开关磁阻电动机

第七章开关磁阻电动机7-1SRM结构与基本原理7-2SRM的简单分析及控制策略7-3SRD功率变换器基础7-4SRD位置传感器7-5SRD控制器简介7-6SRD研究概况

7-1SR电机结构与原理结构特点：1、双凸极结构2、定子集中绕组、绕组为单方向通电3、转子无绕组运行原理：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12/8极三相开关磁阻电动机结论：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/Nr3、步距角qb=tr/m=360/(mNr)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。SR电机：实现机电能量转换，可以为单相、两相、三相、四相，…….功率变换器：向电机提供所需电能，由蓄电池或整流电源供电。SR电机的功率变换器不仅简单，且是与相绕阻串联的，可以防止短路；可以选择具有最少开关器件的电路，降低成本。控制器——调速系统的中枢1根据转子位置信号确定导通相，给出触发信号，控制功率变换器开关2比较给定与反馈信号(I,n)，采取一定的控制方式，调节转矩、转速SR电机调速系统的构成电流检测：斩波控制、过流保护位置检测：确定定、转子相对位置，然后将位置信号反馈到控制电路，决定对应相绕组的通断。SR电机极数与相数的限制：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Zs和Zr应为偶数。2、Zs≠Zr，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。常用极数关系：Zs=Zr+2相数关系：m=Zs/2相数3456789定子极数681012141618转子极数46810121416步进角(度)3015964.283.212.5SR电机常用方案相数与转矩、性能关系：相数越多，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SRD特点：1)电动机结构简单、成本低、适用于高速,开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。2)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。SRD特点：3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统

从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，电动机才能正常运转。4)高起动转矩，低起动电流

控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。

（SR:0.4IN,1.4TNIM:6-7IN,2-3TN）SRD特点：5)适用于频繁起停及正反向转运行SRD系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。6)可控参数多，调速性能好控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种:相开通角,相关断角,相电流幅值,相绕组电压。7)效率高，损耗小SRD系统是一种非常高效的调速系统。8)可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。9)缺点：转矩脉动、振动、噪声但可通过特殊设计克服SRD特点：

7-2SRM的分析及其控制策略

7-2-1SR电机基本方程不计磁滞、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D—粘性摩擦系数TL—负载转矩电路方程第k相绕组的相电压平衡方程:电路方程所以：电阻压降变压器电动势运动电动势(转子位置改变)机械方程：电磁转矩：磁共能的表达式为：Y-iSR电机的瞬时电磁转矩Te可由磁共能Wc导出：SR电机的平均电磁转矩Tav7-2-2简化线性模型线性模型：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1023045

SR电机相电感随转子位置变化stator=1位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置1stator=0o位置rotor定子磁极轴线与转子凹槽中心重合=0ostator=2位置rotor转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置2stator=3位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置rotor3stator=4位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置4stator=5位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置51023045

=0定子磁极轴线与转子凹槽中心重合1(5)转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置2转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置3转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置4转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置SR电机绕组电感的分段线性解析式：K=(Lmax-Lmin)/(3-2)=(Lmax-Lmin)/s特征：随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感在Lmax和Lmin之间线性地变化。Lmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感,Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感。相电流解析分析第k相绕组模型续流结束角on<2:在电感上升前开通，迅速建立电流，以获得足够转矩>2:电感上升，使绕组电流下降off<3:在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。3<z<4(θz=2θoff-θon)在电感下降之前，续流结束。否则会产生反向转矩典型电流波形为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常借助准线性模型：将实际非线性磁化曲线分段线性，且不考虑磁耦合两段线性处理：一段为饱和段，视为与=0的位置的磁化曲线平行,斜率为Lmin；一段为非饱和段，为L(,i)的不饱和段。7-2-3准线性模型分析实际磁化曲线分段线性磁化曲线i1SR电机控制策略：*基速以下，电流斩波控制(CCC)，输出恒转矩可控量为：Us、on、off控制法1：固定on,off，通过电流斩波限制电流，得到恒转矩控制法2：固定on,off，由速度设定值和实际值之差调制Us，进而改变转矩*基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率SR电机的典型转矩-转速特性7-3功率开关电路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。

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，有效地控制相电流；（6）能将能量回馈给电源。7-3-1主电路常见形式1、双开关型每相有两只主开关和两只续流二极管。当S和S1同时导通时，电源Us向电机相绕组A供电；当S和S1同时关断时，电流经VD1和VD2续流，将磁场储能以电能形式迅速回馈电源，实现强迫换相。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双开关型主电路又称为不对称半桥型主电路双绕组型电路特点主开关S1导通时，电源对主绕组A供电；当其关断时，靠磁耦合将主绕组A的电流转移到副绕组，通过二极管D1续流，向电源回馈电能，实现强迫换相。早期使用的双绕组结构，每相有主、副两个绕组，主、副绕组双线并绕，同名端反接，其匝数比为1：1。2、双绕组型

缺点：1）由于主、副绕组之间不可能完全耦合，在S1关断的瞬间，因漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰电压，故S1需要有良好的吸收回路。2）由于采用主、副两个绕组，因而电机槽及铜线利用率低。铜耗增加、体积增大。优点：适用于任何相数的SRM，尤其适宜于低压直流电源供电场合3、电容分压型（电源分裂式）两个相串联的电容C1和C2将电源电压一分为二,构成中点电位。每相只有一个主开关S和一只续流二极管D。

当S1导通时，上侧电容C1对A相绕组放电，电源对A相供电，经下侧电容C2构成回路；当S1关断时，A相电流经D1续流，向下侧电容C2充电。

电容分压型电路的特点1）只适用于偶数相SR电机2）主开关数较少3）相控独立性：不独立4）电源利用率低，每相电压为电源电压的1/2。5）需限制中点电位漂移4、H桥型

该变换器比四相电容分压型功率变换器主电路少了两个串联的分压电容，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。工作制：AB-BC-CD-DAH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7-3-24相SR电机主电路工作方式4相8/6极SR电机主电路7-4位置检测与换相逻辑7-4-14相8/6极SR电机光电传感器静止部分运动部分红外发光二极管、光敏三极管、辅助电路与SRM转子同轴安装的遮光盘、遮光盘有6个30o间隔的齿位置检测4相SR电机位置传感器安装示意图定子上安装两个相距75o的光敏器件S、P,分别与定子极中心线成37.5o夹角。可输出两路相差15o、占空比为50%的方波信号将其组合为4种不同状态，代表定子绕组4种不同参考位置位置信号检测电路原理图VG为光耦，R1、R2限流电阻，两个非门对输出信号进行整形，以消除毛刺和上升沿、下降沿。光电耦合器件位置1：0o导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为A、B两相导通位置传感器信号：S未遮，输出高电平，持续15o。P被遮，输出低电平，持续30o。位置2：转过15o导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为B、C两相导通位置传感器信号：S被遮，输出低电平，持续30o。P被遮，输出低电平，持续15o。位置3：转过30o导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为C、D两相导通位置传感器信号：S被遮，输出低电平，持续15o。P未遮，输出高电平，持续30o。位置4：转过45o导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为D、A两相导通位置传感器信号：S未遮，输出高电平，持续30o。P未遮，输出高电平，持续15o。位置5：转过60o导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为A、B两相导通位置传感器信号：S未遮，输出高电平，持续15o。P被遮，输出低电平，持续30o。定、转子相对位置同位置1，60o一周期。正转逻辑关系逆时针旋转SP导通相10AB00BC01CD11DA10AB反转逻辑关系SP导通相00AD10DC11CB01BA00AD7-4-23相12/8极SR电机3相12/8极SR电机位置传感器示意图三个光耦，依次相隔15o安装产生占空比为50%、依次相差15的三个信号合成六个不同状态，代表电动机绕组不同参考位置光耦输出信号与转子位置关系7-5SRD控制器简介7-5-1SRD系统组成SRD系统组成部分:SR电机、功率电路、控制电路、检测电路在工程上控制器指功率电路+控制电路+检测电路7-5-2功率电路SR电机可由蓄电池或整流电源供电，一般SR电机的功率电路包括：整流电路+逆变电路电源选择：一般1.5kW及以下采用单相电源供电，2.2kW以上为三相电源整流电路：单相桥式、三相半波、三相桥式整流电路的直流侧：加电解电容（低通滤波）和高频无感电容滤波。1）整流电路2）常见逆变电路类型三相SR:不对称半桥型（双开关型）四相SR:H桥型功率开关器件：IGBT（中小容量）3）功率开关器件及其驱动常见驱动电路：Exb840/841、Exb850/851、TLP2507-5-3控制电路至功率电路输入接口1输入接口2输出接