SRD开关磁阻电动机及其控制.ppt

开关磁阻电机及其控制,内容提纲,一）开关磁阻电机组成与原理二）开关磁阻电机的基本电磁关系三）开关磁阻电机的运行状态与控制方式四）开关磁阻电机电磁设计与性能计算五）开关磁阻电机控制系统组成,第一节开关磁阻电机组成与原理,一、开关磁阻电动机系统的组成二、开关磁阻电动机的工作原理（workingprinciple）三、开关磁阻电动机传动系统的特点（trait）四、国内外发展概况和应用（application）,一、开关磁阻电动机的组成,开关磁阻电动机驱动系统SRD（Switchedreluctancemotordrivensystem）组成：1）开关磁阻电动机SRM2）功率变换器（powerconverter）3）控制器（controller）4）检测器（detector）,SRD传动系统组成,（一）开关磁阻电动机SRM,1、工作原理：遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径（maximumpath）闭合的原理，产生磁场拉力形成转矩磁阻转矩（reluctancetorque）。2、结构（configuration）：一般采用凸极定子（salientstator）和凸极转子（rotor）。定子装有集中绕组（concentratedwinding）、直径（diameter）方向相对的两个绕组串联（series）成为一相。转子由叠片（laminatedironsheet）构成。无绕组、无换向器（commutator）、无集电环(slipring)。,SR电机结构与原理,结构特点：1、双凸极结构2、定子集中绕阻、绕组为单方向通电3、转子无绕阻,SR电动机定、转子实际结构,开关磁阻电动机的相数与结构,相数与极数关系,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应为偶数(evennumber)。,2、定子和转子齿槽数不相等，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。,SR电动机常用的相数与极数组合,相数3456789定子极数681012141618转子极数46810121416步进角(度)3015964.283.212.5,SR电机常用方案,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,（1）2-phase4statorpole/2rotorpole,（2）4-phase8statorpole/6rotorpole,（3）3-phase6statorpole/4rotorpole,（4）5-phase10statorpole/8rotorpole,12/8极三相开关磁阻电动机,（二）功率变换器(powerconverter),SRM电机运行时所需能量的供给者，是连接电源（powersupply）和电动机绕组的关键部件（keycomponent）。,（三）控制器(controller),作用（function）：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（backfeed）及外部输入的命令（externalinputcommand），实现对SR电机运行状态的控制。构造：由微机或数字逻辑电路（digitallogiccircuit）及接口电路（interfacecircuit）构成。要求控制器具有如下性能（performance）：1）电流斩波控制（choppercontrol）；2）角度位置控制（angle-positioncontrol）；3）起动（start）、制动（brake）、停车及四象限运行（fourquadrantoperation）；4）速度调节（speedregulating）。,（四）位置检测器,向控制器提供转子位置及速度等信号（signal），使控制器能正确地决定绕组的导通（conduction/on）和关断（shut/off）时刻。通常采用光电器件（photoelectricelement）、霍耳元件或电磁线圈法进行位置检测(detecting)。,二、开关磁阻电动机的工作原理(workprinciple),当控制器接收到位置检测器提供的电动机内各相定子齿极与转子齿极相对位置信息，向功率变换器发出命令。每改变通电相一次，定子磁场轴线移动2/NS，转子则每次转过r/m。四相轮流(inturn)通电一次，转子转过一个齿极距。若顺序给U、V、W、R相通电，则转子按逆时钟方向连续转动。若顺序给URWVU轮流导通，则转子按顺时钟方向转动。故改变轮流通电的顺序(order)，就可改变电动机的转向，而与通电电流的方向(orientation/direction)无关。,运行原理：磁阻最小原理,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,UU相通电1-1与U-U重合,VV相通电2-2与V-V重合,WW相通电3-3与W-W重合,UU相通电2-2与U-U重合,RR相通电1-1与R-R重合,依次给U-V-W-R绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转,开关磁阻电动机的工作原理,当控制器接收到位置检测器提供的电动机各相定子齿极与转子齿极相对位置信息，向功率变换器发出命令。每改变通电相一次，定子磁场轴线移动，转子则每次转过磁传动比（磁场转速与转子转速之比）四相轮流通电一次，转子转过一个齿极距。改变轮流通电的顺序，就可改变电动机的转向；转向与通电电流的方向无关。,例图,开关磁阻电动机转速与开关频率的关系,对定子齿极数Ns=2m、转子齿极数为Nr、相数（numberofphase）为m的开关磁阻电机，电源（功率变换器powerconverter）输出开关频率：任何一相电压的开关频率（switchingfrequency）为：,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。,结论：,三、开关磁阻电动机传动系统的特点,1、开关磁阻电动机的两个基本特征（basicfeatures）1）开关性（switch）2）磁阻性（reluctance）2、开关磁阻电动机传动系统（drivesystem）的特点,SR电机与VR步进电机的主要区别,SR电机：实质上是一种高速大步距的磁阻式步进电机。它们的基本结构和原理相同。利用转子位置反馈信号运行于自同步状态，相绕组电流导通时间与转子位置有严格的对应关系。多用于功率驱动系统，对效率指标(index)要求很高，功率等级可达数百千瓦或数千千瓦，可运行于发电状态。可控参数(controllableparameter)多，既可调节主开关管的开通角和关断角，也可采用调压或限流控制(currentlimitedcontrol)。,VR（Variablereluctantmotor）步进电机(stepmotor)：工作于开环(open-loop)状态，无转子位置反馈，只有相电流反馈。多用于伺服控制系统(servocontrolsystem)（小功率），对步距精度要求很严，对效率指标要求不严，只作电动状态运行(motoringmodeofoperation)。一般只通过调节电源步进脉冲(steppedpulse)的频率来调节转速,SR电机与反应式同步磁阻电动机的主要区别,SR电机：定、转子均为双凸极结构(doublesalient-poleconfiguration)，定子绕组(statorwinding)是集中绕组。励磁（excitation）是顺序施加在各相绕组上的电流脉冲（currentpulse）。各相绕组磁链（fluxlinkage）随转子位置作三角形波（triangularwave）或梯形波（rectangularwave）变化，不随电流改变(dontvarywithcurrent)。,反应式同步磁阻电机,定子为齿槽均匀分布的光滑(smooth)内腔(internalcavity)，定子嵌(insert)有多相绕组，近为正弦波分布（sine-wavedistribution）。励磁是一组多相平行的(parallel)正弦波电流。各相自感（self-induction）随转子位置作正弦波（sine-wave）变化，不随电流改变。,2、开关磁阻电动机传动系统的特点,概括起来有以下优点（advantages）：1）SRM有较大的电机利用系数（utilizationcoefficient）。2）结构简单、成本（cost）低、工作可靠（reliablity）、维护简单。3）SRD系统线路简单，不会出现直通故障，可靠性高，成本低于PWM交流调速系统(acspeed-regulatingsystem)。,优点,4）SR电机可做成高转速电动机，转子转动惯量（inertia）小，系统有良dynamicresponse）。5）SRD系统可以通过对电流的导通、断开和幅值的控制，得到满足不同负载要求的机械特性（mechanicalcharacteristic），控制灵活在低频时不会出现不稳定（unstable）和产生振荡oscillation）问题。6）单位出力不小于异步电动机（asynchronousmotor）。,主要缺点（disadvantages）：有转矩脉动（ripple），影响了开关磁阻电动机低速运行性能。开关磁阻电动机传动系统的噪声（noise）与振动比一般电动机大。SR电动机的出线头较多。,7.5kW、1500r/min几种调速系统性能比较,四、国内外发展概况和应用,SR的最早文献记载可追溯到1838年，苏格兰一学者(scholar)Davidson制造了一台用以推进蓄电池(storagebattery)机车(locomotive)的驱动系统。60年代后，国外开始对开关磁阻电机进行研究和论证(researchanddemonstration)。70年代左右，英国Leeds大学步进电机和磁阻电机研究小组首制了一台现代开关磁阻电机的雏形。1980年，英国学者Lawrenson及同事(fellowworkers)在ICEM会议上，系统地阐述(expound)了SR电机的原理和设计特点，在国际上奠定了现代SR电机的地位(laythefoundationformodenSR)。,国内大约从1985年开始研制SR电机，最初主要在高校，后扩大到各研究所(institute)及工厂。我国SRD系统的理论研究(theoryresearch)已经取得了很大的进步，并研制了(develop)350瓦至30千瓦的20多个规格的样机(samplemachines)。目前，SR电机已经广泛地应用于(extensivelyusedfor)电动车驱动系统、家用电器（domesticappliance）、通用工业(generalindustry)、伺服(servo)与调速系统(speed-regulatingsystem)、牵引电机（tractionelectricmachine）、高转速电机，功率范围从10瓦到5MW(rangingfrom10wattto5megawatt)，转速可高达(speedisupto)100000r/min。,航空工业,家用电器,机械传动,伺服系统,电动车,SRD的应用与研究动向,应用,SRD的研究方向,SR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SR电机的控制策略研究：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、扰动及各种不确定性干扰的新型控制策略智能控制策略SR电机的无位置传感器控制SR电机的振动、噪声研究无轴承SR电机研究（磁悬浮）SR电机永磁结构SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等,第二节开关磁阻电动机的基本电磁关系,特点:由于SR电机的双凸极特点,磁路的非线性（nonlinear),电路开关性,使得各物理量随转子位置作周期性的变化(periodicchange)，定子绕组电流和磁通波形极不规则.不过SR电机内部的电磁过程仍建立在电磁感应定律、全电流定律和能量守恒(energyconservation)等基本的电磁关系上。思路：从理想化线性模型开始，说明SR电机内部各物理量的基本特点和相互关系(interrelation)，然后在理想线性化模型的基础上分析(analyze)实际SR电动机的物理状态，对其结论作些修改，对误差(error)进行定性分析(qualitativeanalysis)，最后建立磁阻电动机的数学模型(mathematicalmodel)。,第二节内容一、理想线性化(ideallinearization)开关磁阻电动机模型的基本电磁关系(electromagneticrelation)1、电感(inductance)与转子位置角的关系2、磁通(flux)与转子位置角的关系3、绕组电流与转子位置角的关系4、转矩(torque)、功率与转子位置角的关系二、实际开关磁阻电动机的物理状态(physicalstate)三、开关磁阻电动机的数学模型,一、理想线性化开关磁阻电动机模型(model)的基本电磁关系,理想线性模型（ideallinearmodel）：1）定子绕组的电感L与绕组电流无关。2）极尖的磁通边缘效应（fringingeffect）忽略不计(ignore/neglect)。3）忽略所有的功率损耗(powerconsumption)。4）开关动作是瞬时(instantoftime)完成的。5）转子旋转角速度是常数。,基于理想线性模型的SR电动机分析,1023045,SR电机相电感随转子位置变化,=1位置,rotor,转子凹槽后沿与定子磁极前沿相遇位置,1,=0o位置,定子磁极轴线与转子凹槽中心线重合,=0o,=2位置,转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置,2,=3位置,转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置,rotor,3,=4位置,转子凹槽后沿与定子磁极后沿重合位置,4,=5位置,rotor,转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置,5,1023045,=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,图1：绕组电感L与转子位移角在一个转子极距内的关系曲线,u为不对齐位置或最小电感位置；1为临界重叠位置；kr为半重叠位置；a为对齐位置或最大电感位置；2为定子励磁极刚好与转子磁极完全重叠位置（假设转子磁极宽度大于或等于定子磁极宽度）；3为定子励磁极刚好与转子磁极临界脱离完全重叠的位置；4为定子励磁极后极边与转子磁极后极边临界相离的位置。,电感与转子位置的关系,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。,定子磁极极弧(polearc)。,（二）磁链与磁通(linkageandflux),根据一相电路的电压方程式对方程式进行积分(integration)并代入初始条件(initialconditions)得:1)一相绕组在导通、续流的一个变化周期(period)内，磁链可表示为式中：on开通角；off关断角。称为导通角。,在导通期间，磁链随转子位移角增加而线性增加(increaselinearlywith)；在关断续流期间(currentduration)，磁链随转子位移角增加而线性下降，最大磁链出现在p时刻。角度位置控制时，磁链波形为等腰三角形波，；电流斩波控制时，磁链波形为梯形锯齿波（sawtoothwave），如图2所示。磁链正比于电压U，反比于转子角速度。图2：一相绕组磁链波形（a）角度位置控制（b）电流斩波控制,忽略互感(mutualinductance)作用的情况下，定子各相绕组通电(conductcurrent)时，其磁力线(magneticfieldline)全部通过通电线圈所环绕的(surrounding)定子磁极，与其它定子磁极无关。定子齿极磁通是变化的，其变化频率等于每相绕组的开关频率.定子齿磁极磁通,定子轭(yoke)的磁通定子轭中每一段磁路都有需要考虑四相磁路的迭加(superimposition),定子轭中磁通的变化频率也是开关频率。(以四相轮流(inturn)通电一次为一周期)。上式假定定子轭磁通为顺时钟方向时，用“+”，逆时钟方向时，用“”。,下图为一台四极8/6齿极、导通角为13.50的SR电机内磁路各部分的磁通变化波形。,（三）绕组电流由一相电路的电压方程改写为：，与求解磁链方程类似，由初始条件及的表达式，得：,上式表明：对结构一定的电机，当转速、电源电压恒定时，绕组电流波形与控制参数有关，开通角对电流波形的影响尤为明显。,相电流解析分析,第k相绕组模型,忽略电阻，相绕组电压方程：,所以：,而：=Li,相电流解析分析,同时可以导出：,KT为常数,1)当12,L=Lmin,Us为+,因：L=Lmin,Us取+,则：,又：i(on)=0,所以，,当12时，,2019/12/13,65,可编辑,2)当2off,L=Lmin+K(-2)，Us为+,积分得：,由初始条件：i(2)=Us(2-on)/(Lmin)确定C=Uson/，所以,2)当2off时,在2off期间,3)当off3,L=Lmin+K(-2)，Us为-,4)当34,L=Lmax，Us为-,5)当42off-on5,L=Lmax-K(-4)，Us为-,on2:电感上升，使绕组电流下降,off3:在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。,3znsc时，由于可控条件已达到极限(limit)，转矩不再随角速度的一次方下降，SR电动机进入自然特性区(naturalCharacteristicregion)串励(seriesexcitation)特性区。,3、自然特性区（串励特性区）,在自然特性区，电源电压、开通角和关断角均固定。总结(summarize)：(1)运行时，存在第一、第二两个临界运行点(ultimateoperationpoint)是开关磁阻电动机的一个重要特点.(2)采用不同的可控条件匹配(matching)可以得到各种各样(various)所需的机械特性，这是开关磁阻电动机具有优良调速性能的原因之一。(3)是各特性交接(interface)的临界转速，是SR电动机运行和设计时需要考虑的重要参数。(4)定义为SR电机的额定转速，对应功率(correspondingpower)即为额定功率.,SR电机的基速,SR电机的固有机械特性类似与直流电机的串励特性。对给定SR电机，在最高电压Us和最大允许电流条件下，存在一个临界角速度。即SR电机得到最大转矩的最高角速度，称为基速。,SR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,二、开关磁阻电动机的起动运行,对开关磁阻电动机起动的基本要求：1)有足够大的起动转矩;(sufficientstarttorque)2)起动电流小;(lowerstartcurrent)3)起动时间短(shorterstarttime)起动方式：（一）一相起动方式（二）两相起动方式,（一）一相起动方式,单相SR电动机只能在转子的某一位置上起动，两相SR电动机其转子可以在任意位置(arbitraryposition)起动，但只能单方向(unidirection)起动。三相或三相以上的电动机，转子可在任意位置都具有可逆(inverse)自起动(self-start)能力。只要最小起动转矩大于总负载转矩，SR电动机在任何转子初始位置(initialposition)都可以起动；反之，则存在起动死区(deadzone)。所以Tstmin表示了电动机带负载转矩起动的能力。Tstmin与绕组中的起动电流有关(dependentofstartcurrent)，与相邻矩角曲线的重叠(superimposition)有关，也与矩角特性的波形有关。,SR电动机的起动运行,四相SR电动机的矩角特性,1）一相起动时的起动电流Ist等于斩波控制时的最大电流有效值(effectivevalue)；Ist=Icmax2）最小起动转矩为：Tstmin=T（s，Is）且有由此可求出Tstmin与s，再根据负载转矩还可确定所需的起动电流Ist。,（二）两相起动方式,两相起动方式是在起动过程中的任一时刻都有两相绕组通以同样的起动电流,起动转矩由两相绕组电流共同产生.,两相起动时合成转矩波形,特点(peculiarities):,(1)最小起动转矩增大，转矩波动减小，平均转矩(average/meantorque)增大。(2)负载转矩一定，两相起动所需的起动电流幅值小于一相起动的起动电流幅值(amplitude)，从而降低开关元件的电流容量(capacity)；另一方面，两相起动时，电流有效值略有(slightly)增大。因此，一般采用两相起动。,三、开关磁阻电动机的稳态运行(steady-stateoperation),（一）电流斩波控制运行方式一般低速（低于第一临界转速）时，采用CCC方式；（二）角度位置控制运行方式在高速（高于第一临界转速）下，采用APC运行方式。,（一）电流斩波控制运行方式,（1）给定(give)绕组电流上限值(upperlimit)和下限值(underlimit)的斩波方式（2）给定绕组电流的上限值和关断时间的斩波方式（3）脉宽调制的斩波方式,1）给定绕组电流上限值和下限值的斩波方式,一般多采用使on和p固定不变。通过改变电流上、下限值的大小来调节SR电动机的输出转矩值，由此实现速度闭环控制(closed-loopcontrol)。,设定电流上、下幅值的斩波图,2）给定绕组电流的上限值和关断时间的斩波方式控制器在绕组电流达到上限值时，关断(shutoff)主开关元件(mainswitchelements)，再次导通(conduct)是由给定时间(giventime)来决定。3）脉宽调制的斩波方式一般在触发角和关断角固定不变的情况下，控制器在固定的斩波周期(fixedchopperperiod)T内控制主开关的导通时间和关断时间的比例(ratio)来改变绕组电流的幅值和有效值。,设定电流上限和关断时间斩波图,PWM斩波调压控制的电流波形,电流斩波的最高限速Cmax,(on2),电流斩波的最高限速为,（二）角度位置控制运行方式,保持外施电压(suppliedvoltage)u=umax不变，改变on和p来改变转矩，使T随角速度的一次方下降。从图中可看出：p有一最佳值(optimalvalue)，过大时，转矩反而(inversely)减小，因为在电感下降区内有较大的绕组电流会产生负转矩(negative)。qp一般在q3附近(见图3-10)，最好小于/Nr。,APC运行时Tav与on、off的关系,控制方