毕业设计（论文）-开关磁阻电机调速系统设计.doc

毕 业 设 计 论 文题 目 开 关 磁 阻 电 机 调 速 系 统 设 计 （院）系 电 气 与 信 息 工 程 系 专业 电气工程及其自动化 班级 0002 学号 0 学生姓名 导师姓名 完成日期 2004年6月 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 开关磁阻电机调速系统设计（SRD） 姓名 系别电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化班级 0002 学号 0001120312 指导老师 教研室主任 石 安 乐 一、 基本任务及要求：设计研制一套开关磁阻电机调速系统（SRD）。1、 掌握开关磁阻电机调速系统的原理、系统结构及设计方法， 了解电机控制的发展方向。 2、 确定总体方案，完成总体设计与论证；3、 电机电磁方案设计分析研究；4、 硬件设计和软件设计；5、 施工设计，系统调试；6、 编制技术文件。二、 进度安排及完成时间：2月16日3月6日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告；3月7日3月21日：毕业实习、撰写实习报告；3月22日5月29日：毕业设计；5月30日6月15日：撰写毕业设计说明书（论文）；6月16日6月20日：修改、装订毕业设计说明书（论文）；6月20日6月26日：毕业设计答辩。前 言开关磁阻电机调速系统（SRD）由开关磁阻电机（SRM或SR电机）、功率变换器、控制器及检测器四个部分组成，是20世纪80年代迅速发展起来的一种新型电机驱动系统。它的结构极其简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高，是各国研究和开发的热点之一。SRD产品已广泛或开始应用于电动机驱动、家用电器、通用工业、航空工业和伺服领域等各个领域，覆盖功率范围10W5MW各种高低速驱动系统，呈现强大的市场潜力。 本SRD控制系统以8098准16位单片机为核心，配以8279等外围接口芯片构成检测、给定、显示、保护等外围电路，再加上驱动电路、主电路及磁阻电动机，便构成完整的SRD系统。整个设计分6章，第1章概述SRD的国内外发展概况、组成、工作原理及系统的性能特点；第2章分析了SRM的结构和分类，数学模型分析及电磁设计；第3章研究了功率变换器的主电路结构、主开关元件的选择及其IGBT的驱动电路、保护电路的设计；第4章给出了SRD系统的三个主要参数的检测问题；第5章研究了SRD系统中控制器的运行方式、起制动方式及其控制器的软硬件设计问题。本设计完成过程中，得到了谢卫才老师的悉心指导，在此表示深深的谢意。设计中引用了国内外一些研究成果，对这些文献设计者也在此一并致谢。由于本人水平和时间有限，设计中存在不足和疏漏之处，恳请读者不吝指正。 设计者 2004年6月目 录摘要.Abstract.第1章 概述11.1 SRM的发展概况和发展趋势.11.2 SRM 的组成和工作原理.41.2.1 SRM.41.2.2 功率变换器.51.2.3 转子位置检测器.61.2.4 控制器.61.3 系统的性能特点.7第2章 SRM.82.1 SRM的结构与分类.82.1.1 单相开关磁阻电动机82.1.2 两相开关磁阻电动机.82.1.3 三相开关磁阻电动机92.1.4 四相开关磁阻电动机92.2 SRM的数学模型.92.2.1 SRM的基本方程式.92.2.2 线形模型.112.3 SRM的设计132.3.1 主要技术指标.132.3.2 电动机的设计步骤.132.4 起动性能.142.4.1 一相起动方式.142.4.2 两相起动方式.15第3章 功率变换器163.1 功率变换器的主电路拓扑形式.163.2 主开关器件的选择.183.2.1 主开关器件的种类选择.183.2.2 主开关器件的额定电压.183.2.3 主开关器件的额定电流.193.3 大功率IGBT的驱动电路.20 3.3.1 IGBT的驱动要求.20 3.3.2 驱动电路.203.4 功率变换器的保护电路.213.4.1 RCD关断保护电路.213.4.2 电压保护电路.213.4.3 电流保护电路.223.4.4 制动放电电路.22第4章 主要参数检测.234.1 转子角位移检测器.234.2 电流检测器.244.3 转速检测.25第5章 控制器265.1 控制方式.265.1.1 控制参数与电机性能.305.1.2 起动与制动控制.30 5.2 实施办法.31 5.3 SRD的微机设计.32 5.3.1 控制系统的总体设计.32 5.3.2 速度调节器的设计.33 5.3.3 SRD控制系统的硬件设计.36 5.3.4 SRD控制系统的软件设计.43致谢.51附录.52开关磁阻电机调速系统设计摘要：开关磁阻电机(简称SRM或SR电机)具有结构简单、成本低、控制灵活等优点，由其构成的调速系统(简称SRD)具有交、直流调速系统所没有的优点，所以目前对于SRD已经形成了理论研究与实际应用并重的发展态势。本文以SR电机的设计，控制理论及其系统设计为主题展开理论和应用研究。 在介绍了SR电机及其控制系统设计研究的发展和现状之后，本文首先介绍了SRM的的结构和分类，建立了SR电机模型,分析了SRM的线形模型.在功率变换器的优化设计方面，本文在对于具有最少开关数的功率变换器拓扑结构进行研究的基础上，研究了其中H型功率变换器，分析了这种功率变换器的运行模式，给出了相关参数的估算公式。随后主要研究了SRD中的三个主要参数转子位置、电流、转速的检测问题。最后，本控制系统以8098准16位单片机为核心，配以8279等外围接口芯片构成检测、给定、显示、保护等外围电路，再加以驱动电路、主电路及开关磁阻电动机，便构成完整的SRD系统。关键词:开关磁阻电机;电流斩波控制（CCC）;角度位置控制（APC）;功率变换器;位置检测;单片机.The design of the Switched Reluctance Drive(SRD)Abstract: Switched reluctance motor(SRM)take on the merits such as simple structure，low一cost，flexible control，etc. Switched reluctance drives system (SRD)has the advantage that conventional AC or DC drives system may have not，accordingly， as a emerging technology，theory and application research for SRD need to be studied. This dissertation is focused on the theory of control design for SRM.Firstly，This thesis analyzes APC and CCC control method of SRM and its convert circuit characteristics，and designed the control system based on 8098 chip. Then，the thesis analyzes the linear magnetic characteristics of SRM ，and established the model for SRM. SRM has higher precision and robustness compared with conventional method，while Possessing the rapid and simple characteristics. with regard to the converter of SRD system. the thesis firstly gives the study of the topology of converters that have the least main switches，and then lucubrates the single switch per phase converter with C-dump energy recovery circuit. The thesis analyzes the operation mode of the converter and gives the formula for estimation of the converter一related parameters. All these works guide the design for converter of SRD.Keywords: Switched reluctance motor; current chopped control, angle position control, Converter; Position estimation; single chip micro-computer 第1章 概 述1.1 开关磁阻电机的发展开关磁阻电机的最早文献可追溯到1838年，英格兰学者Davidson制造了一台用以推动蓄电池机车的驱动系统。据SRD LTD.的FULTON 博士在英国磁学一次研讨会上指出，Davidson的蓄电池机车重数吨，而最高速度却达不到一个人推动时所能获得的速度。由于当时采用的是机械开关，其运行特性、可靠性和机电能量转换效率都是很低的，从而难以引起人们的关注。上世纪20年代，英国学者C.L.Walker发明并取得步进电机的专利，初具了现代VR步进电机和开关磁阻电机的许多特征。随着电力电子器件和电磁场计算技术的发展，开关磁阻电机又逐步吸引了人们的注意力，60年代后，国外开始对SR电机进行深入的研究和论证。70年代左右，英国大学步进电机和磁阻电机研究小组首创了一台现代开关磁阻电机的雏形，并进行了实验研究，发表了许多论文，福特电机公司的Unnewehr和Korch以及Bausch等学者对轴向气隙、晶闸管控制的开关磁阻电机的研究，使研究工作进入了一个新的发展阶段。但使这一新型可变速驱动系统最终能引起人们的极大关注，则得力于英国学者P.J.Lawrenson及其同事们杰出贡献。1980年，Lawrenson及其同事在ICEM会议上，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了SR电机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代SR电机的地位。同年，英国成立了世界上第一家开关磁阻电机驱动装置有限公司（SRD LTD）（SRD LTD现已并入美国电气公司）。在SRD LTD早期的注册中，最著名的是TASC DRIVES（现为GRASEBY）推出的取名OULTON系列的SRD产品。1984年TASC DRIVES在第五次国际销售会议上，全面地宣传了422KW四个规格的系列产品，见下表。此外，SRD LTD试制了30KWSRD，用于GEC市内有轨电车牵引，两年内在各种十分恶劣的运行环境下，24140KM（15000MILE）的试车体现了良好的操纵性和可靠性，噪声也很低。目前，SR电机得到了很大的发展，产品已经广泛地或开始应用于电动车驱动系统、家用电器（洗衣机、食品加工机械等）、通用工业（风机、泵、压缩机等）、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机（用于纺织机，航空电动机，电动工具、离心机传动等）。功率范围从10W（转速为10000r/min）到5MW（转速为50r/min），转速上限高达100000r/min，几乎难以找到SR电机不适合的领域。表1-1 TASC公司的SRD系列产品性能SRD负载100%50%电动机转速100%1500r/min50% 750r/min25%375r/min100%1500r/min50%750r/min整个系统的总效率（%）D112型4.0KW82D132型7.5KW8583578482D160型15KW8785688784D180型22KW9188748987功率因数(%)D132型7.5KW8277757774D160型15KW8379767774D180型22KW8679757873除英国外，美国、加拿大、前南斯拉夫、埃及、土耳其等许多国家也都在积极开展SR电机的研究工作。美国空军和GE公司联合开发了航空发动机用SRD起动/发电机系统，有30KW、270V、最大转速为52000r/min和250KW、270V最大转速为23000r/min两种规格，取得了良好的应用效果。加拿大、前南斯拉夫在SR电机的运行理论、电磁场分析等方面做了大量的研究工作。埃及则对小功率的单相、两相开关磁阻电机的结构、起动性能等方面进行了许多研究。一些学者还研究了新型结构的SR电机，如盘式SR电机、外转子式SR电机、直线式SR电机和无位置传感器的SR电机等。传统观念中的磁阻式同步电机的效率和单位体积出力均低于异步电动机，理论研究和实际应用表明，由于SR电机采用了独特的结构和相应的控制策略，其单位体积出力完全可以与异步电动机相媲美，甚至还略占优势，更可贵的是在整个调速范围内系统效率都可维持在较高的水平。1989年，教授Harris将SR电机与异步电动机做了详细的比较，结论表明，SR电机在效率、单位体积出力均是优胜者。从1984年开始，我国许多单位先后开展了SR电机的研究工作，如北京纺织机械研究所（即中国纺织总会纺织机电研究所）、华中科技大学、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华南理工大学及浙江大学等，且SR电机被列入中小型电机“七五”科研规划项目。在借鉴国外经验的基础上，我国SR电机的研究进展很快，对SR电机的控制、仿真、设计理论和电磁场数值分析等都做了许多工作，在国际、国内刊物和会议上发表了许多篇论文。1988年11月在南京航空航天大学召开了首届SRD研讨会。1991年9月，在华南理工大学召开了第二届SRD研讨会。参加人员来自全国高校、研究所和工厂等25家单位，大会上成果交流表明，我国SRD的理论研究和应用已经取得了较大的进展，参加研制的单位有了显著的增加。1993年12月北京开关磁阻电机调速系统工业应用研讨会上，在中国电工技术学会中小型电机专业委员会领导下，正式成立了开关磁阻电机学组。10多年来，我国已研制了50W30KW、20多个规格的工业成品样机，在纺织机械、毛巾印花机、泽尔浆纱机、多功能蒸煮联合机以及轻型龙门刨床和食品加工机械等方面的应用中取得了良好的效果。但应该看到，目前我国SR电机的理论研究和实际应用都存在较大的不足和差距。近20年来，SR电机的研究在国内外取得了很大的发展，但作为一种新型调速驱动系统，研究的历史还较短，其技术涉及到电机学、微电子、电力电子、控制理论等众多学科领域，加之其复杂的非线形特性，导致研究的困难性，在电机理论、性能分析和设计等方面都还不够成熟、完善，存在大量的工作要做，如铁心损耗、转矩波动和噪声的理论研究，SR电机磁场的三维有限元分析，电机设计优化及控制参数的优化，SR电机的测试，无位置传感器的SR电机，新结构SR电机的开发等。在应用方面，SR电机作为一种新型调速系统，兼有直流调速和交流调速的优点，无疑有广阔的市场前景。但是PWM异步电动机和无刷直流电动机等经过了多年的开发推广，目前以领先一步，有了极广泛的应用，SR电机要进入调速市场并占据较大的份额，尚需花大力气宣传和开发它的工业应用。目前SRD LTD已研制了几十瓦到几十千瓦的SR电机，并成功地用于车辆牵引、风机、泵及卷扬机等工业生产领域。美国还将SR电机用作飞机发动机的起动发电装置。就我国国情来说，要使SR电机被人们普遍采用还需要广大的科研人员和研制单位做大量的推广工作。一方面要加强通用功率等级的应用，同时可从0.75KW以下的小功率应用和各种特殊用途领域进入市场。在100700W范围，SR电机单位体积输出功率高出异步电动机或直流换向器电动机的24倍，应充分利用国产功率半导体器件价格低、电机结构简单、成本低和在宽广的速度范围内实现高效率运行的优势。开发具有广泛用户的家用电器市场。SR电机全面进入市场是必然的，只是时间问题。1.2 开关磁阻电机调速系统的组成和工作原理开关磁阻电机调速系统，从功能上来看，由开关磁阻电机、转子位移传感器、功率变换器和控制器四部分组成。如图所示：控制器功率变换器位置检测电流检测负载SR电机 给定速度图1-1 SRD基本构成1.2.1 开关磁阻电机（SRM）SR电机是SRD的执行元件，图示为四相8/6极开关磁阻电机的电机结构原理图，电机为了增加出力设计成定、转子双凸极结构。转子仅由硅钢片叠压而成，既无绕组也无永磁体；定子各极上有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。其工作原理遵循“磁阻最小原理”磁阻总是要沿磁阻最小的路径闭合，因此磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。图1-2SR电机可以设计成单相、两相、三相、四相及多相等不同相数结构，且有每极单齿结构和每极多齿结构，轴向气隙、径向气隙和轴向-径向混合结构，内转子和外转子结构。低于三相的SR电机一般没有自起动能力。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、成本增多。目前应用较多的是三相6/4极结构和四相8/6极结构。下表为常见的SR电机定、转子极数组合方案。表1-2相数123456定子极数24661012转子极数2648810当A相绕组单独通电时，在电动机内建立以为轴线的磁场，该磁场作用于转子，将产生使邻近的转子极与之相重合的电磁转矩，并使转子转动。若在上述两者重合时B相绕组通电，则由于定子极距为60，而转子极距为90，由此产生的转矩将使转子逆时针动30。同理，再改为C相通电时，转子继续逆时针转动30。由此可知，若三相绕组轮流通电，即A-B-CA，则转子连续逆时针转动。若改变通电相序为ACBA，则可使转子顺时针转动。若改变相电流的大小，则可改变电动机转矩的大小，进而可以改变电动机转速。若在转子极转离定子极时通电，所产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，为制动转矩。由此可知，通过简单地改变控制方式便可改变电动机的转向、转矩、转速和工作用。1.2.2 功率变换器功率变换器是SR电机运行时所需能量的提供者。当采用交流电源供电时，功率电路包括整流电路和逆变电路；当采用直流电源供电时，功率电路仅包括逆变电路。如图所示。整流电路的作用是将交流电源转换为直流电源，电路比较简单，为二极管组成的三相桥式电路、三相零式电路或单相桥式电路等。整流后的直流环节采用电解电容滤波。下图给出三种常用的逆变电路，即双电源电路、双开关电路和双绕组电路。图中只给出一相绕组电路，当开关元件S闭合时，电路将电源能量提供给电动机，电流通入绕组。当开关元件断开时，绕组电流通过二极管续流，将绕组磁储能回馈给电源。其中双绕组依靠与主绕组紧耦合的辅助绕组续流。在续流过程中，绕组承受反向电源电压，使电流迅速衰减。电动机逆变电路整流电路交流电源 电动机逆变电路直流电源 图1-3 三种逆变电路示意图1.2.3 位置检测传感器由磁阻式电动机的工作方式可知，为使其正常工作，必须在转子转到适当的位置时导通适当的相绕组，并在转动过程中始终正确切换各相绕组。若不能做到这一点，非但电动机不能按要求转动，还会发生停转、反转或乱转现象。为了在电动机运行过程中随时知道转子的瞬时位置，电动机必须装置角位移传感器，这是开关磁阻电动机与其他一般电动机的明显区别。这里要求角位移传感器具有输出信号较大、抗干扰能力强、位移精度高、温度范围宽、环境适应能力强、耐振动、寿命长和安装定位方便的特点。可适用的角位移传感器的种类很多，如霍尔传感器、光电式传感器、接近开关式传感器、谐振式传感器和高频耦合式传感器等。1.2.4 控制器控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信号及外部输入的命令，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：（1） 电流斩波控制（CCC控制）；（2） 角度位置控制（APC控制）；（3） 起动、制动、停车及四象限运行；（4） 速度调节。开关磁阻电机调速系统的整体工作过程如下：控制电路接受起动命令信号，在检测系统状态一切正常的情况下，根据角位移传感器提供的电动机转子位置信号，按起动逻辑给出相应的输出信号。该信号控制功率电路向电动机绕组供电，使电动机转子开始转动。当转子转过一定角度时，控制电路根据角位移传感器信号的变化通过功率变换电路使电动机通电相改变。当电动机转速达一定值时，控制电路从起动逻辑转换为低速运行逻辑，或再从低速运行逻辑转换为高速运行逻辑。运行中，控制电路测试电动机运行中的转速或转矩等，并对其进行连续调节。当操作命令改变时，如停车、制动等，控制电路再次改变工作逻辑，通过功率变换电路使电动机实现操作要求。若运行中出现故障情况，如堵转、过载等，控制电路通过功率电路采取故障停车等保护措施，并通过显示电路报警。由上述工作过程可以更深刻地体会到，开关磁阻电动机调速系统是由电动机、角位移传感器、功率变换电路和控制电路组成的机电系统一体，各部分密切结合，缺一不可。其中每一部分难以单独使用，但几部分组合起来便构成高性能的机电一体化产品。1.3 系统的性能特点1、 电动机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，转子仅由硅钢片叠压而成，可工作于极高转速；定子线圈为集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。2、 损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升。3、 转矩方向与相电流无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本。4、 功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。5、 动转矩大，低速性能好，无异步电动机在起动时所出现的冲击电流现象。6、 调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性。7、 在宽广的转速和功率范围内都具有高效率。8、 能四象限运行，具有较强的再生制动能力。各种突出的优点，使SRD已成为交流电机驱动系统、直流电机驱动系统及无刷直流电机驱动系统的有力竞争者。由于SR电机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声是SR电机存在的最主要的缺点。但是，近年来的研究表明，采用合适的设计、SRD的噪声完全可以做到高质量的PWM型异步电动机的噪声水平。下图为132号机座第二代Oulton SRD(曲线所示)与逆变器供电的异步电动机（黑点所示）的噪声情况。图1-3第章 SRM2.1 SRM的结构和分类开关磁阻电动机有许多不同的结构形式，各有其不同的性能特点。如上所述，该电机的定、转子铁心均由硅钢片叠成。定、转子冲片上均有齿槽，构成双凸极结构。依定、转子片上齿槽的多少，形成不同极数的电机。为避免单边磁拉力，径向必须对称，故定、转子极数应为偶数。除单相外，应使定子极（齿槽）数ZS 与转子极（齿槽）数ZR不相等，但为提高电机出力，要尽量接近。对内转子电机，最常用的关系为 ZS=ZR+2 （2-1）对外转子电机，最常用的关系为ZS=ZR-2 （2-2）每个定子极上套一个集中绕组。同样为避免单边磁拉力，圆周上相对的两个极上的线圈应属于同一相绕组。若每相绕组由P个极上的线圈相互串联（或并联）构成，则电动机的相数为 M=ZS/P （内转子） （2-3） M=ZR/P （外转子） 通常P取2，即每相绕组由圆周相对两个极上的线圈构成。P取4的也较常用。选择电动机的极数及相数与电机性能和经济性密切相关，一般地说，极数和相数增多，电动机转矩脉动减小，运行平稳，但增加了电动机的复杂性，特别是功率电路的成本提高。1、 单相开关磁阻电动机开发比较成功的一种单相开关磁阻电机结构采用外转子结构，而内定子的绕组为一环形线圈，它设在六个磁极槽内，通电后将形成轴向和径向组合的磁路。当转子齿极接近定子极时接通电源，转子转过一定角度后断开，避免产生制动转矩。转子可以靠惯性旋转，当转子齿极接近下一个定子齿极时再通电。如此循环工作，实现电能到机械能的转换。2、两相开关磁阻电动机这种两相结构电机要可靠自起动，转子结构可采用不对称设计。因为此电机ZR=2，齿距角r=180，如果转子是对称结构，则定子齿极轴线与转子轴线重合位置，m=90，相绕组有最大电感。两相电机具有许多明显的优势，结构简单，电机和控制器成本低，连接线少，槽空间大，为减少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，这使降低电机噪声十分重要。由于相对较低的换流频率也减低了铁心损耗。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，应首先考虑采用自启动能力的两相电机。3、三相6/4极开关磁阻电机该电机转子极距角r为90。由于有三相绕组，故每相通电断电一次转子对应的转角p（称步距角）应为30，每转步数Np为12。对任意极数相等的开关磁阻电机，这一关系通常表示为 r=360/Zr (2-4)p=r/m=360/mZr (2-5)Np=360/P=mZr (2-6)由于电动机每转过转角，对应绕组通断切换一次；电动机每转过一转则绕组通断切NP次。当电动机以转速N（r/min）转动时，电动机绕组的总通断切换频率为 f=nmZR (2-7)每相绕组通断切换频率为 f=nZR/60 (2-8)也对应功率电路每个功率器件的开关功率。由于三相6/4极电机是可双向起动，最少相数，最少极数的电机，故经济性较好，但转矩脉动较大。由于同样转速时要求功率电路开关频率较低，因此特别适合用作高速电机。4、四相8/6极电动机四相电机也是得到广泛研究和应用的开关磁阻电机。与三相电机相比，四相电机的启动性能要好得多，转矩波动也小，但电机和控制器的成本都有所增加。上述所示的四相8/6极电机是英国OULTON产品和国内绝大部分产品采用的技术方案。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。按式计算的转子极距角为r=60，步距角p=15，每转步数为NP=24。5、三相12/8极电动机其相数虽采用了可双向自起动的最小值，但由于齿数较三相6/4极增加了一倍，使之步距角和每转步数均与四相8/6极电机相同，为p=15，NP=24。本方案的另一个优点是每相由定子上相距90的四个极上的线圈构成，因此产生的转矩在圆周上分布均匀，由磁路和电路不平衡造成的单边磁拉力小，电动机产生的噪声也较小。2.2 开关磁阻电机的数学模型由于双凸极SR电动机磁路的严重非线性，加上运行的开关性和受控性，使电动机内部的电磁关系十分复杂，难以建立与常规电动机那样规范的数学模型。2.2.1 SR电动机的基本方程式尽管SR电动机的参数和各个物理量，随着转子位置不同而变化的情况相当复杂，但其所有电磁过程仍然符合电工理论中的基本定律。假设SR电动机的相数为m,各相结构和参数相同或对称，并且忽略铁心损耗。1、 电压方程施加在各定子绕组端的电压，等于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势之和，即： uk=Rkik+ （2-9）式中k=1,2,n; uk ,Rk,ik,k,分别为第k相绕组的电压、电阻、电流和磁链。2、磁链方程各相绕组磁链都是该相电流与电感、其余各相电流与电感以及转子位置角的函数。 k=（，i1,i2,ik,in）3、 机械运动方程根据牛顿运动定律，设J为SR电动机的转动惯量，kw为摩擦系数，TL为负载转矩，为转子角速度，则Tem=J+k+TL=J+k+TL =（2-10）4、 转矩方程SR电动机内的电磁转矩，等于磁共能对于转子位置角增加的速率，即：Tem= （2-11）所以，SR电机的基本平衡方程组 （2-12）由于电路、磁路的非线性和开关性，使得基本方程式实际上很难计算，通常需根据具体运行状态和研究目的进行必要的简化，因此可采用线形模型、准线形模型和非线形模型的求解方法。线形模型有利于对SR电机的定性分析，了解其运行的物理状况，内部各物理量的基本特点和相互关系；准线形模型具有一定的计算精度，多用于分析和设计功率变换器和制定控制策略；非线形模型则用于电机性能计算、仿真，是电机设计的必需手段。2.2.2 线性模型在线形模型中作以下假设：1、 忽略磁通边缘效应和磁路非线形，且磁导率=，绕组电感L是转子位置的分段线形函数。2、 忽略所有功率损耗。3、 功率管开关动作瞬时完成。4、 电机恒定运转。（一）绕组电感图中坐标原点=0定义为定子齿极轴线与转子齿极间中心线重合时的转子位置角;1和5则表示转子齿极的后极边与定子齿极的前极边重合时的位置角;2是转子齿极的前极边与定子齿极后极边相遇时的位置角;3 是定、转子齿极全部重叠时的位置角；4是转子齿极的后极边与定子齿极的后极边相遇时的位置角；绕组电感L与转子位置角的关系用函数表示为：L（）= （2-13）式中K=s为以角度表示的定子齿极极弧宽度。（二）绕组磁链当SR电机由恒定直流电源U供电时，一相电路的电压方程为U= （2-14）式中，“+”号对应于绕组与电源接通期间；“-”对应于绕组关断后续流期间。设主开关管导通瞬间（t=0）为电路的初始状态，此时0=0，0=on;当主开关管关断，绕组进入续流期间。因此，一相绕组在导通、续流的一个变化周期内，磁链可表示为= （2-15）式中on开通角off关断角。（三）绕组电流方程由初始条件 t=0,0=on,i0=I(on)=0,可得i()=（2-16）（四）电磁转矩SR电机的电磁转矩并非恒定转矩，而是绕组电流和转子位置角的函数。当转子不处于对齐位置和不对齐位置时，由于磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。如果保持绕组中的电流值不变，将不同转子位置的静态转矩连成曲线即形成SR电机的静态矩角特性。SR电机的静态转矩的计算，可通过磁场储能或磁共能对转子位置角的偏导数求取。电磁转矩 T= （2-17）磁共能W为 W= （2-18）在理想线形模型假设下，可写出电磁转矩的解析表达式为：T=i2 （2-19）即为T= （2-20）2.3 SRM的电磁设计2.3.1 主要技术指标电源电压：UN=260V额定功率：PN=11KW额定转速：nN=1000r/min效率： N=0.88调整范围：1001000r/min为恒转矩特性，10001500r/min为恒功率特性。2.3.2 电动机设计步骤1） 根据给定的设计要求即额定数据选择电动机的相数、极弧和绕组供电电压；2） 确定电动机的主要尺寸，即定子外径和铁心长度。理论研究和实际应用表明，SR电动机与同机座号异步电动机的额定输出转矩相当，可参照异步电动机尺寸初选SR电动机主要尺寸；3） 确定定、转子极弧，可依据一定比例关系优选；4） 计算电动机的其他尺寸。主要尺寸包括：定子外径D1、定子内径Di1、转子外径D2、转子内径Di2、铁心长度l、气隙长度g、定子极弧宽度s、转子极弧宽度r、定子轭高hc、转子轭高hr、定子极距s、转子极距r。Di1=(0.450.65)D1, s=(0.30.42) r,r=(0.91.4) s, hc=(0.50.65)(D1-Di1)/2,hr=(0.40.6)(D2-Di2)/25) 选择导通角和磁负荷，计算绕组匝数；6） 选择槽满率，计算导线线径及每相绕组电阻；7） 核算电机性能（1） 计算并模化最大电感位置、最小电感位置、交界位置的磁化曲线；（2） 计算实际绕组电流的峰值和有效值；（3） 选择系数，计算理想方波电流幅值；（4） 计算并判断平均电磁转矩、铁心各部分平均磁密极值、绕组电流密度是否满足额定数据和限制条件。8） 以Y=min为目标优化设计方案。下表给出了11KWSR电动机几何尺寸的优化结果。单位：mm 表2-1定子外径D1260铁心长度 l 195气隙g 0.4 铁磁材料D23待优化的尺寸目标函数约束条件序号Di1srhchrJcu（A/cm2）BsB c116418.022.031.025.05.2501.7361.306216119.522.031.524.05.3781.7381.316316219.522.031.023.05.3921.7271.316416518.022.530.525.05.3051.7311.314516319.522.530.024.05.2571.7021.229616519.022.031.525.05.5811.7391.480716518.522.530.526.05.3761.7211.343 注：Bs、B c分别为定子磁极部和磁轭部的平均磁感应强度； Jcu为电动机绕组电流密度。 2.4 起动性能起动是SR电机运行中的一个组成部分。SR电机起动的基本要求是：起动转矩大，起动电流小，起动时间短。通常，单相SR电机没有自起动能力；两相SR电机可以在任意转子位置上起动，但只能但方向起动；三相和三相以上的SR电机在任意转子位置上都具有正反向的自起动能力。SR电机起动时，不需要其他辅助的起动设备，四相8/6极SR电机存在两种起动方式：一相起动和两相起动。2.4.1 一相起动当四相绕组通以恒定方波电流时，在起动过程中，由于反电动势很小，电流很大，因此电机实际上运行于电流斩波状态，且起动初期控制参数，可等效为幅值为的理想方波电流。各相转矩曲线互相重叠，在任意转子位置都有起动转矩。由于电机转子初始位置不同，起动转矩大小不同。在各相转矩波形交点处，起动转矩最小。A、D相中任一相绕组导通产生的起动转矩相同。设此时为正向转矩，电机为正转向。如果改变电机起动转向，应给B、C相中任一相绕组通电，产生反向转矩。当转子位置在S之前应由D相绕导通（正转向）或B像绕组导通（负转向）；在S之后由A相绕组导通（正转向）或C相绕组导通（负转向）。S位置上起动转矩Tstmin称为最小起动转矩。如果负载转矩小于最小起动转矩，则在任意转子位置上SR电机均可起动。反之，则存在起动死区。考虑任意转子位置的起动要求，可定义SR电机一相起动时的起动转矩倍数为Km=2.4.2 两相起动如果起动时SR电机两相绕组同时导通，则起动转矩则两相绕组共同产生。忽略相间磁耦合和磁路饱和的影响，起动转矩可根据各相矩角特性相加，起动转矩波动明显减小，平均转矩增大。因此，两相起动所需的起动电流幅值小于一相起动时的起动电流幅值，有利于降低主开关管的电流容量，降低系统成本。但由于两相间同时导通，电流有效值增大，起动过渡过程中能量损耗有所增加。在任意转子位置，两相起动的起动转矩均比较一致，产生的电流冲击和机械冲击比较小，起动性能优于一相起动。下表为一台四相8/6极SR电机两相起动方式比较计算值。 表2-2 一台四相8/6极SR电机两种起动方式比较起动方式起动电流/A 起动转矩标幺值幅值有效值最小值平均值最大值 一相8.474.241.101.772.20 两相6.254.421.301.501.72第3章 功 率 变 换 器开关磁阻电动机的各相绕组电流要保持一定相序，有一定通断时刻，这就需要功率半导体构成的变换器来实现。这个变换器由直流（或交流整流）电源，构成周期性的脉冲电流，供给电动机各相绕组，以驱动电动机运行并实现各种控制。所以，功率变换