开关磁阻电机

7.2开关磁阻电动机开关磁阻电动机调速系统(SwitchedReluctanceDrive开关磁阻电动机调速系统(SwitchedReluctanceDrive,简称SRD）是20世纪80年代图7-19开关磁阻电动机调速系统构成中期发展起来的新型交流调速系统，它由开关磁阻电动机（SRM）、功率变换器、位置检测器及控制器所构成，其系统构成与永磁无刷直流电动机几乎一样，如图7-19图7-19开关磁阻电动机调速系统构成7.2.1开关磁阻电动机的结构及其动作原理典型的三相开关磁阻电动机的结构如图7-20所示。其定子和转子均为凸极结构，图示电机的定子有6个极（N,=6），转子有4个极（"4）。定子极上套有集中线圈，两个空间位置相对的极上的线圈顺向串联构成一相绕组，'图7-20a）中只画出了A相绕组；转子由硅钢片叠压而成，转子上无绕组。该电机则称三相6/4极开关磁阻电动机。在结构形式及图7-20开关磁阻电动机动作原理图工作原理上，开关磁阻电动机与大步距反应式步进电机并无差别；但在控制方式上步进电机应归属于他控式变频，而开关磁阻电动机则归属于自控式变频；在应用上步进电机都用作“控制电机”而开关磁阻电机则是拖动用电机，因此电机设计时所追求的目标不同而使电机的设计参数不同图7-20开关磁阻电动机动作原理图工作原理当A相绕组通电时，因磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，将力图使转子转动最终使转子1、3极和定子A、A'极对齐，A相断电、B相通电时，则B相电流产生的磁吸力要吸引转子2、4极，使转子逆时针转动，最终使转子2、4极与定子B、B'对齐，转子在空间转过9=30机械角。再使B相断电、C相通电，转子又将逆时针转过30，一个通电周期使转子在空间转过了一个齿距。电机若按A-C-B-A的顺序通电，则反方向旋转。电流的方向不影响上述的动作过程。为保证开关磁阻电动机能连续旋转，当A相吸合时,B相的定、转子极轴线应错开1/m个转子极距，m为电机相数，若电机极对数为〃，定子极数N,=Imp，则转子极数应为Nr=2（m1）/p。根据这个规律，可得到各种不同相数、不同极数的开关磁阻电机，常用的有：三相6/4极，三相6/8极，四相8/6极，四相8/10极，三相12/8极等。当电机定子每相绕组的通电频率为f时，每个电周期转子转过一个转子极距，每秒钟转60f

~N~过f个转子极距，即每秒转过fN60f

~N~（7-5）7.2.2开关磁阻电动机的工作原理

开关磁阻电动机的静转矩可以通过其磁场储能w或磁共能W'对转子位置角0的偏导数求得，即i=constni=const60(7-6)在电机磁路不饱和的情况下，即假定磁路是线性的情况下，有w=w，=2加=2i2L从而静转矩为T_8w：_1i26LTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"60 260式中，i、w、L分别是通电相绕组的电流、磁链及电感。(7-7)(7-8)式（7-8）反映出了磁阻性质转矩产生的原因，当电流恒定时，只有磁导A（L=N2A，N是绕组匝数）随位置0变化时才会产生转矩，且该转矩总是力图使A(7-7)(7-8)6L 6L且可知L>0时，产生正向转矩；r<0时，产生制动转矩。据此，即可由开关磁阻电动60 60机的电感L（或磁导A）随转子位置角0而变化的曲线L=f（0）得到矩角特性T=f（0），两条曲线如图7-21a）、b）所示。图a）是A相绕组的磁导AA（0）或电感LA（0）曲线，其电感最小位置是定子极轴线对准转子槽轴线的位置，并定义此时刻0=0；其电感最大位置是定子极轴线与转子极轴线对齐的位置，是图7-20a）状态的位置，此时刻的0=45机械角。从电感曲线可看到，电感变化的周期是90机械角，是一个电周期，故电角度是机械角度的N,倍，为免去不同转子极数电机分析时角度不同的麻烦，以下0角均以电角度（或电弧度）表示之。图b）中，除A相的矩角特性TA外，还同时用虚线画上了B、C相的矩角特性。从矩角特性可知，在0兀这电感上升区域内在A相绕组中通入电流（正、负电流都可以），就可以得到正转矩；在冗口2冗区域内，电感下降，故只要人口相绕组有电流就会得到制动转矩。但在电感的最小值及最大值附近，电感不变或变化不大，所能得到的转矩为零或接近为零。a)0jb)位置检测器所区域c)⑥④d)Te)0f)Tg)iiiGiiiA/图7-21开关磁阻电动机的工作原理a）A相磁导曲线b）矩角特性 c）位置检测区域区分的类似于无刷直流电动机自控式变频的方式，用位置信息来控制各绕组的通断即可输出正向的（或反向）的平均转矩。用位置检测器把02兀分成6个编码的区域①〜a)0jb)位置检测器所区域c)⑥④d)Te)0f)Tg)iiiGiiiA/图7-21开关磁阻电动机的工作原理a）A相磁导曲线b）矩角特性 c）位置检测区域区分的若改成图7-20f）所示的区域通电，对正向运行的电机，得到制动转矩，转矩波形如图7-21g）；对静止的电机则得到与参考方向反向的转矩，使电机反向起动，进入反转电动运行。反转时，。角是反向运动的，所以从图7-21e）可看到实际的导通顺序是A-AC-C-CB-B-BA-Ao7.2.3开关磁阻电动机的控制原理从上面的运行原理分析可知，开关磁阻电动机在采用自控式变频方式的情况下，只要能按位置的逻辑关系提供电流，控制电流的大小及其流通的区域就能控制转矩，进而就能控制转速。对其它类型的电机，分析到这一步很快就可以得出完整的控制策略了，但开关磁阻电动机却不然，其原因是其电流的控制非常困难，这是开关磁阻电动机控制的主要难点。讨论控制原理与控制策略时，将主要围绕如何控制电流的大小及其流通的区域的问题来展开。1.电流方程对m相对称的开关磁阻电动机，讨论其中一相的通电情况，列出其电路的电压平衡方程式为dwu=iR+ 沮dt（7-9）式中，u沮一一电机绕组两端的电压；R——电机一相绕组的电阻，一般情况下，R很小，在近似的原理分析时R=0；w——电机一相绕组的磁链。在电压源型变换电路中，通过开关元件的通、断组合，在单电源供电的情况下u最多in只有三种可能：+U 主开关元件导通时d一.一-…u=<0 零电压续流时"-U 主开关元件关断负电压续流时Id（7-10）设电机在匀速旋转，①=d6/dt，并把w=IL代入式（7-9），得TT.八d(iL).八Tdi.dLUn=iR+~d—=iR+L~+1①函-（7-11）上式等号右边的第1项是电阻压降，第2项是自感压降（变压器电势），第3项是与转速①有关的旋转电势。当把电压条件代入后，该方程是一个有关电流的方程，该电流方程表明绕组电流在导通期间的变化规律非常复杂，主要的影响因素是其旋转电势。下面分析在主元件导通，绕组正向通电，u.〃=〃』时的情况。低速时，①很小，旋转电势很小，电压U几乎全降落在式（7-11）右边的第2项上，使电流上升很快。又由于是低d速，每个位置区域所占的时间很长。电流若无其它控制措施必然会过流。这就需要在低速时采用斩波控制的方式。高速时，①很大，但旋转电势还与dL/湘有关，况/66有可能很大（电感上升区），也可能是负值的很大（电压下降区），也可能为零（电感最大值或最小值附近：。因此，旋转电势与U的合成值［U-ito（6L/66）］使电流的变化趋势是：电流既可能上升，也可能下降，dd也有可能是水平保持。若电流导通区域是如图7-21d）所示的180°区域来导通，则6L/66在该区域都较大的正值，合成值［U-ito（6L/66）］不大，且因为高速，180°区域所占的时间d并不长，这两个原因使电流在整个180°区域之中都无法升到所需要的电流值。为了要得到所需的电流值，就必须把导通时刻前移，使导通时的6L/66小于零，合成值

[U/（况/洸）]就将大大增大，使电流在前移的那一段区域内就能升到所需要的电流值。这样一来，就引入了一个开关磁阻电动机特有的“开通角1〃、关断角0也.”的概念。高速时，必须把开通角0on前移，以得到所需的电流值。这就需要在高速时采用移角度控制的方式。2.磁链方程式（7-9）在R-0的条件下，把dt=d0/①代入，整理后可得磁链方程为[*o+w0+ 正向导通时，W线性增长W=j匕d0=W 零电压续流时，w保持不变 （7-12）* 00w-皆 零电压续流时，w线性减小I0- *以高速运行时为例分析。高速时，导通期间不斩波，主元件连续导通，导通时的七为

磁链线性增长；续流时的um为以高速运行时为例分析。高速时，导通期间不斩波，主元件连续导通，导通时的七为

磁链线性增长；续流时的um为-Ud，磁链线性减小。w在0坐标上的波形是一等腰U，d加负电压导通区加正电压三角形，导通区域与续流区域一样长，波形如图7-22所示。当180导通时，关断后电流衰减到零的区间也要180,很明显，这时的转矩将有很大一段时间是负转矩，使电机的平均转矩下降，损耗增加。为此，必须把关断角0也.从电感最大位置处前移，以免电流产生太大的负转矩。同时也可知，绕组的连续导通区域不能大于180，否则绕组中的电流将连续，从运行原理分析上可知这是极不利的。加负电压导通区加正电压3.电流控制方式3.电流控制方式从上面分析可知，为了控制电流的大小与流通区域，在稍高转速时为避免电流进零电压续流将优于负电压续a的波形如图9-23a）所示，图中斩波续流采用零开关磁阻电动机在起动及低速时，必须采用电流斩波控制（ChoppedCurrentControl，简称CCC），使电流控制在“给定电流水平I在稍高转速时为避免电流进零电压续流将优于负电压续a的波形如图9-23a）所示，图中斩波续流采用零入制动区可根据位置码分区的多少而适当提前。在斩波续流时流。其A相的驱动信号u、电流七、电压u电压续流，关断后的续流采用负电压续流。

在电动机高速运行时，只能通过改变开通角1〃及关断角。也.来达到所需的较大电流。这种控制方式称之为角度位置控制（AngularPositionControl，简称APC），其A相的驱动信号u、电流七、电压ua的波形如图7-23b）所示。但应注意，高速轻载运行时，若采用角度控制［将会使导通的区域很窄，以至电机的转矩脉动很大，故高速轻载时仍应结合CCC控制以期达到所期望的电流值。可以看到，电流给定水平、、开通角。。〃、关断角七，是开关磁阻电动机为控制电流大小及导通区域的三个主要控制量，与其它电机相比，其控制变量多，但又不能用一个控制变量来完成全部的控制任务，在不同的条件下只能采用所需的控制变量，随着转速或负载的变化需要对控制模式进行切换，这是开关磁阻电动机控制的重大缺点。为克服这一缺点，现在已经有把这两种控制模式融合在一起的几个变量同时变化的多变量同时控制的方案。限于篇幅不再详细介绍。4.功率平衡方程把1相绕组的磁场储能对时间求导，可得把式（7-11）两边乘以i，并上式及（9-8）的关系代入，整理后可得功率平衡方程式为uini=i2R+d(^Li2)+1i2①生=i2R+d(iLi2)+T⑶

dt2 2 69 dtuin(7-13)即:'电源输出或］f电阻消\'电源输出或］f电阻消\f电感磁场），f输出或回馈.吸收的功率/电阻R、电感L是恒定的正值；电流i在绕组中是恒定正值（负值经平方后也一样）；电源电压有正、有负，但其负号已经考虑在"in的符号中了，这时电源端的电流i也是恒正值；与〃、6L/60、T、o、d（十Li2）/dt则都有正、负、零的可能，其组合情况很多，分析几种典型工况，余下工况由读者自行分析。（储能变化）（的机械功率）式(7-13)中正向旋转时，在电感上升区域施加正向电压。 U讯=U广6L/60>0，o>0，一1.6L-T=-12-->0，即式（7-13）中的所有项都大于零。说明这时电源输出的电能除消耗在电阻260上之外，一部分用于磁场储能的增加，另一部分用于机械能的输出。正向旋转时，在电感上升区域零电压续流。Uin=0，o>0，6L/60>0，T>0。由式（7-12）磁链方程可知，零电压续流时磁链保持不变，即（Li）是常数，而L在变大，贝肛•在下降，（乡Li2）也在下降。由此可知，此时是电感磁场储能在减小，减小的能量用于电阻耗能及机械能输出。正向旋转时，在电感不变区域负电压续流。Un=-Ud，电源将吸收功率；6L/60=0，T=0,无机械功率变化；磁链下降，电感不变，电流将下降。磁场储能以i2的速率下降，释放的能量送回电源。上述的三种工况正是低速斩波控制中的三种工况。7.2.4开关磁阻电动机的主电路及系统原理图1.主电路

VT导通时，A相通电绕组电压为1开关磁阻电动机主电路的形式开关磁阻电动机的主电路有多种形式，具有代表性的3种电路结构如图7-24所示，图中只画出了其中的一相电路。图a）是不对称半桥电路，呵、VT?导通时，绕组所加电压为正Ud，关断其中一只主元件零电压续流时，绕组所加电压为零;呵、VT?同时关断，绕组电流通过V。］、VD^续流时，绕组电压为负U/它可以方便地实现前面分析中所提的各种控制方案，是开关磁阻电动机最具典型也是用得最多的主电路形式。图VT导通时，A相通电绕组电压为1开关磁阻电动机主电路的形式磁场储能由其耦合线圈使V。磁场储能由其耦合线圈使V。］导通而续流，相当于绕组电压为-Ud。

已极少采用。图6是双电源单绕组，双电源一般靠电解电容分裂电源得图7-25系统原理框图+气,VT］关断后这种方案缺点很多到，VT^导通时，A相绕组电压为+UJ2，能量由上电源提供；VT］关断后，VD］续流，A相绕组电压为-UJ2，能量回馈回下电源。为使上下电源工作对称，电机应采用偶数相，这种方