开关磁阻电机1课件

第第2章章开关磁阻电机及其驱动开关磁阻电机及其驱动控制系统控制系统 (SRD)(SRD)2.1 SRM 传动系统传动系统2.2 SRM 基本方程与性能分析基本方程与性能分析2.3 SRD的的 控制原理控制原理2.4 SRD 的的功率变换器功率变换器2.5 SRD 传动系统的反馈信号检测传动系统的反馈信号检测2.6 SRD 控制系统原理及其实现控制系统原理及其实现2.7 基于单片机的基于单片机的SRD控制系统控制系统2.8 基于基于DSP的的SRD控制系统控制系统2.9 开关磁阻发电机开关磁阻发电机2.1 SRD2.1 SRD传动系统传动系统2.1.1 SRDSRD传动系统的组成传动系统的组成SR电动机定、转子实际结构电动机定、转子实际结构 SR电机结构与原理电机结构与原理结构特点：结构特点：1、双凸极、双凸极结构结构2、定子集、定子集中绕阻、绕中绕阻、绕组为单方向组为单方向通电通电 3、转子无、转子无绕阻绕阻2.1.2 运行原理：运行原理：磁阻最小原理磁阻最小原理电机原理演示电机原理演示磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心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磁场的轴线重合A-A 通电通电 1-1 与与A-A重合重合B-B 通电通电 2-2 与与B-B重合重合C-C 通电通电 3-3 与与C-C重合重合D-D 通电通电 1-1 与与D-D重合重合依次给依次给依次给依次给A-B-C-DA-B-C-D绕组通电，转绕组通电，转绕组通电，转绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转子逆励磁顺序方向连续旋转子逆励磁顺序方向连续旋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极三相开关磁阻电动机以不同的颜色表示磁场强弱，蓝色磁场最弱，绿色强当某一相通电时，磁极极尖处磁场强1 1、依次给、依次给、依次给、依次给A-B-C-AA-B-C-A绕组通电，转子逆励磁顺序方绕组通电，转子逆励磁顺序方绕组通电，转子逆励磁顺序方绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机的转向的转向的转向的转向2 2、通电一周期，转过一个转子极距、通电一周期，转过一个转子极距、通电一周期，转过一个转子极距、通电一周期，转过一个转子极距t t t tr r=360/N=360/Nr r3 3、步距角步距角步距角步距角 b b=t t t tr r/m/m=360/(mN=360/(mNr r)4 4、转矩方向与电流无关转矩方向与电流无关转矩方向与电流无关转矩方向与电流无关,但转矩存在脉动。但转矩存在脉动。但转矩存在脉动。但转矩存在脉动。5 5、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普通、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普通、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普通、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，需要与控制器异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器一同使用。一同使用。一同使用。一同使用。结结 论：论：2.1.3 开关磁阻电动机的相数与结构开关磁阻电动机的相数与结构 相数与级数关系相数与级数关系1 1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。定子和转子齿槽数应为偶数。2 2、定子和转子齿槽数不相等、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。但应尽量接近。因因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子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。出力的重要因素。SR电动机常用的相数与极数组合电动机常用的相数与极数组合 相数相数 3 4 5 6 7 8 9定子极数定子极数 6 8 10 12 14 16 18转子极数转子极数 4 6 8 10 12 14 16步进角步进角(度度)30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR电机常用方案电机常用方案相数与转矩、性能关系：相数与转矩、性能关系：相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常相数越大，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、单相用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM低于三相的低于三相的SRM 没有自起动能力没有自起动能力外转子单相外转子单相SR电动机电动机 利用永磁体辅助起动的单相利用永磁体辅助起动的单相SR电动机电动机（1）2-phase 4 stator pole/2 rotor pole（2）4-phase 8 stator pole/6 rotor pole（3）3-phase 6 stator pole/4 rotor pole（4）5-phase 10 stator pole/8 rotor pole2.1.4 SRD特点特点1)1)电动机结构简单、成本低、适用于高速电动机结构简单、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。单的鼠笼式感应电动机还要简单。2)2)功率电路简单可靠功率电路简单可靠 因为电动机转矩方因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向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绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。个功率开关。SRD特点：特点：3)3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统各相独立工作，可构成极高可靠性系统 从从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相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，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。电动机才能正常运转。4)4)高起动转矩，低起动电流高起动转矩，低起动电流 控制器从电源侧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。转矩是本系统的一大特点。（SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）SRD特点：特点：5)5)适用于频繁起停及正反向转运行适用于频繁起停及正反向转运行 SRDSRD系统具有的高起动转矩，低起动电流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小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。运行时还小。6)6)可控参数多，调速性能好可控参数多，调速性能好 控制开关控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种法至少有四种:相开通角相开通角,相关断角相关断角,相电流幅值相电流幅值,相绕组电压。相绕组电压。7)7)效率高，损耗小效率高，损耗小 SRDSRD系统是一种系统是一种非常高效的调速系统。非常高效的调速系统。8)8)可通过机和电的统一协调设计满可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求足各种特殊使用要求 。9)9)缺点：转矩脉动、振动、噪声缺点：转矩脉动、振动、噪声 但但可通过特殊设计克服可通过特殊设计克服 SRD特点：特点：2.1.5 SRD发展概况发展概况7.5 7.5 kW kW、1500 r/min1500 r/min几种调速系统性能比较几种调速系统性能比较几种调速系统性能比较几种调速系统性能比较 航空工业航空工业 家用电器家用电器 机械传动机械传动 精密伺服系统精密伺服系统 电动车电动车 2.1.6 SRD的应用与研究动向的应用与研究动向应应用用SRD的研究方向的研究方向SR电机设计研究：电机设计研究：铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论SR电机的控制策略研究：电机的控制策略研究：最优控制，减小转矩脉动、降低噪声最优控制，减小转矩脉动、降低噪声具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰的新型控制策略各种不确定性干扰的新型控制策略智能控制策略智能控制策略SR电机的无位置传感器控制电机的无位置传感器控制SR电机的振动、噪声研究电机的振动、噪声研究无轴承无轴承SR电机研究（磁悬浮）电机研究（磁悬浮）SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等2.2 SR电机基本方程与性能分析电机基本方程与性能分析不计磁滞、涡流及绕组间互感时，不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相相SR电电机系统示意图机系统示意图 J转转子与负载的转动惯量子与负载的转动惯量 D粘粘性摩擦系数性摩擦系数 TL负负载转矩载转矩电路方程电路方程第第k相绕组的相电压平衡方程相绕组的相电压平衡方程:磁链方程磁链方程所以：所以：电阻压降电阻压降变压器电动势变压器电动势变压器电动势变压器电动势运动电动势运动电动势运动电动势运动电动势(转子位置改变转子位置改变转子位置改变转子位置改变)机械运动方程：机械运动方程：式中式中T Te e电磁转矩；电磁转矩；J J系统的转动惯量；系统的转动惯量；K K 摩擦系数；摩擦系数；TL负载转矩。负载转矩。电磁转矩：电磁转矩：磁共能的表达式为：磁共能的表达式为：Y-Y-iSRSR电机的瞬时电磁转矩电机的瞬时电磁转矩T Te e可由磁共能可由磁共能W Wc c导出：导出：SRSR电机的平均电磁转矩电机的平均电磁转矩T Tavav2.2.2基于理想线性模型的基于理想线性模型的SR电动机分析电动机分析 线性模型线性模型线性模型线性模型：不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关，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此时电感只与转子位置有关 1 0 2 3 0 4 5 SR电机相电感随转子位置变化电机相电感随转子位置变化stator =1位置位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 1stator=0o位置位置rotor定子磁极轴线与转子凹槽中心重合定子磁极轴线与转子凹槽中心重合=0ostator =2位位置置rotor转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 2stator =3位置位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置rotor 3stator =4位位置置rotor转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置 4stator =5位位置置rotor转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 5 1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合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：电机绕组电感的分段线性解析式：K=(Lmax-Lmin)/(3-2)=(Lmax-Lmin)/s特征：特征：特征：特征：随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感在在在在L Lmaxmax 和和和和L Lminmin之间线性地变化之间线性地变化之间线性地变化之间线性地变化 。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定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感。相电流解析分析相电流解析分析第第k k相绕组模型相绕组模型续流结束角续流结束角续流结束角续流结束角忽略电阻，相绕组电压方程：忽略电阻，相绕组电压方程：所以：所以：所以：所以：而：而：=L i相电流解析分析相电流解析分析同时可以同时可以导出：导出：KT为常数为常数1)当当 1 2,L=Lmin,Us为为+因：因：L=Lmin,Us取取+,则：则：又：又：i(on)=0,所以，所以，当当 1 2时，时，2)当当 2 off,L=Lmin+K(-2)，Us为为+积分得：积分得：由初始条件：由初始条件：i(2)=Us(2-on)/(Lmin)确定确定 C=Us on/，所以所以,2)当当 2 off时时在在 2 off 期间期间3)当当 off 3,L=Lmin+K(-2)，Us为为-4)当当 3 4,L=Lmax，Us为为-5)当当 4 2 off-on5,L=Lmax-K(-4)，Us为为-开通角开通角关关断断角角 on 2:电感上升，使绕组电感上升，使绕组电流下降电流下降 off 3:在在电感达最大之前，绕组电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。关断，绕组续流。3 z 4(zz=2=2offoff-onon)在电感下降之前在电感下降之前，续续流结束。否则会产生反向流结束。否则会产生反向转矩转矩典型电流波形典型电流波形不同开通角下电流波形特点：特点：开通角越开通角越小，电流小，电流幅值越大，幅值越大，续流时间续流时间越长。越长。不同关断角下电流波形变化趋势：变化趋势：结构一定，在结构一定，在onon和和offoff不变时，不变时，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通过调整开关角和关断角也的升高而减小；通过调整开关角和关断角也可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机的电磁转矩增大。的电磁转矩增大。影响绕组电流的因素影响绕组电流的因素：外加电源电压外加电源电压UsUs、角角速度速度r r、开通角开通角onon、关断角关断角offoff、最大电最大电感感Lmaxmax、最小电感最小电感Lminmin、定子极弧定子极弧s s等。等。线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常为避免繁琐计算，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，借助准线性模型：将实际非线性磁化曲线分段线性，且不考虑磁耦合且不考虑磁耦合两段线性处理：两段线性处理：两段线性处理：两段线性处理：一段为饱和段，视为与一段为饱和段，视为与=0的位置的磁的位置的磁化曲线平行化曲线平行,斜率为斜率为Lmin；一段为非饱和段，为一段为非饱和段，为L(,i)的的 不饱和段。不饱和段。准线性模型分析准线性模型分析实际磁化曲线实际磁化曲线分段线性磁化曲线分段线性磁化曲线i1准线性模型绕阻电感准线性模型绕阻电感L(i,):基于准线性模型，基于准线性模型，L(i,)是可解析的，可是可解析的，可以分别求出绕阻磁链与磁共能的分段解析式，以分别求出绕阻磁链与磁共能的分段解析式，由此得到由此得到SR电机的瞬时转矩的分段解析式：电机的瞬时转矩的分段解析式：在相电流为理想平顶波的情况下，在相电流为理想平顶波的情况下，SR电机电机平均电磁转矩平均电磁转矩Tav的解析式的解析式 当当SRSR电电动动机机运运行行在在电电流流值值很很小小的的情情况况下下，磁磁路路不不饱饱和和，电电磁磁转转矩矩与与电电流流平平方方成成正正比比；当当运运行行在在饱饱和和情情况况下下，电电磁磁转转矩矩与与电电流流的的一一次次方方成成正正比比。这这个个结结论论可可以以作作为为制制定定控控制策略的依据。制策略的依据。1)on 是控制转矩的重要参数：是控制转矩的重要参数：一定时，若一定时，若开通角开通角 on较小，相电流直线上升时间较长，较小，相电流直线上升时间较长，从而增大电流，提高转矩从而增大电流，提高转矩。2)在在 on一定时，增大一定时，增大 off,平均转矩也相应增平均转矩也相应增大。但导通角大。但导通角 c=off-on有一个最佳值，超有一个最佳值，超过此值，过此值，c 增大，平均转矩反而减小。增大，平均转矩反而减小。讨论：讨论：