的定、转子齿极轴线应错开1/m个转子极距，同时为了避免单边磁拉力，电机的结构必须对称，固定，转子齿极数应为偶数。通常，SR电机的相数与定、转子齿极数之间要满足如下约束关系：Nr2kmNr=Ns2k （2.1） 式中，k为正数，为了增大转矩，降低开关频率，一般在式中取“”号，使定子齿极数多于转子齿极数。常用的较好的相数与极数组合如下表。 表2.1 SR电动机常用的相数与极数组合表m Ns Nr2428436264681284865104 (资料来源：特种电机及其控制，2005年5月，第83页)电动机的极数和相数与电机的性能和成本密切相关，一般，极数和相数增多，电动机的转矩脉动减小，运行平稳，但增加了电动机的复杂性和功率电路的成本；相数减少，有利于降低成本，但转矩脉动增大，且两相以下的SR 电动机没有自起动能力（指电机转子在任意位置下，绕组通电起动的能力）。所以，最常用的是三相和四相SR电动机。2.2.2 开关磁阻调速电动机的结构（1） 单相开关磁阻电动机单相SR电动机的功率电路只需一个开关管和一个二极管，其功率变换器成本最低，且电机的绕组数和引线最少。因此，作为小功率电机它在家用电器和轻工设备等应用中有很大的吸引力。单相SR电动机一般定、转子采用相同的极数，常用的有2/2极、4/4极、6/6极、8/8极等，但值得注意的是，单相SR电动机不能自起动，需要采取一定的辅助起动措施。（2） 两相开关磁阻电动机常规的两相 SR 电动机在定、转子磁极中心线对齐位置（对齐位置）和定子极中心与转子槽中心对齐位置（不对齐位置）也不具备自起动能力，而且还存在较大的转矩“死区”。为了可靠地自起动，两相SR 电动机可采用不对称转子结构或不对称定子结构。两相SR电动机结构简单、电机和控制器成本低、连接线少；槽空间大，为减小绕组铜损耗提供了便利；大的铁心截面使定子具有较高的机械强度，有利于降低电机的噪声；相对较低的换流频率，也降低了铁心损耗。此外，不对称位置的大气隙提高了电感比值，有利于产生较大的转矩。因此，如果不要求同时具备正、反转向，可优先选择具有自起动能力的两相SR电动机。（3） 三相和四相开关磁阻电动机三相以上SR电动机都具备正、反方向自起动能力。目前应用最多的SR电动机是三相6/4极和四相8/6极结构。四相8/6极SR电动机是国内绝大部分产品所采用的，其极数、相数适中，转矩脉动不大，特别是起动较平稳，经济性也较好。三相6/4极电机是极数最少，相数最少的可双向自起动SR电动机，故经济性较好；与四相8/6极电机相比，同样转速时要求功率电路的开关频率较低，因此适合于高速运行。但是其步距角较大（为30），转矩脉动也较大。（4） 五相及更多相开关磁阻电动机采用五相以上SR电动机的目的多是为了获得平滑的电磁转矩，降低转矩脉动，另一个优点是在无位置传感器控制中可获得稳定的开环工作状态。但其缺点也很明显，电机和控制器的成本和复杂性大大提高。鉴于以上分析，相比较而言，本论文研究的三相开关磁阻电机具有启动性能好、低速和制动转矩大、调速范围宽，适用于频繁启、制动等优点，并且功率电路简单可靠、电动机坚固耐用，是一种非常优越的调速系统。2.3 开关磁阻调速电动机的工作原理SRM电动机的运行遵循“磁阻最小原理”磁通总是沿磁阻最小的路径闭合。当定子某相绕组通电时，所产生的磁场由于磁力线扭曲而产生切向磁拉力，试图使相近的转子极旋转到其轴线与该定子极轴线对齐的位置，即磁阻最小位置。SRM在结构上与反应式大步距角步进电机相似，定、转子均为齿槽结构，由硅钢片叠压而成，定子上有简单的集中绕组，转子无任何绕组，亦无永磁，定、转子齿极数 Ns、Nr不等，定子上每径向相对的绕阻串联构成一相绕组，故相数m=Ns/2。SRM定子、转子齿数有多种配合，但为了加大定子相绕组电感随转角的平均变化率以提高电机的出力，定子和转子齿极数应尽量接近，径向必须对称，所以双凸极的Ns,Nr应为偶数，并考虑结构设计的合理性，故最常用的关系为其Ns=Nr+2，从自起动能力及能否正反转考虑，应选择相数m3,一般来说，相数少则功率变换电路简单，成本也低。目前常用的是8/6，6/4两种结构。下面以图2.3所示的三相6/4极SRM 电动机为例说明其工作原理:当A相通电时，因磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，扭曲磁力线产生的切向力带动转子转动，最终将使某转子极轴线与定子极轴线对齐 。A 相断电，C 相通电，则使转子顺时针旋转，最终使某转子极轴线与定子 极轴线对齐 。在一个通电周期内，转子在空间转过330，即一个转子齿极距（Tr）。如此循环往复，定子按ACBA的顺序通电，电机便沿顺时针方向旋转。如定子按 ABCA的顺序通电，电机便沿逆时针方向旋转。 图2.3 三相SR电动机的工作原理图SRM电动机的转动方向总是逆着磁场轴线的移动方向，改变SRM电动机定子绕组的通电顺序，即可改变电机的转向；而改变通电相电流的方向，并不影响转子转动的方向。由此可见：（1） SR电机的转向与相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕组通电的顺序；（2） 需设置有转子位置传感器以确定定子每相绕组何时需要通电或断电；（3）转子的转速由连续开闭定子极绕组的频率所决定，输出的扭矩由通过定子极绕组的电流来决定。这样，就可以视负荷的性质实现恒扭矩或恒功率调速系统。从理论分析上看，SR电机电动势方程为： （2.2）式中， 为变压器电势，用于建立磁场；中为运动电势或旋转电势；ir为电机绕组压降。当0时，电机吸收电能输出机械能，产生拖动转矩；当0时，相绕组有电流通过，产生拖动转矩（正转矩）；若0，相绕组流过电流，产生制动转矩。因此，通过控制加到SR电机绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置，即可控制 SR电机转矩的大小与方向，这就是开关磁阻调速电机控制的基本原理。2.4 开关磁阻电动机的基本数学模型由于SRM铁芯中磁场高度饱和，且相绕组为脉动电流，电机运行时，相绕组自感L不是常数，随绕组电流i和转子位置而改变，绕组电流和磁链变化亦不规则，均与有关，且控制电路也非线性，故SRD的参数和各个物理量的变化规律都很复杂。在忽略铁芯损耗，假设各相结构和参数对称，且相间独立的条件下，其主要方程为：（1） 电压方程： u= +ri （2.4） 式中，u为绕组端电压，r为相绕组电阻。（2） 磁链方程：=Li （2.5） （3）转矩方程： （2.6）式中，为磁共能（4） 机械运动方程： = （2.7） 式中，TL为负载转矩GD2为转子及负载的总的飞轮矩。以上几式构成了研究SRD的基本数学模型。电机调速的任务是控制转速，转速通过转矩来改变，若能快速准确地控制转矩，就能很好地控制转速，因此调速的关键是转矩的控制。转矩与绕组中流过的电流及其作用位置有关，对电流的控制实际就是对转矩的控制。控制电流的方法有很多，SRD最为常用的控制方式有如下几种：（1） 调压控制调节电机绕组的供电电压可实现对相绕组电流的控制，即可以对转速进行调节，若忽略相绕组电阻r则（2.4）式可写为： u =L+i=L+i （2.8） 相绕组的一个导通周期 有正有负，L也有变化，在定性分析中，近似以为一个导通周期内有： ，假设为常数，联立（2.3）与（2.8）两式有： =K 或 （2.9）显然调节电机绕组端电压u，即可对转速进行调节，实现其优良的调速性能。目前常用的调压控制方案主要有两类：一是相控整流调压方案，二是PWM斩波调压控制方案。相控整流调压利用晶闸管的移相延时导通来调节其输出电压，目前，晶闸管的开关功率可达5000V，5000A水平。故采用这种方案，其容量可做得很大，且晶闸管承受浪涌电流能力强，成本也较低，曾经在直流调速等领域获得广泛应用，但其控制性能差，输入、输出关系复杂，开关速度低，开关损耗大，且空载或轻载功率因数低，对电网污染严重，调节周期受到电网频率的限制。（2） 斩波限流控制低速运行时，绕组导通周期长，电流峰值大，故需限制其电流值，靠加大开通角，减少导通区，固然可以限流，但会降低电机出力，此时宜采用斩波限流。斩波限流控制的实现有两种方案：一是对电流的上、下都控制，斩波时电流的峰值与谷值均可齐平。如图2.5 所示，其优点是电流波形比较平整，但开关频率不容易控制。二是仅控制电流的峰值，电流一旦超限就关断绕组一段很短的时间， 此方案的优点是控制较为简单。显然无论采用哪种控制方案，通过调节斩波电流的限幅，即可实现对转矩的控制，从而达到对速度的控制。滞环比较器电流上下限给定导通区图2.5 斩波限流控制图（3） 单脉冲控制 随着转速的升高，运动反电势增大，且各相绕组开关导通时间相对缩短，电流峰值受到有效抑制，此时，相绕组电流呈单脉冲形状，转矩随转速的增加而迅速下降，为抑制转矩的快速下降，可对各相绕组进行导通位置及导通区长短的控制（单脉冲控制），从而控制电流及转矩，控制参数是开通角及关断角，其中是主要控制参数，一般是优选，控制。2.5 本章小结本章通过介绍开关磁阻电机的组成，相数与结构，工作原理，基本数学模型，使研究更加深入，为下面的进一步研究做了必备的铺垫。第3章 开关磁阻电动机起动方式与起动转矩分析开关磁阻电动机(Switched Reluctance Drive以下简称为SRD)由于结构简单,运行可靠,控制灵活,效率高等优点,越来越广泛应用到工业生产的各个领域.由于SR电动机定、转子铁心均为凸极结构,磁路具有很高的饱和度,绕组又是单极性脉冲供电,运行机理与常规电动机有很大不同,国内外电工界对此作了深入的探索。这里,我们对SR电动机起动转矩大(可达1.5倍额定转矩)。起动电流小(仅为额定电流的30%)这一优良的起动特性进行全面分析：首先分析了SR电动机的起动方式。其次,在论述相绕组电流为平顶波时的起动转矩、起动电流及起动时的能量比率的基础上,回答了SR电动机为什么起动电流小而起动转矩大这一问题。最后给出了实验数据。3.1 SR电动机起动方式SR电动机由静止到正常运转须经历的起动过程与步进电动机不同,SR电动机始终工作在有位置反馈的自同步状态,因此,SR电动机不存在起动过程中因转速过高而引起失步导致起动失败的问题，而且,SR电动机起动方便,无需辅助设备。下面以四相8/6极SR电动机为例,分析它的起动方式。四相8/6极SR电动机有两种起动方式：一是单相通电起动方式,二是两相绕组同时通电起动方式。图3.1 四相开关磁阻电动机单相通电合成启动转矩现将SR电动机A、B、C、D四相绕组的矩角特性T(i,H)绘于图3.1。显然,转子处于不同位置,并且给不同的相通电,电动机所获得的起动转矩大小及方向都不同。图3.1中,是D、A两相转矩曲线交点。为获得尽可能大的起动转矩,不同的转子位置应给不同的相通电：-15+区间D相通电；+15区