（电力电子与电力传动专业论文）牵引电机转矩的分析研究.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：m o t o ra sam e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e ，p l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei na l la s p e c t so fd a i l yl i f e ，s u c ha st h ep o w e ri n d u s t r y , t r a n s p o r t a t i o n ， a g r i c u l t u r e ，v a r i o u st y p e so fi n d u s t r i a la n dm i n i n ge n t e r p r i s e sa n dn a t i o n a ld e f e n s e t h r e eb a s i cf o r m so ft h er o t a t i o no fm o t o r ：d cm o t o r , i n d u c t i o nm o t o r s y n c h r o n o u s m o t o ra r ew i d e l ym u l t i d i s c i p l i n a r ya p p l i c a t i o n si nt h ei n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o na n dd a i l y w h e t h e rh i g h s p e e dr a i l w a yo rp r o c e s s i n gi n d u s t r y , t h e yd e m a n d t h em o t o rh a sab i gs t a r t i n gt o r q u e ，t h em o t o rt o r q u eo u t p u tr e s p o n s e sr a p i d l yw i t h e x t e r n a le n v i r o n m e n ta n dt h em o t o rh a saw i d er a n g eo fs m o o t hs p e e di no r d e rt o c o n t r o lt h em o t o rt o r q u ef l e x i b l y i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht e c h n o l o g i c a la d v a n c e so ft h e d cd r i v e ，a cv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m s ，t h ep e r f o r m a n c ec o n t i n u e d t oi m p r o v ea n di n c r e a s e w i t ht h es t u d yo fd r i v ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t ，p e o p l e h a v et u r n e dt h e i ra t t e n t i o nt oo t h e rf o r m so fm o t o r , s u c ha sn o n - b r u s hd cm o t o r s ， p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r sa n ds w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r w es e l e c ts w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r 嬲t h ed r i v em o t o rf o rs p e e dr e g u l a t i o n s y s t e m sa n dc h a n g ei t sa t t e n d e dm o d eo fw i n d i n g , i no r d e rt oi m p l e m e n th i g ht o r q u e a n de f f i c i e n c yi nl o ws p e e d t h ec p ui st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 s e v e r a la d v a n c e dp e r i p h e r a l s ， o p t i m i z e df o rd i g i t a lm o t o ra n dm o t i o nc o n t r o la p p l i c a t i o n s ，h a v eb e e ni n t e g r a t e dt o p r o v i d ea t r u es i n g l e - c h i pd s pc o n t r o l l e r ；i ti sa d a p t e dt oc o n t r o l l i n gs r mv e r ym u c h t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h eh i s t o r yo fs r m a n dt h e ni ti n t r o d u c e st h e s t r u c t u r eo fs r ma n da n a l y s e se m p h a s e st h ef o r m u l a so fs p e e d ，t o r q u ea n dp o w e r a f t e r d e r i v i n ga n de m u l a t i n g ，w eg e ta m o r ee f f e c t i v ea t t e n d e dm o d eo fw i n d i n gw h i c ha d o p t t or u ni nl o ws p e e dp e r i o d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m s ， m a i nc i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i to fi g b t , c o n t r o lc i r c u i t sa n dp r o t e c t i o nc i r c u i ta r ed e s i g n e d m a i nc i r c u i t si sm a d eu po fd u a l s w i t c h e da n dc u t o v e rc i r c u i t s ，a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fi g b t , t h eh i g h - p e r f o r m a n c ed r i v e r , s k h i2 4 ，i ss e l e c t e dt od e s i g n e d f o rd r i v e rc i r c u i t t h ed s pc o n t r o lc i r c u i ta n dp e r i p h e r a l sa r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n tw i t ht h es r d ，t h ec u r v e so fs p e e d ，t o r q u e ，a n dp o w e ra r ep r e s e n t e da n d a n a l y z e d ，w h i c hc e r t i f i c a t et h a tt h er e s u l to f d e r i v a t i o na n de m u l a t i o ni sc o r r e c t k e y w o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) ，p o w e rc o n v e r t e r , t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 , s k h l 2 4 ，w i n d i n gc h a n g e c i a s s n o ：t m 3 5 2 i v 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 7 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：哂少石钟 导师签名： 签字日期：2 p 0 7 年月2 日签字日期：2 驴卵年月2 石日 致谢 两年的硕士研究生学习马上就要结束了，这也意味着我的学生生涯即将结束。 对于我来说，学生时代是无比美好、充实的，感谢一直陪伴在我身边的老师和同 学，因为你们的存在让我对校园充满了依恋。 在此我首先衷心感谢两年来我的导师张奕黄教授对我的关心和指导，他渊博 的学识、丰富的人生阅历让我折服，他在生活和学习上的指导令我受益匪浅。特 别是在完成本论文的工作中，更离不开张奕黄老师的悉心指导，张奕黄老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。 杨岳峰博士悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向杨岳峰博士表示衷心的谢意。同时还要感谢刘 佳师兄在实验数据测试中对我的极大帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室的同学对我论文中的研究工作给予了 热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，爸爸、妈妈、姐姐，他们的理解和支持使我能够在学 校专心完成我的学业。 绪论 1 1 选题背景 1 绪论 电机作为一种机电能量转换装置，在电力工业、交通运输业、农业、各类工 矿企业、国防及日常生活各个方面都占有重要地位。 高速铁路的发展对机车提出了越来越高的要求，牵引电机作为机车的核心部 件，也有了更高的要求：体积小，重量轻，输出功率大，启动转矩大，输出转矩 随外界环境变化响应迅速，并能在很宽的速度范围内平滑调速。 在工业上，各种精密的加工机床、起重设备等也都需要高性能的牵引电机， 而且随着经济的发展，人们对工业产品的质量要求也越来越高，这就更需要有稳 定控制的牵引电机作为保证。 随着科学技术的发展和社会化大生产的需要，出现了三种基本的旋转电机形 式：直流电机、感应电机、同步电机，它们在工农业生产和日常生活中获得了广 泛的应用。在实际的应用过程中出于不同的使用目的，往往对电动机的速度提出 不同的要求，电动机的调速控制一直是电气界专家学者致力于解决的问题。近年 来，直流调速、交流变频调速随着技术的进步，性能在不断改善与提高，人们在 研究现有调速驱动装置性能改善的同时，也将注意力转向其它形式的电机，如无 刷直流电机、永磁电机及开关磁阻电机【】。 开关磁阻电机是结构最简单的电机，在一个半世纪前就有人关注和研究它的 应用。在现代功率电子技术、计算机辅助设计及微机控制技术高度发展的基础上， 才形成了磁阻电机应用的新台阶，出现了今天的热门课题开关磁阻电机调速 系统。开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ，简称s r d ) 是开关磁阻电 动机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，简称s r 电动机) 和电力电子开关电路相结合而 产生的一种机电一体化的无级交流调速系统，其集直流调速与交流调速电机优点于 一体。经过国内外电气界的广泛深入研究、开发与实践，开关磁阻电机以其调速 性能好、结构简单、效率高、成本低等优点，已经在迅猛发展的调速电动机领域 内争得了一席之地，并在许多场合得到了广泛的应用【2 】。 1 2 开关磁阻电动机的发展概况 开关磁阻电机最早可以追溯到1 9 7 0 年，英国l e e d s 大学步进电机研究小组首创 北京交通大学硕l ：学位论文 一个开关磁阻电机雏形。到1 9 7 2 年进一步对带半导体开关的小功率电动机 ( 1 0 w l k w ) 进行了研究。1 9 7 5 年有了实质性的进展，并一直发展到可以为5 0 k w 的电瓶汽车提供动力。1 9 8 0 年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司( s r d l t d ) ，专门进行s r d 系统的研究、开发和设计。1 9 8 3 年由该公司首先推出了s r d 系列产品，该产品命名为o u l t o n 。1 9 8 4 年t a s c 驱动系统公司也推出了他们的产 品。另# b s g dl t d 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，到1 9 8 6 年已运行5 0 0 k m 。 该产品的推出在电气传动界引起不小的反响，在很多性能指标上达到了出人意料 的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一 些变速传动系统【l 】。 表1 1 是当时对几种常用变速传动系统各项主要经济指标所作的比较【4 1 7 1 。了：关 磁阻电机既可作电动机运行，也可作发电机运行。s r 电动机主要用于调速系统， 由于s r 电动机s r d 在运行可靠性、方便性及成本等方面可与其它调速系统竞争， 所以s r d 系统已应用于许多场合。国外生产的s r d 产品有通用型和特殊型，容量可 达5 m w ，转矩达1 1 0 6 n n ，转速高达1 0 5 ，m i n 。通用型产品供一般工业用，如 风机、泵、卷绕机、压缩机、食品加工及纺织工业等；特殊型产品主要用于牵引 机车、电动汽车及飞机的启动电动机、伺服系统以及日用家电等方面。我国大约 在1 9 8 5 年才开始对s r d 系统进行研究。s r d 系统的研究已被列入我国中、小型电机 “八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九 五”项目中研制出使用s r d 的纯电动轿车，在“十五”项目中将s r d 应用到混合动力 城市公交车，均取得了较好的运行效果。纺织机械研究所将s r d 应用于毛巾印花 机、卷布机，煤矿牵引及电动车辆等，取得了显著的经济效益。 表1 1 几种常见变速传动系统主要经济指标比较表 比较项目系统类型直流凋速系统p w m 变频凋速系统开关磁阻调速系统 成本 1 01 51 0 额定转速时7 67 7 8 3 1 2 额定转速时6 56 58 0 电动机容量体积 1 oo 9 1 0 控制能力1 o o 5o 9 控制电路复杂性1 01 8 1 2 可靠性1 o0 91 1 近年来功率电子技术，数字信号处理技术和控制技术的发展迅速，而且随着 智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片( d s p ) 的出现，利用高 性能d s p 开发各种复杂算法的间接位置检测技术，无需附加外部硬件电路，大大 2 绪论 提高了开关磁阻电机检测的可靠性和适用性，必将更大限度地显示s d r 的优越性。 9 0 年代进一步以计算机控制的柔性制造系统、主体仓库、机器人进行装配等 组合起来，由计算机控制材料、部件的供应管理、达到全厂高效率、高质量的全 自动化均衡生产，设计和制造水平不断提高，专用控制芯片和集成功率器件不断 被开发出来，开关磁阻电机性能和适用性不断增强。随着国民经济建设的日益发 展，各行各业的机械化、自动化程度越来越高，为开关磁阻电机提供了巨大的潜 在市场。 1 3 开关磁阻电机调速系统概述 开关磁阻电机调速系统( s r d ) 是开关磁阻电机( s r m ) 和电力电子开关电 路相结合而产生的一种机电一体化新产品。它可以实现高精度、快相应、高效率 以及高输出的性能指标。 开关磁阻电机调速系统主要由s r m 、功率变换器、控制器、位置检测、电流 检测等构成，如图1 1 所示【5 】【6 】。 图1 - 1s r d 系统构成框图 f i g 1 1s t r u c t u r eo f s r d 1 、开关磁阻电机( s r m ) s r m 是s r d 中实现机电能量转换的部件，s r m 可以设计成多种不同相数结 构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。对于有自起动、四象限运行要求的驱 动场合，定、转子极数都应该有合理的组合方案。 s r m 综合了交流感应电动机和直流电动机的许多优点，s r m 的主要优点包 括： ( 1 ) 结构简单，转子仅由叠片构成，没有任何形式的绕组、滑环、换向器等； 定子上只有简单的集中绕组，端部连接短，没有相间跨接线。具有制作工序少、 成本低、工作可靠、成本小等优点。 ( 2 ) 由于明显的双凸极结构，转子上没有导体和永磁体，以及开关频率相对 较低，因此s r m 只考虑叠片的压装质量和轴承质量就可以容易地获得高速运行。 s r m 低速应用下优点也很多，可以提供高而连续的转矩，机械设备中取消变速箱 3 北京交通人学硕 ：学位论义 成为可能。 ( 3 ) 由于采用了独特的结构和设计方法以及相应控制策略，s r m 控制系统的 效率和出力在宽广的速度和负载范围内都可维持较高水平，单位出力完全可以与 交流感应电机相媲美。 s r m 的主要不足之处在于： ( 1 ) 由于双凸极结构和磁路饱和的非线性影响，使s r m 的合成转矩是含有 一定谐波分量的脉动转矩，谐波的存在对s r m 的低速运行性能有影响。 ( 2 ) 噪声和振动比一般的电机大，出线较多。 2 、功率变换器 功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给s r m 。由于s r m 绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主 开关器件是串联的，因而可预防短路故障。s r m 的功率变换器主电路的结构形式 与供电电压、电机相数以及主开关器件的种类等有关。 3 、控制器和位置检测器 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 等反馈信息及外部输入的指令，实现对s r 电机运行状态的控制，是s r d 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s r d 中，要求控制器具有下 述性能： 电流斩波控制 角度位置控制 起动、制动、停车及四象限运行 速度调节 位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕 组的导通和关断时刻。通常采用光电器件、霍尔元件或电磁线圈法进行位置检测， 采用无位置传感器的位置检测方法是s r d 的发展方向，对降低系统成本、提高系 统可靠性有重要的意义。 4 、s r d 系统的结构与性能特点吲 ( 1 ) 电机结构简单、成本低、适于高速 ( 2 ) 功率电路简单可靠 因为开关磁阻电机转矩方向与绕组电流极性无关，即只需单方向绕组电流， 从理论上讲，s r m 的功率变换电路中每相可以只用一个开关元件，电路结构简单。 另外，系统中每个功率开关器件均直接与电机绕组相串联，避免了p w m 逆变器直 通短路危险。因此开关磁阻电机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，既降 低了成本( 成本低于p w m 交流调速系统) ，又具有高的工作可靠性。 4 绪论 ( 3 ) 可控参数多，调整性能好【1 0 】 控制开关磁阻电动机的主要运行参数和方法至少有四种： 控制开通角 控制关断角 控制相电流幅值 控制相绕组电压 可控参数多，意味着控制灵活、方便。s r m 系统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，如通过电流幅值、开通角及关 断角等的控制，得到满足不同负载要求的机械特性，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，并且 s r d 易于实现系统的软启动和四象限运行等功能n 1 1 。 ( 4 ) 效率高、功耗小 s r d 系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机转子不存在绕 组铜耗，另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载 下实现高效优化控制。图1 2 给出了典型产品的输出特性和效率曲线，其系统效率 在很宽的范围内都在8 7 以上，这是其他一些调速系统不易达到的【2 1 。 07 5 01 5 0 02 2 5 03 0 0 0 转速( r m i n ) 图1 - 2s r d 输出特性与效率曲线 f i g 1 2o u t p u ta n de f f i c i e n c yc u r v eo fs r d ( 5 ) 高起动转矩、低起动电流 从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大 特点。 通过查阅大量的参考文献【5 1 2 】，对常用驱动电机调速系统进行全面的比较，认 为开关磁阻电机调速系统的各项性能综合指标比较高。值得指出的是，对开关磁 阻电动机的最新研究表明，开关磁阻电动机上述缺点通过对它的优化设计和采取 更为合理的控制方案，是可以得到改进的。本文j 下是通过改变开关磁阻电机的本 5 北京交通人学硕1 ：学位论文 体结构和优化控制方法，从内部和外部两方面来实现对开关磁阻电机调速系统的 性能改进。 1 4 本文改善s r m 转矩的主要研究内容 本文通过实验研究开关磁阻电机的转矩特性，实验的主要内容有： ( 1 ) 设计无触点开关切换电路，并对切换前后的状念进行简单仿真，通过改变 丌关磁阻电机的绕组连接方式，实现低速大转矩起动； ( 2 ) 调试数字化开关磁阻电机控制系统，包括功率主电路、驱动电路、控制电 路及相应的保护电路，以实现数字p i 的先进控制算法。 实验室中已开发了a t 8 9 c 5 l 的2 0 k w ，6 0 k w 开关磁阻电机控制系统，采用 模拟p i 控制，但其设定参数较少，灵活性不高，并且硬件相对较复杂。由于先前 是基于a t 8 9 c 5 1 ，控制器受到主控芯片的运算速度和内部资源( 位数和i o 口等) 的限制，而无法采用先进的控制算法( 如模糊逻辑控制算法) ，从而在控制的实时 性和对转矩波动的解决上显得捉襟见肘。所以在本论文中，设计了以t i 公司d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为c p u 的控制系统，实现了s r m 的数字化控制。 本文设计了5 k w 开关磁阻电机的控制系统，具体内容如下： 设计了加入无触点开关电路的功率转换电路，通过改变电机绕组的连接方 式，实现了低速大转矩起动； 对两种不同的绕组连接方式下的电机运行状态进行实验，采集转矩、转速、 功率等实验波形； 设计了以t i 公司d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为主c u p 的控制电路； 选择功率变换器主电路和主开关元件，并进行调制； 采用高可靠性s k h l 2 4 作为系统的驱动模块，并进行驱动电路的调试； 通过实验测量开关磁阻电机的实际输出功率、转矩、转速等，验证仿真的 结果及理论的合理性。 6 ) ) ) ) ) ) 1 2 3 4 5 6kkkklk 开关磁阻电机的皋本原理及转矩分析 2 开关磁阻电机的基本原理及转矩分析 2 1s r m 的基本结构及原理 2 1 1 基本结构 3 】f 4 删 开关磁阻电机是开关磁阻电机调速系统的执行机构，它的结构和工作原理与传统 的交直流电机有着根本的区别。开关磁阻电机遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿 着磁阻最小的路径闭合，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，而具有一定形状的铁芯在移动到最小磁阻位置时，必须使自己的主轴线 与磁场的主轴线重合的位置。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，开关磁阻电动机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，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。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数。 s r 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气隙结构，内 转子和外转子结构。低于三相的s r 电机一般没有自起能力。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、成本增高。由于转子极数与定子极 数对必须相差为l ，才不至于重合，所以常采用表2 1 组合方案。 表2 1 常见s r 电机定、转子极数组合方案 相数 定子极数m 个转子极数，个 步进角“。) 3643 0 4861 5 51 08 9 61 21 06 71 41 34 2 8 81 61 43 2 1 9 1 81 6 2 5 三相和四相电机是最常见到的开关磁阻电机结构。三相电机是具备正反方向 自起动能力最少相数的常规结构s r 电机。除了常见三相6 4 极外，还有三相6 2 极、 7 北京交通大学颁十学位论文 6 8 极、1 2 8 极等结构。三相1 2 8 极转子步进角比, 6 4 极小，有利于减小转矩波动， 但是减低了对齐位置与不对齐位置电感比率，导致控制器伏安容量增加，由于丌 关频率上升，也使铁心损耗增大。 本文开关磁阻电机调速系统所采用的开关磁阻电机结构是三相1 2 8 极结构。 图2 1 所示的就是三相1 2 8 极开关磁阻电机定、转子结构图。 转子 图2 1 三相1 2 8 极开关磁阻电机定、转子结构图 f i g 2 一ls t a t o ra n dr o t o rc o n f i g u r a t i o no fs rm o t o rw i t h3p h a s e s1 2 8p o l e s 2 1 2 工作原理【2 8 1 1 1 0 1 以1 2 8 极三相开关磁阻电机为例，图2 2 是该电机横向切面和a 相绕组电路 的原理示意图，其余各相与此相相同。s 、s ，是电子丌关，d 、d ，是二极管，u 。 是直流电流源。 电机的定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，定子绕组 可根据需要采用串联、并联和串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，定 子上装有位置检测器，用以检测转子的位置，根据位置检测器提供的转子位置信 号按一定顺序给定子各极上绕组通电，就能保持电机的连续运行。 s 2 图2 - 2 开关磁阻电机的上作原理 f i g 2 - 2p r i n c i p l eo fs r mo p e r a t i o n 开关磁阻电机的基本原理及转矩分析 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 、岛合上，么相 绕组通电，电动机内建立起以o a 为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、定子极、 气隙、转子极、转子轭等部分闭合。通过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，即当彳相 定、转子凸极相对时，切向磁拉力消失。此时打开彳相开关墨、s ，闭合曰相开 关，即在彳相断电的同时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 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 0 。依此类推，定子绕组彳召c 三相轮流通电一次，转子逆时针转动了一 个转子极距f ，( t = 2 万r ) ，对于三相1 2 8 极开关磁阻电机，r = 。= 。，r 3 6 084 5 定子磁极产生的磁场轴线则顺时针移动了3 3 0 0 = 9 0 0 空间角。可见，连续不断地 按照彳b c 一彳的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿 么一曰一c 么的方向不断移动，转子向逆时针方向旋转；反之，如果按 彳c 一曰一彳的顺序给定子各相绕组轮流通电，则转子向顺时针方向旋转。可见， 开关磁阻电机的转动方向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺 序。 2 1 3 数学模型 开关磁阻电机很难用传统电机的基本理论和方法来分析和计算。这一方面因 为该电机本身很特殊，它的磁场分布和电路参数比较复杂，特别是在脉冲性电流 供电及转子步进运行中无法像其他电机那样建立简单和规范的数学模型；另一方 面他由可控开关电路供电，至少必须将非线性的电机参数，非常规的开关变换器 供电电路以及特殊的控制方案进行一体化分析和研究。 为了了解开关磁组调速电动机基本理论和掌握其基本规律，就要建立开关磁 阻电机的数学模型【2 】【3 】。为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，并设开关磁阻电机 的相数为m ，各相结构和参数对称。设p - - 1 ，m 相的电压、磁链、电阻和电流 及转矩分别为“，、r p 、乙，转子位置角为口，转速为0 3 。 1 、电压方程 根据能量守恒定律和电磁感应定律，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 e u 。= r 。i n + ( 2 一1 ) 9 北京交通大学硕j ：学位论文 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子位置角的函 数： 缈，= 沙( 厶，p ，厶，秒) ( 2 - 2 ) 由于丌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，在丌 关磁阻电机的计算中一般忽略相问互感，不考虑两相以上电流导通时定、转子轭 部饱和在各相之i 、日j 产生的相互影响，这时磁链方程可近似成： p = y ( l ，臼) = l ( 1 p ，秒) ( 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： 乙：鼍学：盹d ( 2 - 4 ) p 1p a 乡 u 7 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成： 乃= t ( 1 p 臼) ( 2 - 5 ) 4 、机械运动方程 其中，b ，乃分别为转动惯量、粘滞系数及负载转矩： ，丝：t e b m - z d t l d e = 彩 d t 2 2s r m 相电流的线性分析 ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 影响s r d 运行特性的主要因素是s r 电动机相电流波形、电流峰值和峰值出 现的位置。然而，s r 电动机运行时绕组电流既非恒定直流，亦非交变的正弦量， 而是随电动机的运行而变化，这些都给相电流的解析计算带来了困难。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，即理想线性模型进行分析【2 - 6 1 。 2 2 1 电感与转子位置角的关系【2 】【3 】 若不计电动机磁路饱和的影响，假设相绕组的电感与电流的大小无关，且不 开关磁阻电机的基本原理及转矩分析 考虑磁场边缘扩散效应，这时相绕组电感随转子位置角周期性变化的规律可用图 2 3 说明。 0 - 0 2 0 3o o 幺岛0 图2 - 3 电感与转子位置角的关系 f i g 2 3r e l a t i o nb e t w e e ni n d u c t a n c ea n dr o t o rp o s i t i o n 图中横坐标为转子位置角( 机械角) ，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重合的位置，这时相电感为最小值l ；。在 岛0 2 ( 幺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k 赫不变，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；转子转过鼠后，相电感便开始 线性上升直到0 3 为止，0 3 是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，相电感变为最大值厶姒；基于电机综合性能的考虑，转子极弧屏 通常要求大于定子极弧屈，因此在幺幺( 幺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k ；从只相电感开始线性地下降，直到0 5 处降 为k i n ，瞑、岛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。 由图2 3 ，不难得到“理想化 开关磁阻电机绕组电感的分段线性解析式，即： l ( o ) = l m i 。b 目包 以秒型也“甾 协8 ) 三一 岛乡幺 厶眦- k ( o 一0 4 )0 4 乡绣 舯肛等争2 气等 北京交通人学硕1 ：学位论文 2 2 2 绕组电流的分析 前面所作的关于绕组电感仅是转子位置函数的显性化假设，使绕组电流f ( 秒) 有 解析解，虽然i ( 秒) 仅仅是实际电流的近似解，但对于定性讨论某一相绕组通电时所 发生的物理过程确具有实用价值。 当开关磁阻电机由恒压直流电源u 。供电时，在绕组电感仅是转子位置的线性 函数的假设和忽略绕组电阻影响的情况下： u ：坐( 2 9 ) 。 砒 将式= l i 代入上式，得： u 。：ld i + f 丝 ( 2 1 0 ) 。 d fa 秒 典型的相电流波形如图2 4 所示。 、 、 - _ _ _ - 一 l 一 p 5口 p 图2 _ 4 典型的相电流波形 f i g 2 - 4t y p i c a lc u r v eo fc u r r e n t l 、在岛岛区段，l = l m i n ，式( 2 1 0 ) 中虬前取“+ ”号，将初值条件i ( o o 。) = 0 ( o o 。为开始导通角) 代入式( 2 - 2 2 ) 中，解得： ：旦9 - 包n ( 2 i i ) 一 k i n c o 由式( 2 1 1 ) 可知d i ( o ) d o = c o n s t 0 ，故电流在最小电感恒值区域内是直线 上升的，这是因为该区域内电感恒为最小值，且无旋转电动势，因此开关磁阻电 动机相电流可在该区域内迅速建立。 2 、在幺一区段( 眈矿为关断角) ，将上述结果作为该区段的初值条件，把 式( 2 8 ) 代入式( 2 1 0 ) ，得： f ( o ) - - 砸j u s ( o 硼- o o ，1 ) ( 2 _ 1 2 ) 在此段内，疣( 目) d o 0 ，则电流在电感上升区域内下降。这一阶段是有效工 1 2 开关磁阻电机的基奉原理及转矩分析 作段，相电流将产生电动转矩，该电流和大小和持续时间将直接影响电机性能。 不同的开通角气可能形成不同的相电流大小及波形。电压以、角速度彩恒定时， 不同开通角下的相电流波形如图2 5 所示。 q0 秒2 口3口4 目5 秒 图2 - 5 不同屯的相电流波形( = 常数) f i g 2 - 5d i f f e r e n t 气c u r v eo fc u r r e n t 3 、在b 区段，绕组电流同理可得为： f p ) = 砸 ( 2 j e o , 硼- e o - e ) ( 2 一1 3 ) 从吃矿瞬间开始，主开关关断，进入续流阶段。在反向电压和运动电动势的作 用下，电流很快下降。该续流电流还产生电动转矩，为了避免产生较大的制动转 矩，应该适当的将包矿提前，使该段对应的绕组电感值减小，可使续流衰减的快一 些。在这期间电机磁场储能一部分转化为电能回馈给电源，尚有一部分转化为有 用的机械能。 4 、在岛只区段，绕组电流为： f p ) ：u 2 e o , - e o - e ) ( 2 - 1 4 ) 一 础一 由式( 2 1 4 ) 可得d i ( o ) d o = c o n s t 0 ，续流电流在最大电感区内线性衰减。 从物理本质上看，由于这时，o l o o = 0 为零，无旋转电动势，相电流不产生电磁 转矩，只是在相绕组两端反电压一【厂。作用下持续衰减。 5 、在包一缺区段，绕组电流为： f p ) = 砸u , 1 2 i e o , 碉- c o - o ) ( 2 - 1 5 ) 在这个阶段，o l l 0 0 0 ，相电流将产生制动转矩，而此时的运动电动势与反 向电压作用相反，不利于电流的下降。表面上看，续流延续到此区段是不利的， 但是只要这段电流不大，直接的负转矩很小，而适当允许这段电流存在却可换来 增加产生电磁转矩区段的效果。显然，当秒= 2 眈矿一既时，相电流己衰减至零。 综上，可以得到s r 电机在电动运行时一相绕组电流解析表达式为： 1 3 北京交通大学硕士学位论文 兰生篮研 口 0 2 k m i n 缈 砸= u s ( o 而- o o n ) 幺 秒 - 缈【厶。i 。+ k ( 口一岛) j 2 o 刀 御) = 砸u ( = 2 0 0 0 丽- 0 0 - 0 ) 0 岛 ( 2 _ 1 6 ) u s ( 2 0 0 ：_ - 0 0 , 一, - 0 ) 幺 秒 包 c o l k m a x 币u , ( = 2 0 0 * * 硼- o o , - o ) 幺 同时导通相数可变 同时导通相数多，电动机出力较大，转矩脉动较小。当电机负载变化时，自 动增加或减少同时导通的相数是角度控制方式的特点。 电动机效率高 通过角度优化，能使电动机在不同负载下保持较高的效率。 不适用于低速 角度控制中，电流峰值主要由旋转电动势限制。当转速降低时，旋转电动势 减小，可使电流峰值超过允许值，因此角度控制一般适用于较高的转速。 2 、电流斩波控制的特点 适用于低速和制动运行 北京交通大学硕f ：学位论文 电机低速运行时，绕组中旋转电动势小，电流增长快。在制动运行时，旋转 电动势的方向与绕组端电压方向相同，电流比低速运行时增长更快。两种工况下， 采用电流斩波控制方式正好能够限制电流峰值超过允许值，起到良好有效的保护 和调节效果。 转矩平稳 电流斩波时电流波形呈较宽的平顶状，产生的转矩也较平稳。合成转矩脉动 明显比其它控制方式小。 适合用于转矩调节系统 当斩波周期r 较小，并忽略相导通和相关断时电流建立和消失的过程( 转速低 时近似成立) 时，绕组电流波形近似为平顶方波。平顶方波的幅值对应电机转矩， 转矩值基本不受其它因素的影响，可见电流斩波控制方式适用于转矩调节系统， 如恒转矩控制系统。 用作调速系统时抗负载扰动性的动态响应慢 提高调速系统在负载扰动下的快速响应，除转速检测调节环节动态响应快外， 系统自身的机械特性也十分重要。电流斩波控制方式中，由于电流峰值被限，当 电机转速在负载扰动的作用下发生突变时，电流峰值无法自动适应，系统在负载 扰动下的动态响应十分缓慢。 3 、电压斩波控制的特点 电压斩波控制一个突出的优点就是可控性能好。这种控制中有两个可控参数： 斩波频率和占空比。一般斩波频率是固定的，通过选择适当的频率可以控制相电 流的变化率；占空比与相电流最大值之间有较好的线性关系，调节占空比就可以 控制相电流的大小，因此在这种控制中相电流的变化率和大小都是可控的，并呈 现较好的线性关系，有利于采用p i 或p i d 调节构成闭环系统，获得较好的动态性。 只是这种控制方式下，由于开关的频繁通断而使得开关损耗有所上升。 电压斩波控制既能用于高速运行，又适合于低速运行，适合于转速调节系统， 抗负载扰动的动态响应快，缺点是低速运行时转矩脉动较大。 3 2 本系统转矩的控制方式 3 2 1s r m 的运行特性【l o 】【i l 】 s r 电机运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、自然特性区( 串励 特性区) ，如图3 4 所示。在恒转矩区，由于电机转速较低，电机反电动势小，因 此需对电流进行斩波限幅，称为电流斩波控制方式，也可采用调节相绕组外加电 开关磁阻电机转矩的控制策略 压有效值的电压p w m 控制方式；在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关断 角取得恒功率特性，称为角度位置控制方式；在自然特性区，电源电压、开通角 和关断角均固定，由于自然特性与串励直流电机的特性相似，故亦称为串励特性 区。转速魄、国妒为各特性交接的临界转速，是s r 电机运行和设计时要考虑的重 要参数。魄是s r 电机开始运行于恒功率特性的临界转速，定义为s r 电机的额定转 速，亦称为第一临界转速，对应功率即为额定功率；国旷是能得到额定功率的最高 转速，恒功率特性的上限，可控条件都达到了极限，当转速再增加时，输出功率 将下降，亦称为第二临界转速。当转速再增加时，由于可控条件都已达到极限， 转矩不再随转速0 9 的一次方下降，因此s r 电机又呈串激特性运行。 恒转矩彘 功率k串蛹特性l x t = t o r s i 蹦= c o n j t 图3 4s r 电动机典型运行特征 f i g 3 - 4s r m st y p i c a lo p e r a t i n gp e r f o r m a n c e 3 2 3s r m