（电力系统及其自动化专业论文）30kw开关磁阻电机控制装置.pdf

a b s t r a c t t h es y s t e mc o m b i n a t i o na n d o p e r a t i o np r i n c i p l e o ft h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v e t o g e t h e r w i t hi t s o p e r a t i o n m o d ea n dc o n t r o lm e t h o da r ed i s c u s s e di nt h e p a p e r s o nt h eb a s i so fa b o v e a n a l y s i s ，t h i s t h e s i s i n t r o d u c e sac o n t r o ls y s t e mf o rs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r w h i c hc o n s i s t so f8 9 c 51 m i c r o p r o c e s s o ra n di t sp e r i p h e r a l i n t e r f a c e t h ep r i n c i p l eo fs y s t e mo p e r a t i o na n dh a r d w a r e c o n s t r u c t u r ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l s p r a c t i c a l o p e r a t i o n e x p e r i m e n t s a r e p e r f o r m e d o na3 0 k w d e v e l o p e d p r o t o t y p ew i t h12s t a t o rp o l e sa n d8r o t a t o rp o l e s r e s u l t s h a v es h o w nt h a tt h e s y s t e m i san o v e l v a r i a b l e s p e e d m o t o rd r i v ew i t ht h e s i m p l e s t r u c t u r ea n d g o o d p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r s ；m i c r o p r o c e s s o r c o n t r o l ；v a r i a b l e s p e e ds y s t e m 北方交通大学倾1 硎究生学位论文 第一章绪论 1 1 开关磁阻电动机调速系统的发展概况 1 1 1 国外发展概况 丌关磁阻电动机的基本结构及基本原理的提出可追溯到1 9 世 纪4 0 年代，那时的电机研究人员已认识到利用顺序磁拉力使电动 机旋转是简单易行的，但由于电动机的运行特性( 效率、功率因数、 利用系数等) 很差，仅应用于少数小功率场所，因而一直没有引起 人们的研究兴趣。 2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闸管投入实用，为开关磁阻电动 机的研究和发展奠定了重要的物质基础。7 0 年代初期，h o c h 、 b y m e 、l a n y 等人在将类似于步进电机的电动机用到驱动装置方 面，做了一些理论研究和电动机结构方面的探讨。j a n e t 还提出了 增加饱和度可以增大转矩输出的思想，美国福特电动机( f o r dm o t o r ) 公司率先研制出最早的丌关磁阻电动机调速系统。其结构为轴向 气隙双凸极变磁阻机构和位置闭环控制的晶闸管功率开关供电电 路，具有电动机和发电机运行状态和较宽调速范围的能力，特别 适用于蓄电池供电的电动车辆的传动。 从总的历史过程来看，开关磁阻电动机调速系统的推广应用 应归功于英国的里兹( l e e d s ) 大学和诺丁汉( n o t t i n g h a m ) 大学。7 0 年代中期，里兹大学和诺丁汉大学开始共同研制以电动车辆为目 标的开关磁阻电动机调速系统。里兹大学以p l l a w r e n s o n 、 t m s t e p h e n s o n 为首研究磁阻电机及其应用，诺丁汉大学以 w f r a y 和r m d a v i s 为代表特长于电机的电子控制技术，他们成 功地丌发了性能优良的开关磁阻调速电动机，系统地研究了丌关 磁阻电动机的机理，在原理、设计、控制等方面提出了较完整的 理论和方案，发表了一大批有影响的论文“副，s w i _ f _ c h e d r e l u c t a n c em o t o r ( d r i v e ) 之名以及目前流行的开关磁阻电动机所 采用的径向气隙双凸极磁阻结构，就是由他们提出并得到了公认。 他们研制的样机容量从l o w 至5 0 k w ，转速从7 5 0 r m i n 至1 0 ， 北方交通大学硕士研究生学位论文 0 0 0 r m i n ，其系统效率和电动机利用系数等主要指标达到或超过 了传统传动系统。随后成立了开关磁阻电动机调速系统公司 ( s w it c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i y e sl t d ) ，以经营其研究成果。 1 9 8 1 年英国t a s c 公司( t a s cd r i y e sl t d ) 获准制造该系统，并于 1 9 8 3 年推出商品名为o u l t o n 通用调速系列产品，其容量范围为 4 2 2 k w 。 作为一种结构简单、鲁棒性好、价格便宜的新型调速系统，问 世不久便引起各国电气传动界的广泛重视，德国、美国、加拿大、 南斯拉夫、埃及、新加坡等国也都竞相发展，并在系统的一体化 设计、电动机的电磁分析、微机的应用、新型电力电子器件的应 用、新型结构型式的开发等方面取得进展。经过十余年的努力， 开关磁阻电动机调速系统的应用领域已从最初侧重于牵引运输发 展到工业、航空工业和家用电器等各个领域，取得越来越显著的 经济效益。目f i ，开关磁阻电动机调速系统的丌发范围为：转矩 为0 o l l ，0 0 0 ，0 0 0 n m ；功率为1 0 w 一5 m w ；转速可达 1 0 0 ，0 0 0 r m i n 。开关磁阻电动机的规格已从多相发展到单相、两 相，电动机型式亦从旋转型发展到直线型。 从近几年国际会议上有关开关磁阻电机调速系统的文章来看， 对开关磁阻电机调速系统的研究工作已从论证它的优点、丌发应 用的阶段进入设计理论、优化设计阶段。对开关磁阻电动机、控 制器、功率转换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方面进 行了更深入的研究。可以预料，随着现代电子学的发展，微处理 器运行速度的提高，高性能大容量电力电子器件的发展，在不久 的将来有望实现高性能的控制策略，从而使开关磁阻电机调速系 统的性能价格比得到进一步的提高。 1 1 2 国内发展概况 我国于1 9 8 4 年开始研制开关磁阻电机，且开关磁阻电动机调 速系统的研究被列为中小型电机“七五科研规划项目”。现在已有 一大批高等院校、研究所和工厂从事着开关磁阻电动机调速系统 的研究与开发，如北京纺织机电研究所、南京航空航天大学、东 南大学、福州大学、华中理工大学、华南理工大学、合肥工业大 北方交通大学硕士研究生学位论文 学、哈尔滨电工学院、南京调速电机厂、西安微电机研究所、上 海电科所、上海中达一斯米克公司等，在借鉴国外经验的基础上， 我国开关磁阻电动机调速系统的开发研究起点较高，目前各单位 都集中于较优的三相和四相控制方案，至今国内已有十余家单位 推出不同性能、不同用途的从i k w 至5 5 k w 等多种规格的系列产品， 应用于纺织、冶金、机械、运输等行业的数十种生产机械和交通 工具中。 1 9 8 8 年在南京召开了第一届开关磁阻电机研讨会。1 9 9 1 年在 武汉召开了第二届研讨会。1 9 9 2 年初成立了中国电工技术学会中 小型电机专业委员会下设的开关磁阻电机学组，以推动开关磁阻 电机研究f ：作的进一步发展。从此，我国对开关磁阻电机的研究 工作已从摸索合理的设计方法发展为如何加速优化以进行丌关磁 阻电机的设计，在开关磁阻电机绕组互感对运行的影响、转矩脉 振、最佳电流波形、振动与噪音、发热以及铁耗计算等方面出现 了许多独特的观点和见解；在控制方面，j 下在进行用i n t e l 公司 的m c s 一9 6 或m o t o r o a 公司的m 6 8 0 0 0 系列单片机取代m c s 一5 l 单 片机的工作，以提高控制系统的响应速度，降低成本，实现复杂 的控制策略。 变频调速感应电动机、无换向器直流电动机等经历了几个年代 的开发推广，目前已领先一步，在当前已有广泛的应用。开关磁 阻调速电动机可谓是紧跟而上的又一新型电机，作为一项涉及到 电动机、微电子、电力电子、微机、控制、机械及工程应用等众 多学科领域的新技术，有着极其广阔的市场前景。 1 2开关磁阻电动机调速系统的研究方向 由于开关磁阻电动机的发展历史尚短，所涉及的技术面又很 广，无论是理论上还是应用上都存在不少问题。因此在其研究领 域内有许多课题或研究方向，主要是： 1 优化设计和计算机辅助设计 与其他传统的电机相比，这种双凸极磁阻电机的设计计算是 特殊的。因为电机本身磁场的分布性和非线性，故而计算很复杂； 又因为其由非线性的开关电路供电，电流波形规律特殊，因此常 北方交通大学硕：e 研究生学位论文 常需要将电机、变换器及控制模式一体化设计，同时协调优化电 机、电路结构及控制参数。所以这种产品的计算机辅助设计技术 是必要的基础课题。实践证明，经优化设计，开关磁阻电机至少 可以做到与标准感应电动机同机座、同容量，完全可参考标准感 应电动机型谱来开发开关磁阻调速电动机。 2 系列化开发 为工业推广应用，系列化开发的意义是很大的，这包括有不 同类型、用途和功率范围的系列和派生系列。 3 相数的研究与选择 开关磁阻电机可设计成多种不同相数结构。目前常用的有四 相、三相两种，小功率的也有采用两相结构。在同样相数之中， 又有多种不同的定、转子齿槽数方案。应该说，不同结构方案有 不同特性，可以在各种不同要求场合应用。 4 变换器方案和主开关元件选择 开关磁阻电动机的性能和成本，在很大程度上取决于所采用 的变换器和主电路结构。变换器是按控制器指令输出直流脉冲而 分配给电机各相工作，其方案类型很多。同时随着电力电子技术 的发展和新元器件的不断涌现，合理地选择主开关元件的类型、 数量及容量也是十分重要的课题。 5 微处理器和专用集成电路的应用 开关磁阻电动机需要实时控制每相的开关时间，在起动、保 护及运行状态也要能适时控制。早期采用了模拟电路控制，但较 合理的是采用微机实现部分或全数字控制。在微机控制中，先是8 位单片机，现在已开始采用1 6 位单片机，双1 6 位或3 2 位单片机 的应用亦正在研究开发之中。另一个动向是开关磁阻电机的控制 电路逐步采用专用集成块，这可大大简化硬件电路，提高可靠。h ：。 这是开关磁阻电动机技术成熟和大批量生产的必然发展方向。 6 高速开关磁阻电动机产品开发 很多场合需要高速传动，而开关磁阻电机具有转予结构简单、 高速适应性好和调速范围宽的特点，因此，开发高速产品是充分 发挥其特色的一个发展方向。此外，实现高速还可以有效提高能 流密度。 北方交通大学硕士研宄生学位论文 7 振动、噪声研究 由于是脉冲供电工作，因此瞬时转矩脉动的存在是不可避免 的，特别是高速及重载时，振动和噪声就更大些，这是开关磁阻 电动机的固有特点。因此，研究电机电磁力及振动噪声特征，成 为改进其特性的重要课题。 8 铁损耗分析与效率研究 开关磁阻电动机堪称是高效调速系统，但双凸极磁阻电机的 铁损耗计算是难度较大的课题。这是因为电机供电波形复杂，电 机局部磁路比较饱和，加上电机的步进运动状态及双凸极结构的 特点，工作时定子铁芯损耗很难解析，转子铁芯损耗更难计算。 而电机的铁损耗又常常是影响效率的重要因素和主要研究课题。 9 无位置检测器方案研究 位置闭环控制是开关磁阻电动机的基本特征，但它的存在会 使电机结构简单的优点变得逊色，同时增加了成本、降低了可靠 性。为此探索实用的无位置检测器方案是十分引人注目的课题。 1 0 工业应用探索 基于优良的性能和特点，开关磁阻电动机无疑有极其广阔的 市场前景。但作为一种新的调速电动机系统，尚需花大力气宣传 和开发它的工业应用，努力开发和研究适应特殊要求的开关磁阻 电动机。 1 3 本课题的研究意义 电力机车的供电网是高压交流单相网，而机车上的辅助电动 机都是三相异步电动机，需要三相交流电源供电，为了将单相交 流电变为三相交流电，须借助一种特殊的电机一劈相机。劈相机 是将单相交流电变为多相交流电的旋转电机。例如，国产s s i 型 电力机车上采用两台型号为y p x 2 8 0 4 型异步劈相机。其驱动的辅 助异步电动机作为泵、风机、压缩机等辅助机械设备的驱动源， 不能够实现平滑的电气调整，调节风量和流量，只能靠调节机械 设备的阀门，这样就势必浪费了许多电能。多年来，由于劈相机 在使用中存在输出电压不对称和起动等问题，在国产韶山型电力 机车上经常发生劈相机和辅助电机烧损故障，从而导致电力机车 北方交通大学硕士研究生学位论文 上的各种辅助机械装置不能正常工作。而本调速系统的研制则为 取代电力机车原有的辅助电动机驱动系统提供了一种新的选择， 用它直接驱动机车的辅助机械设备，可以省去劈相机，实现平滑 调速，而且可以克服劈相机驱动辅助异步电动机的诸多缺点。由 于开关磁阻电动机调速系统比异步电动机变频调速系统可靠性 高、控制简便、成本低、起制动性能好、运行效率高，所以它更 有利于在电力机车上推广应用。 北方交通大学硕士研究生学位论文 第二章开关磁阻电机调速系统概述 2 1 开关磁阻电机的基本结构及工作原理 2 1 1 基本结构 开关磁阻电动机是丌关磁阻电动机调速系统的执行元件，它的结 构与工作原理与传统的交直流电动机有着根本的区别。它遵循磁通 总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理，产生磁拉力形成转矩磁 阻性质的电磁转矩。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻 要有尽可能大的变化。所以开关磁阻电动机采用凸极定子和凸极转 子形式，即所谓双凸极结构，并且定转子极数不同。 由于开关磁阻电机一出现就受到了人们的广泛重视，二十多年 来，提出了各种电机结构方案，按相数分有单相、两相、三相和四 相，其中对三相和四相开关磁阻电机研究最为广泛。按照每极齿数 分有单齿和多齿结构，一般说来，多齿结构单位铁芯体积出力要大 一些，但其铁芯和主开关元件的开关频率和损耗也增加，这将限制 开关磁阻电机的高速运行和效率，因此，一般不使用多齿结构。按 气隙磁场分有轴向和径向结构，单相开关磁阻电机大多采用轴向结 构。此外，还有多段式结构开关磁阻电机，这是开关磁阻电机最初 出现的一种型式，目前多以单段结构为主。 图2 i电动机结构示意图 1 前端盖2 机壳 3 吊环4 定子铁芯5 轴6 后端盖 7 吲定环8 光电传感元件9 光电盘 1 0 风扇1 1 风扇罩 1 2 绕组1 3 槽楔1 4 转子铁芯1 5 接线盒 7 北方交通大学硕士研究生学位论文 上面在图2 1 中给出了所研究的开关磁阻电机的结构，由图可看 出，该电机结构总体布局与密封式笼型感应电动机结构基本敛， 只是在后端盖和风扇之间增加了角位移传感器。为了方便制造和增 强零件的互换性，它的机壳前端盖、接线盒以及轴伸的形状和尺、j - 与后者完全一致。定子铁芯由硅钢片迭成，迭装后压入定子机壳， 这也与y 系列电动机相同。但是二者定子冲片的形状却大不相同， 这里定子冲片上只有1 2 个齿槽。转子铁芯也是由硅钢片迭成，压装 在转轴上。转子片上只有8 个齿和槽，该开关磁阻电动机为三相1 2 8 极结构。 2 1 2 工作原理 图2 2 表示该三相开关磁阻电机的横切面和一相电路的原理示意 图，s l 、s 2 是电子开关，d 1 、d 2 是二极管，e 是直流电源。它的定 子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转予由叠片构成，无绕组， 定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的 极上得到径向磁场，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使 定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。电机磁阻随着 转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻 成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大， 当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。 图2 。2 开关磁阻电动机的工作原理 e 当定子a 相磁极轴线o a 与转子磁极轴线o a 不重合时，开关s 1 、 s 2 合上，a 相绕组通电，电动机内建立起以o a 为轴线的径向磁场， 磁通通过定予轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。通过 北方交通大学硕士研究生学位论文 气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重 合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产 生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线o a 向定 子a 相磁极轴线o a 趋近。当o a 和o a 轴线重合时，转子已达到 平衡位置，即当a 相定、转子极对极时，切向磁拉力消失，转子不 再转动。此时打开a 相开关s l 、s 2 ，合上b 相开关，即在a 相断 电的同时b 相通电，建立以b 相定子磁极为轴线的磁场，电动机内 磁场沿顺时针方向转过3 0 。，转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着 逆时针方向转过1 5 。依此类推，定子绕组a b c 三相轮流通电一 次，转子逆时针转动了一个转子极距tr ( tr = 2n n r ) ，对于三相1 2 8 极开关磁阻电机，t r = 3 6 0 。8 = 4 5 。，定子磁极产生的磁场轴线n j i l 页 时针移动了3 x 3 0 。= 9 0 。空间角。可见，连续不断地按a b c a 的 顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿a b c a 的方 向不断移动，转予沿a - c b a 的方向逆时针旋转。如果按a c b a 的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着a - c b a 的方向转动， 转子则沿着与之相反的a b c a 方向顺时针旋转。 2 2 开关磁阻电机调速系统的基本构成及工作原理 2 2 1 基本构成 开关磁阻电动机调速系统主要由开关磁阻电动机、功率变换 器、控制器、位置检测器四大部分组成，如图所示。 j 乜能 给定信号 圈2 - 3开关磁阻电机调速系统的基本构成 机械能 北方交通大学硕士研究生学位论文 2 2 2 各组成部分的功能 开关磁阻电动机是开关磁阻电动机调速系统中实现机电能量转 换的部件，也是开关磁阻电动机调速系统中的主要组成部分，其工 作原理已在上节中阐述。 功率变换器是能量传递的通道，通过它向开关磁阻电动机提供运 转所需的能量，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电，也可 以将开关磁阻电机内的磁场储能反馈回电源，其主电路的结构型式 与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关。 控制器是系统的中枢。它综合处理速度指令、速度反馈信号及乜 流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主丌关器件 的工作状态，从而控制绕组电流，达到控制电机转矩和转速的目的。 改变电机各相绕组的导通顺序，即可控制电机转向。将绕组电流延 迟到电感下降区，电机即可实现制动或发电运行。 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 转到适当位置时导通适当的相绕组，并在转动过程中始终f 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 予的瞬时位置，电动机中必须装置角位移传感器，这是开关磁阻电 动机调速系统与其他一般电动机的一个明显区别。 由于不同转子位置的相绕组电感及其相对于转子位置的变化率是 不同的，所以控制相绕组通电时刻即可改变电流的大小及波形，由 此将产生不同的电磁转矩、转速、转向及运行状态。因此为了以最 有效的方式产生所需的转矩，控制器必须借助从位置传感器获得的 转子位置信息，以保证在合适的时刻接通或断开相应的相绕组。系 统亦可通过位置传感器提供的位置反馈信号，测定转速，实现转速 闭环控制。 当电动机运行于斩波工作方式时，需要通过调节绕组电流的幅值 来实现转速的调节，同时也为了使主开关元件免遭过电流的损坏， 必须精确地实时检测绕组电流，这就是电流检测电路所要完成的任 务。 2 2 3 整体工作过程 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 北方交通人学坝 刈i 究生学位论文 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通电，使电 动机转子开始转动。当转子转过定角度时，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，或阿从 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。 2 3 与其它电动机系统的比较 2 3 1 与步进电动机驱动系统的比较 一般把步进电动机作为信号变换的控制电机，在自动控制和数宇 控制系统中广泛应用。按结构分类，步进电机有反应式、永磁式及 永磁感应予式三种。从结构及运行原理上看，开关磁阻电动机与具 有大步进角的反应式步进电动机十分相似，但是二者之间也存在着 一些差异： 1 ) 从设计要求看，步进电动机的设计要求是输出较高的位置精 度和高的转矩与位置的变化率；而开关磁阻电动机的设计要求则为 变速驱动，有平滑的转矩变化。 2 ) 从控制方式看，一般步进电动机是位置开环控制，可能会出 现失步现象；而开关磁阻电动机定是位置闭环控制，不会丢步或 失步。 3 ) 从运行特点看，开关磁阻电动机可控因素较多，既可调节每 相主开关器件的起始导通角0o n 、关断角eo f f ，也可采用调压或限 流斩波控制，调速方法灵活，易于构成性能优良的调速系统，并可 运行于发电状态；而步进电动机只作电动状态运行，一般只是通过 调节电源步进脉冲的频率来调节转速。 4 ) 从应用场合看，步进电动机多应用于要求角位移精密传动的小 北方交通大学硕士研究生学位论文 功率位置控制系统中；而开关磁阻电动机可用于一般的要求功率驱 动的电气传动系统中。 2 3 2 与反应式同步电动机的比较 反应式同步电动机的定予与常规多相交流电机相同，各相定子绕 组通入交流电后产生旋转磁场。转子是凸极结构，无需励磁，利用 凸极效应，即直轴同步电抗和交轴同步电抗的差别，传递功率。丌 关磁阻电动机与常规反应式同步电动机的不同之处在于： 1 ) 开关磁阻电动机的转子是凸极结构，而定子也采用凸极结构， 以增加各相的凸极效应，并使电机结构更加简化。 2 ) 开关磁阻电动机的各相绕组不施正弦交流电，而是由简单的 开关电路供脉冲电流，因此不产生圆形旋转磁场，仅产生步进的磁 场。 3 ) 开关磁阻电动机设置了转子位置闭环控制，因此不会失步。 这样，普通反应式同步电动机在起动和调速方面的困难，在开关磁 阻电动机可得到解决。 2 3 3 与直流电动机的比较 开关磁阻电机具有与直流电机相近的固有特性，但其与直流电机 间也存在着一些差异： 1 ) 开关磁阻电机没有直流电机存在的换相火花、维修困难等缺 点。 2 ) 开关磁阻电机的四象限运行实现也比较简单，可以提供灵活 的转矩转速特性，以适合于加速运行、稳定运行以及制动运行。 3 ) 直流调速系统中电机本身占系统成本的大部分，且今后还会 增加；但在开关磁阻电机调速系统中，功率变换电路和控制电路占 成本的大部分，随着电力电子和计算机技术的发展，价格必然下降， 有利于开关磁阻电机调速系统进一步降低成本。 2 3 4 与无换向器直流电动机的比较 同步电动机采用带转子位置闭环控制的自控变频器供电，构成 自整步同步电动机，即无换向器直流电动机。实际上，无换向器直 流电动机是以电子换相代替了普通直流电动机换向器的机械换相。 北方交通大学硕士研究生学位论文 开关磁胆电动机与无换向器直流电动机都是由带位置闭环控制 的自控变频器供电，都保持了直流电动机的优良起动和调速特性。 但是无换向器直流电动机的转子有励磁，因此其定子必须由逆变器 供多相交流电。而开关磁阻电动机的转子是反应式、无需励磁，这 样定子绕组只需直流脉冲供电，仅由简单的开关电路即能实现，这 使得电机结构和变换器结构都得到简化。 2 3 5 与异步电动机变频调速系统的比较 1 ) 电动机方面的比较 开关磁阻电动机较异步电动机坚固、简单，突出优点是转子上 没有任何绕组，因此不会有异步电动机由于笼型转子所引起的铸造 不良、疲劳故障及最高转速的限制等问题；在定子方面，开关磁阻 电动机亦特别简单、坚固，只有集中绕组，虽然开关磁阻电动机通 常装有位置检测器，但总的说来，开关磁阻电动机较笼型异步电动 机的制造成本低，制造难度小。 2 ) 逆变器方面的比较 就简单性和成本而击。，丌关磁阻电动机功率变换器总体上较异步 电动机p w m 变频器略占优势。开关磁阻电动机驱动系统的相电流是 单向流动，与转矩方向无关，这样每相可做到只用一个主开关器件 即可控制系统实现四象限运行，而异步电动机p _ l i f m 变频器每相则必 须有两个；另外，异步电动机电压型p w m 变频器的主丌关器件冈逐 个跨接在电源上，存在因误触发而使上、下桥臂直通，使主电路短 路的故障隐患，而开关磁阻电动机功率变换器主电路中，始终有一 相绕组与主开关器件串联，这就从结构上排除了短路击穿的可能。 事实上，异步电动机p w m 变频器电路中通常要附加预防低阻抗击穿 的支路，这无疑增加了成本和结构的复杂性，而且主丌关器件的电 流额定值也因此而提高；开关磁阻电动机功率变换器换相开关的丌 关频率较异步电动机p w m 变频器中主开关器件的工作频率低得多， 因此在同样工作状态下，开关磁阻电动机驱动系统可选择开关频率 较低的器件。 3 ) 系统性能方面的比较 具有双凸极结构的开关磁阻电动机与传统的磁阻电动机相比，具 北方交通大学硕士研究生学位论文 有本质的区别，它是磁阻电动机和电力电子开关电路相结合产生的 一种节能型变速驱动系统。许多使用经验表明，开关磁阻电动机驱 动系统在单位体积转矩值、效率、逆变器伏安容量及其他性能参数 上可与异步电动机p 州变频调速系统竞争，国外早在八十年代已有 这方面的文章，二者之间性能的比较参见 附录 。这说明用开关磁 阻电动机驱动系统实现比异步电动机p w m 变频调速系统更加优良的 性能是完全有可能的。 此外，) f 关磁阻电动机具有高性能的叮控直流电动机的特，r i ， 控制较变频调速系统灵活、方便，仅通过控制相绕组的接通、断 的时间即可得到满足各种需要的转矩速度特性。众所周知，异步电 动机变频调速系统在低频运行时会因为电动机本身固有的不稳定性 而出现振荡和不稳定，这在开关磁阻电动机驱动系统中是不会出现 的。事实上，在较低的速度范围内，开关磁阻电动机驱动系统具有 比异步电动机调速系统高的转矩电流比值和优良的动态性能。 2 4 开关磁阻电动机调速系统的特点 电气传动系统的传统设计方法都是在已有电动机的基础上作系 统设计的。设计电动机时所做优化设计仅涉及电动机本身，而系统 的优化设计是在已有电动机的条件下进行设计，只能称为局部优化 设计，这种设计方法必然限制系统整体水平的提高。开关磁阻电动 机调速系统是由电动机及其控制装置构成的一个不可分割的统 体，其电动机和电路控制部分均不能单独使用，也没有现成产品供 使用。因此，其设计方法只能是从系统总体性能指标出发，同时对 系统的每一部分进行设计。电动机和电路部分的设计均是从系统整 体性能优化的角度出发，而不是只考虑每一部分本身的优化。这种 设计方法同传统设计方法相比是一个质的飞跃，实际已步入新兴学 科“机械电子学”的范畴，在这种思想指导下设计出的产品是典型 的机电一体化产品。因此，开关磁阻电动机调速系统的性能指标高 于其他传动系统就不难理解了。 开关磁阻电动机调速系统综合了交直流调速系统的许多优点， 可以规纳如下： 1 ) 电动机结构简单、制造工序少、成本低、维修量少。 北方交通大学硕士研究生学位论文 开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的笼型异步电动机还 要简单，其突出的优点是转子上没有任何型式的绕组，也不加永久 磁铁，定子上只有几个集中绕组，因此制造简便，绝缘结构简单。 2 ) 电机转子结构形式对转速限制小，可以制造成高转速电机。 由于没有笼型异步电动机制造过程中笼条铸造不良等问题，开 关磁阻电动机转子的机械强度极高，可以用于超高速运转( 如每分钟 上万转) 。 3 ) 转矩方向与电流方向无关，功率变换电路简单可靠，对不同 的控制要求有多种拓扑型式可供选择。 对比异步电动机p w m 变频器中功率电路每相需两个功率器件， 开关磁阻电动机功率变换电路可以做到每相一个功率开关。而且因 为开关磁阻电动机调速系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕 组串联，不存在异步电动机? w m 变频器功率电路易发生直通短路的 问题。因此开关磁阻电动机调速系统中的功率电路结构简单、可靠 性高。 4 ) 可控参数多，控制灵活，调整性能好。 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： ( 1 ) 开通角； ( 2 ) 关断角； ( 3 ) 相电流幅值； ( 4 ) 相绕组电压。 可控参数多，意味着控制灵活方便。可以根据对电动机的运行要 求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，即可使之运行于 最佳状态( 如出力最大、效率最高等) ，还可使之实现各种不同的功 能和特定的特性曲线。如使电动机具有完全相同的四象限运行( 即正 转、反转、电动、制动) 能力，并具有高起动转矩和串励电动机的负 载能力曲线。 5 ) 高起动转矩，低起动电流。 控制器从电源侧吸收较小的电流，在电动机侧得到较大的起动 转矩是该系统的显著特点。典型产品的数据是：起动电流为1 5 额 定电流时获得起动转矩为1 0 0 的额定转矩。对比其他调速系统的起 动特性，如直流电动机为1 0 0 电流，获得1 0 0 转矩；笼型异步电 北方交通大学硕士研究生学位论文 动机为3 0 0 的电流，获得1 0 0 的转矩。起动电流小，转矩大的优 点还可以延深到低速运行段，因此本系统十分适合那些需要重载起 动和较长时间低速重载运行的机械，如电动车辆等。 6 ) 可方便地实现四象限运行，并能有效控制起动电流，能频繁 超停及正反向转换运行，且可实现软起动。 7 ) 效率高，损耗小。 这是因为电动机转子不存在绕组铜损耗，而且电动机可控参数 多，灵活方便，因而易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化 控制。 8 ) 动态响应迅速。 开关磁阻电动机调速系统一般为转速闭环系统，稳态精度较高， 调速范围宽广，转动惯量小，而且在电流每次换相时可以方便地控 制转矩的大小和方向，因而系统具有良好的动态响应。 9 ) 系统可靠性高。 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。而不象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。从控制器结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般也是 相互独立工作。由此可知，当电动机一相绕组或控制器一相电路发 生故障时，只须停止该相工作，甚至当控制器由三相交流电源供电 时，即使有一相发生断路，电动机除总输出功率能力有所减小外， 并无其他妨碍，由此可构成可靠性极高的系统。 但是，由于电机的特殊结构，开关磁阻电机调速系统也具有一 些明显缺点： 1 ) 由于绕组电流是周期性脉冲电流，电感曲线也比较复杂，因 此合成转矩脉动较大，对低速运行性能有一定的影响。 2 ) 由于开关磁阻电机由脉冲供电，电机气隙又小，因而有显著 变化的径向磁拉力，加上各相参数和结构上的不对称，从而形成振 动和噪声。特别是高速重载时，噪声稍大。低速时，由于多采用斩 波限流，而斩波频率有时不易避开听觉敏感频段，因此也会产生较 大的电磁噪声。 随着研究开发的深入，只要注意合理设计斩波频率，掌握好电 1 6 北方交通大学坝十研究生学位论文 机加工精度和动平衡合理要求，精一l i , 调整控制参数和各相工作的对 称性，那么将噪声降低到标准感应电动机考核指标的水平是不成问 题的。 总之，通过进一步的研究，开关磁阻电机调速系统将会成为现 有交直流调速系统强有力的竞争者。 2 5 开关磁阻电机的数学模型 建立开关磁阻电机数学模型，通常有以下三种方法：线性模 型、准线性模型( 分段线性模型) 和非线性模型。线性模型忽略了 饱和及边缘效应，认为绕组电感与电流无关。准线性模型将磁化 曲线分段线性化，近似考虑定转子齿极重叠时的饱和。以上两种 模型，电感参数有解析表达式，用于求解电机性能时，电流和转 矩有解析解，一般用于定性分析。事实上，由于电机的双凸极结 构和磁路的饱和、涡流和磁滞效应所产生的非线性，加上电机运 行期间的开关性和可控性，在电机运行期间绕组电感不是常数， 而是电流和转子位置角的函数。开关磁阻电机定子绕组的电流、 磁链等参数随着转子位置不同而变化的规律是很复杂的，难以用 简单的解析表达式来表示，因此很难建立一精确可解的数学模 型。 2 5 i 开关磁阻电机的数学模型 为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，并假设开关磁阻电机 的相数为m ，各相结构和参数对称。设p = l ，m 相的电压、 磁链、电阻和电流及转矩分别为u p 、1 l r p 、r p 、i p 、t p ，转子位 置角为0 ，转速为( 1 ) 。 1 ) 电压方程 根据有关定律，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作用之和，第p 相绕组电压方程： d 誓。 “，= 尺，i ，+ ( 2 1 ) 2 ) 磁链方程 各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以及转 北方交通大学硕士研究生学位论文 子位置角的函数： t ，；t ，i r ，z 。，占j ( 2 - 2 ) 由于开关磁阻电机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了 便于计算，在开关磁阻电机的计算中一般忽略相间互感，不考虑 两相以上电流导通时定、转子轭部饱和在各相之间产生的相互影 响，这时磁链方程可近似成； 1 王r ，= 1 壬r 6 ，曰) = 工6 ，8 ， ( 2 3 ) 3 ) 转矩方程 根据机电能量转换原理，开关磁阻电机的电磁转矩表示为磁 共能对转子位置增加的速率， 。= 掣= 丁 4 ) 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成， t = r i ，0 ) ( 2 5 ) 4 ) 机械运动方程： ，兰竺：乃一占一7 7( 2 6 ) 础 d 臼 d t 2 。 ( 2 7 ) 其中，j 、b 、t 1 分别为转动惯量、粘滞系数及负载转矩。 2 5 2 数学模型的求解方法 上述数学模型由于其严重的非线性，不可能得出解析解。因 此，在性能分析求解数学模型时不得不在实用和理想之间寻求一 种妥善的处理方法。到目前为止，人们针对磁链的变化，采用了 以下几种方法建立模型； 1 ) 理想线性模型 若不计电机磁路饱和的影响，假定相绕组的电感与电流的大 小无关，且不考虑磁场边缘扩散效应，可采用开关磁阻电机的理 想线性模型将磁链v p 近似为电流i p 的线性函数，这种方法可了 解电机工作的基本特性和各参数间的相互关系，并可作为深入探 讨各种控制方式的依据，但求解的误差较大，精度较低。 北方交通大学烦士研究生学位论文 2 ) 准线性模型 因为磁链1 l ，p 的饱和区和非饱和区有不同的线性变化率，为了 近似地考虑磁路的饱和效应、边缘效应，可将实际的非线性磁化 曲线分段线性化，同时不考虑相问耦合效应，这样可以用解析式 来表示每段磁化曲线。可将、l f i 曲线分为两段( 线性区和饱和区) 或三段( 线性区、低饱和区和高饱和区) 。 3 ) 非线性函数拟合模型 将磁链帅用非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合的 精确度。 4 ) 查表法 该方法是把实测或计算所得的等角度、等电流间隔电机磁特 性数据v ( 【，0 ) 反演为等角度、等磁链间隔的电流特性数据i ( v ， 0 ) ，连同矩角特性数据t ( i ，e ) 以表格形式存入计算机中，然后用 奄表法数值求解非线性模型，这种方法较为直接、也较为精确， 既可用于稳态分析，也可用于解瞬态问题。 2 6 开关磁阻电机的基本分析 2 6 1 电感与转子位置角的关系 由于开关磁阻电动机的电磁转矩是磁阻性质的，又是双凸极 结构，其磁路是非线性的，加上运行时的开关性和可控性，使电 动机内部的电磁关系十分复杂。为弄清电机内部的基本电磁关 系，有必要从简化的线性模型，也就是上节所晚的理想线性模型 开始进行分析研究。此时不计电机磁路饱和的影响，假定相绕组 的电感与电流的大小无关，且不考虑磁场边缘扩散效应，所得到 的相绕组电感随转子位置角周期性变化的规律可用图2 - 4 说明。 图中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点0 = 0 的位 置，对应于定子凸极中心与转子凹槽中心莺合的位置，这时相电 感为最小值l m n 。在0 1 n o2 ( 0 2 为转子磁极的前沿与定子磁极 的后沿相遇的位置) 区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最 小值l m i 。不变，这是因为开关磁阻电机的转子槽宽通常大于定子 极弧，所以当定子凸极对着转子槽时，便有一段定子极与转子槽 北方交通大学顾： 埘1 ：兜生学位论文 i t r l m o x j 1 厂 l j ri j ，i。 ；l r f - ! e fo 包钆& 。岛e 图2 - 4电感与转子位置角的关系 之间的磁阻恒为最大并不随转子位置变化的最小电感常数区；转 子转过e2 后，相电感便开始线性地上升直到e3 为止，o3 系转 子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处，这时定转子磁极全部重 叠，相电感变为最大值l m a x ；基于电机综合性能的考虑，转子极 弧br 通常要求大于定子极弧bs ，因此在o3 wo4 ( o4 为转子磁 极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置) 区域内，定转子磁极保 持全部重叠，相应的定转子凸极间磁阻恒为最小值，相电感保持 在最大值l m a x ；从o 。相电感开始线性地下降，直到e5 处降为 l m i n ，85 、o1 均为转子磁极后沿与定子磁极前沿重合处。如此 周而复始，往复循环。 开关磁阻电机基于线性模型的绕组电感的分段线性解析式为 厂蛐 o ls a 岛 ( 口) ：j 芷( 8 一岛) + k 岛鲫5 b 匕砷刮篆呈 。， 式忙特= 毕 2 6 2 电磁转矩的分析 根据能量守恒定律，在不考虑电路中电阻损耗、铁芯损耗和 转子旋转产生机械损耗的情况下，绕组输入的电能w e 应等于结 构中磁储能w f 与输出机械能w 。之和，即为 d w e 2 d w f + d w m ( 2 - 9 1 如果把电压u 和感应电势e 的参考方向选得致，根据电磁 感应定律，绕组电路的电压方程为 u ed w d t f 2 - 1 0 1 绕组输入的电能可由其端电压、端电流计算，即为 d w e 2u id t f 2 - 1 1 1 将式( 2 - j o ) 代入式( 2 i i ) ，得 d w e = i d v f 2 - 1 2 、 机械能可由电磁转矩t 和角位移。计算，即为 d w m = t d o r 2 ，】3 、 将式( 2 1 2 ) 和式( 2 13 ) 代入式( 2 9 ) ，则得 d w f ( v ，日) = id w y d 0 ( 2 1 4 、 式( 2 - 1 4 ) 表明，对无损系统，磁储能是由独立变量岈口e 表示的状 态变量，磁储能由v 和e 所决定。当v 为恒定值时，由式( 2 1 4 ) 得 到一般转矩计算式，为 t ：一! 堕! ! ：皇! ( 2 - 1 5 ) a 疗 在考虑转子处于任意位置时的电磁转矩时，可以假设转子无 机械转动，则由式( 2 9 ) 得 d w e = d w f f 2 1 们 将式( 2 一1 2 ) 代入式( 2 1 6 ) ，得 ： = j i d v 2 ( 2 - 1 7 ) 0 设磁路中无磁滞损耗，再假设磁路为线性磁路( 这在气隙不太小， 磁路不太饱和时近似成立) ，则磁链v 可由电感l 表示为 v = l i f 2 1 8 、 将式( 2 - 1 8 ) 代入式( 2 1 7 ) ，得到磁储能的计算式 巧= 音厶2( 2 - 1 9 ) 北方交通大学硕士研究生学位论文 将式( 2 1 9 ) 代入式( 2 1 5 ) ，得 1a r 7 ，= 二：2 兰( 2 - 2 0 ) 2a 8 由以上分析可得出如下结论： ( 1 ) 电动机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生的，当 磁导对转角的变化率大时，转矩也大。 ( 2 ) 电磁转矩的大小同绕组电流的平方成正比，即使考虑到电流 增大后铁芯饱和的影响，转矩不再与电流平方成正比，但仍随电 流的增大而增大，因此可以通过增大电流有效地增大转矩，并且 可以通过控制绕组电流得到恒转矩输出的特性。 ( 3 ) 转矩的方向与绕组电流的方向无关，只要在电感曲线的上升 段通入绕组电流就会产生正向电磁转矩，而在电感曲线的下降段 通入绕组电流则会产生反向的电磁转矩。 2 6 3 绕组电流的分析 当开关磁阻电机由恒压直流电源u s 供电时，在假设绕组电 感仅是转子位置的线性函数和忽略绕组电阻影响的情况下，由式 ( 2 - 1 ) 得 乩：辈( 2 - 2 1 ) 将式( 2 1 8 ) 代入上式，得 u 。：兰+ z ! 竺( 2 2 2 ) 。dfd d 1 )在ol wo2 区段，l = l m i n ，将i ( eo n ) = 0 ( eo n 为开始导通角) 代入式( 2 2 2