（电机与电器专业论文）自激换流低速磁阻电动机及其控制策略研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s n a c t a b s t 陷c t t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sv a r i a b l e 蠡 e q u e i l c ys p e e dc o n 臼d ls t r a t e g i e sf o ra 姊e o f1 0 ws p e e da i l dl l i g ht o r q u em o t o 卜s e l f c o m m u t a t i n g1 0 ws p e e dr e l u c t a n c em o t o r s c l 砌 w i t hn o v e ls t n 咖r c 锄dp r i n c i p l c i ns t e a do f 柚yg e 酊b o x s c l i c o n s i s t so fat r a d i t i o n a lv rl o ws p e e ds y n c l l r o n o u sm o t o rc o m b i n e dw i t has t a t i c c o n v c r t e rc o m p o s e do n l yo fs i xd i o d e s f o r sr c a s o n s c l r mn o to n l yi n h e d t s t h ea d v 锄妇g e so fs i m p l es 协l c t u r ea n dt e c l l n i q u e s 盘 0 mt l l e 协l d i t i o n a lv rl o ws p e e d s y n c h r o n o u sm o t i r b u ta l s oo v e r c o m e si t s 1 h i t a t i o no fl o w e r t o r q u ec 印a b i l i 劬 w h i c hb r e a k san e wa p p r o a c ht ot h er e s e 础o fl o ws p e e d 觚dh i g ht o r q 呻m o t o r s f o rd i r e c td r i v ea p p l i c a t i o n s hm i sd i s s e 删i o n s y s t e m a t i ct 1 1 e o r e t i c a la r a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a ls t u d ya r ec 硎e do u to n 协eo p e r a 虹o np r i r l c i 西e s t e a d y s t a t c p e r f b r i l l a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa i l dv a r i a b l e b q u e n c ys p e e dc o 臼 0 1 l i n gs y s t e mf o rt h j s t y p em o t o l 0 nt l l eb a s i so fi n t r o d u c i l l gt l l em o t o rs t r u c t u r e t h es e l 矗e x c i t i n gc a n v e r t 啦 p r i n c i p l e o fs c i 凰mu i l d c r t 1 1 r e e p h a s e a c s u p p l e i sd e s c r i b e d a r l dm e m a 1 e m a t i c a lm o d e lo fs c l 砌订i se s t a b l i s h e d t h i sd i s s e n a t i o np r c s e n t st w o d i m r e n tv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e c dc o n 廿0 1g 眦e g i e sf o rs c l r m 一叫厂 j a b l e n 明u e n c ys p e e dc o m ls 姐t e 西e sr e a l i z e ds v p w m a n dc u 玎e n t f 0 1 1 0 w i n gv a 曲b l e 好e q u e n c ys p e e dc o n t m ls t r a t e g i e sw i t hd e l a y l o o pc o n t r d l t t h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d di si m p l e m e n t e di nm a t i a b t h es t e a d y s t a t e s i m m a t i o np e 墒m a l l c eo fs c l r mi nb o t hs e l f e x c i n g 叩e 枷o nm o d ea 1 1 d i n v e r t c rf e e d i n gm o d e 盯es t u d i e d a n dm ee f f e c to nt h es t e a d y s t a t ep e r f o n n a n c eb y t h e s es e v e r a l v i n gm o d e sa r ea l s os i m l l l a t e d t h em o t o rs p e e d 曲v i n gs y 妣mu s ed s p 雏c o n 订o l l e ra n du s e 龀s ec o n t r o l s 协n e g i e sp r e s e n t e di nt h i st l l e s i s t h ee x p e r i m e i l 诅lr e s u t so ft h es 锄p l em a c h i n e s h o w st l l a tm e s ec o n 仃0 1s 扛a t c g i e sf o rs c l r mi sf b 髂i b l e t h ee x p e 曲1 e n t a lr e s u l t s a n d 也es i m u l a t i o nr e s u h sa r ew e l lc o i l l c i d e d w h i c ha c c o u n t sf b rt 1 1 es u f f i c i e n t a c c l l r a c yo f 山es i m u l a t i o nm o d e lp r o p o s c di n l i sd i s s e r t a t i o n l i 浙江大学硕士学位论文 a b s 仃m k e y w o r d ss e l f c o m m u t a t i n g 1 0 ws p e e d r e l u c t a n c es i m u l a t i o n v a r i a b l e f r e q u c n c ya d j u s t b l es p e e d l i l 浙江大学硕士学位论文 第一章 第一章绪论 摘要 本章阐述了本课题的背景及选题的意义 作为文献综述介绍了低速电动机国内外 的研究概况及本文研究的自激换流低速磁阻电动机 s c l r m 最后介绍本文后续各章的主 要内容 1 1 课题的背景及选题的意义 传统交流电动机的转速一般在7 5 0 3 0 0 0 r 1 1 1 i n 这一中高速范围内 随着现 代科学技术的发展 这种转速很难满足各种工业设备运行的需要 在许多场合 大到工业传送系统 原料搅拌系统 机床进给系统 小到传真通讯 录音复制 钟表机构等 都要求电动机转速仅为每分钟几十转甚至几转 个别场合甚至要求 电机转速为几小时 几天一转 因而往往要求降低电动机的转速和增大输出转矩 从原理上来说 对于传统的同步或异步电动机 只需增加它们的极对数就能 达到降低转速的目的 但是 电机极对数的增加受到结构和工艺因素的限制 且 会使电机的体积和重量增加 降低了电机的利用率 因而在实用上 这种方法只 能用于一定的转速范围 因此 为了得到低速大力矩 约9 0 的电动机必须与 庞大的齿轮减速机构配套使用 电机采用齿轮传动后 不仅使整个系统的体积和 重量增加 噪声增大 效率降低 而且使传动精度降低 快速反应性交差 另外 齿轮的磨损还会带来系统寿命和可靠性的隐患 许多年来 国内外都非常重视低 速电动机的研究 即要求电动机在保持一定输入转矩的情况下 毋须减速机构直 接输出低转速 可以直接驱动机械设备 从而使传动系统大为简化 噪声降低 既能节约能源 降低成本 又提高了整个装置的精度和可靠性 这一技术代表着 电机发展的 个方向 各国都在竞相开发研制各种低速电动机 随着空间技术的发展 低速电机在宇航 卫星 火箭等尖端技术领域应运而 生 如太阳天线阵列驱动 惯性基准元件的扭转 展开机构及节流阀控制等都需 要高效可靠性的低速电机的直接驱动 之后 低速电机的需求领域迅速从军事和 高精尖部门普及到工农业生产 据不完全统计 我国每年需生产近6 0 0 万台各类 减速机与普通电机配套使用 若采用低速电机 市场前景十分乐观 以医用x 光机的床身翻转系统为例 仅这种x 光机在我国每年大约生产4 0 0 0 台 2 9 1 如改用 浙江大学硕士学位论文 第一章 低速电机直接驱动 就省掉了原先齿轮 蜗轮 蜗杆 丝杆构成的庞大的减速系 统 不仅提高了产品的综合性能 而且节省了能源和大量的原辅材料 其社会效 益也十分可观 本课题的研究对象是一种新型结构的自激换流低速磁阻电动机 该新型电机 正是基于工农业生产实际希望电机直接输出低速大力矩的背景提出来的 本课题 借鉴现有磁阻电机的分析方法和控制方式 对该种新型结构的自激换流低速磁阻 电动机的设计特点及驱动系统控制方式作系统的探索性研究 为该种电机的进一 步开发和应用提供理论基础 这在理论上和实践中都具有重要意义 1 2s a u 瞰的结构型式 1 2 1 几种磁阻电机的比较 表 1 1 几种磁阻电机的比较 v r 低速同步电机v r 步进电机 s r ms c l r m 定转子为双开槽细齿定转子为双开槽细齿定转子为双凸极大齿定转子为双开槽细齿结 结构 结构结构构 定子绕组为多相分布绕组定子绕组为多相集中绕组定子绕组为多相集中绕组定于绕组为多相集中绕组 工作于多相交流电源 工作于开环状态 无转利用转于位置信号运既可以工作于单相或多 励磁电流是多相对称正弦 子位置反馈 励磁电流是按行于自同步状态 相绕组导相交流电源 也可以由逆变器 波电流一定次序施加在各相绕组通时刻与转子位置有严格供电 励磁电流均是按一定次 上的脉冲电流 绕组中电流对应关系 励磁电流是按一序施加在各相绕组上的单向 是单向的定次序施加在各相绕组上电流 的脉冲电流 绕组中电流是 单向的 一般不作控制一般通过调节逆变桥既可调节主开关管的一般通过调节逆变桥的 的开关频率来调节转速开通角和关断角 也可采用开关频率来调节转速 调压或限流斩波控制来调 节转速 低速运行 功率等级步进工作方式 多用于伺服功率等级较高 多用于功率低速运行 功率等级较高 用 低 多用于伺服控制系统 控制系统 对步距精度要求驱动系统 一般为高速运于功率驱动系统 很高 也可低速运行 但功行 特殊控制方式下可实现 率等级低 一般不作驱动用低速运行 但转矩脉动大 浙江大学硕士学位论文 第一章 尽管目前已有种类繁多的低速电动机 但是大多是输出转矩仅在几牛米以下 的小功率或微型电动机 应用于军工或民用各种伺服系统 难以满足生产机械大 力矩直接驱动场合的需求 少数可以做到数十牛米或上百牛米 但结构工艺及控 制线路复杂 成本较高 本课题研究的自激换流低速磁阻电动机 s c l r m 电机本体借鉴了反应式低 速同步电动机的简单结构 旨在利用特殊的绕组结构和控制方式实现大转矩 虽 然在作用机理上与典型的磁阻电机 反应式低速同步电机 步进电机 开关磁阻 电机 十分相似 但是它们之间在电机设计特点 驱动控制方法 运行特性及应 用场合等方面有着很大区别 几种磁阻电机的比较见表 1 1 1 2 2s c u u 讧的结构型式 我们知道在不计饱和的情况下 当励磁磁势和电枢磁势相等时 双馈式跟轴 向励磁式产生转矩的能力是相同的 但是双馈电机须两套绕组且励磁回路和电枢 回路都有各自的引线 结构较复杂 一般很少采用 考虑到普通反应式低速同步 电动机在运行时 其定子绕组电流既有无功分量也有有功分量 可以分别看成是 励磁电流和电枢电流 因而从作用原理上可以认为是绕组叠放在一起的双馈电 机 只是在实际运行时励磁电流和电枢电流无法单独控制到极值情况 因此其产 生的转矩远小于轴向励磁式 然而 如果将传统的反应式低速同步电动机的绕组 结构作适当的改变 并采取特殊的控制方法 使其定子绕组电流中既有足够大的 励磁分量与电枢电流分量 而且又可使两个分量同相叠加 则既可以保持普通反 应式低速同步电动机结构简单的特点 又达到增大输出转矩的目的 这就是本论 文所研究的新型低速大力矩电动机一自激换流低速磁阻电动机的出发点 设某双馈电动机 定子上具有极对数为以的励磁绕组和极对数为此的电枢 绕组 假定在每个极下励磁磁势f 和电枢磁势e 沿气隙分布是正弦的 即 曩 曩 c o s 以口 1 1 e e c o s 见 1 2 其中 为气隙圆周上用几何弧度表示的座标 为了比较各种电机有效体 积产生转矩的能力 可以考察气隙储能对转子机械转角的导数 3 浙江大学硕士学位论文第一章 扩霹 时掣 争慨 1 3 式中 b 为气隙中各点的磁势 其最大值为吆 曩 e 巳 力 f 为转 予的机械角位移 a 为气隙比磁导 霹 e e 圳2 譬 孚 孚c s 2 n 譬c o s 2 见 曩 c o s 儿 n c o s 见一以 3 6 舢 图 1 1 反应式电机的磁势沿气隙的分布 仉 6 仉1 2 1 8 2 4 仉3 0 仉 3 6 0 o 图 1 2 反应式电机的磁势空间调制 1 4 浙江大学硕士学位论文 第一章 为了避免电机内产生单边磁拉力 磁导波最大点的个数必须是偶数 当 p 2 时 普通反应式电机的磁势沿气隙的分布如图 1 1 所示 由于电磁转矩 公式 1 3 中用到的是磁势的平方堙 因而若将磁势在空间按 1 5 进行调制 它 的值不会变化 对于反应式可作如下调制 巧 c o s 譬 啦啦n 沏 1 5 式中 坍为电机的相数 聊 3 的调制后的磁势波形如图 1 2 所示 由图可知 经调制后的磁势波巧每隔6 0 电角度改变一次方向 也即电机相邻磁极极性相 反 这样可使磁通路径最短 要实现上述的磁势空间调制 可在反应式低速同步 电机基本结构的基础上 将定子凸极上的集中绕组进行适当改造 仍以肌 3 仇 2 为例 首先将定子空间1 2 个凸极上的绕组采用图 1 3 所示的两种方法连 接 图 1 3 a 中空间相对的两个线圈顺极性串联 构成半相绕组 再与空间相差 1 8 0 电角度的另外半相绕组并联成一相绕组 图 1 3 b 中空间相对的两个线圈 l7 a b 图 1 3 带磁势调制的反应式电机的绕组连接方法 5 浙江大学硕士学位论文第一章 并联成半相 再与空间相差1 8 0 电角度的另外半相绕组并联成一相绕组 接成 y 或 的三相绕组经二极管构成的变流器接到三相交流电源 这种结构在本文中 称为自激换流低速磁阻电动机 s c l r m 俄罗斯曾采用类似结构制成单相低速 电机用于食品搅拌机械 在国内仅文献 1 的作者对该种结构的电机有相关报导 由于s c l r m 半相绕组中二极管的作用 使得流过线圈的电流是单向半波电 流 忽略高次谐波 可以把流经s c l r m 线圈的电流表示成直流分量和时间基波 之和 即 一1 1 j o 一1 s i n 耐一兰 七一1 1 6 历 其中直流分量沿定子内圆产生极性交替的励磁磁势 时间基波电流产生电枢 磁势 电磁转矩是在励磁磁场和电枢磁场相互作用的基础上产生的 这两个磁场 由气隙磁导波的调制而互相联系着 这种结构的优点是 首先 达到上述的磁势空间调制的目的 即作用在电机 相邻极上的磁势是大小相等方向相反的 磁通以最短的路径闭合 使轭部的磁压 降减到最小 提高了气隙中的磁密 从而提高了电机的有效体积利用率 更重要 的是定予绕组电流中直流分量起到了双馈电机中的励磁磁势的作用 它可以实现 大力矩 却省去了双馈电机的励磁绕组或轴向励磁式的永磁体 尽管s c l r m 具有与普通反应式低速电动机相似的简单结构 但两者产生的 气隙磁场却有着本质区别 就一相绕组而言 反应式低速同步电机产生的磁场是 交变的 而s c l r m 中产生的是恒定磁场与交变磁场的叠加 相当于在反应式低 速同步电动机的基础上叠加了直流励磁或永磁体励磁的作用 它与轴向励磁不同 的是 该直流磁场在空间上是随着绕组的换流而以步进方式旋转的 而轴向励磁 的恒定磁场在空间上是不动的 1 3变频调速系统的发展与应用 1 3 1调速系统的发展历史与现状 自从1 8 3 4 年直流电动机出现以后 直流电动机作为调速电动机的代表 在 工业中得到了广泛的应用 它的主要优点在于调速范围宽广 静差小 稳定性好 以及具有良好的动态性能 晶闸管变流装置的应用使直流拖动发展到了一个很高 浙江大学硕士学位论文 第一章 的水平 在可逆 可调速与高精度的拖动技术领域中 相当长时期内几乎都采用 直流电力拖动系统 尽管如此 直流调速系统却解决不了直流电动机本身机械换 向问题和在恶劣环境下的不适用问题 同时 制造大容量 高转速及高电压直流 电动机也十分困难 这就限制了直流传动系统的进一步发展 交流电动机本身有着直流电动机不具备的优点 没有电刷和换向器 结构简 单 坚固而寿命长 然而交流电动机在1 8 8 5 年出现后 由于一直没有理想的调 速方案 只被应用于恒速拖动领域 上个世纪3 0 年代起 不少国家才开始提出 各种交流电动机调速的原始方案 晶闸管元件的出现使交流电动机调速的发展出 现了 个飞跃 使得采用半导体变流技术的交流调速得以实现 交流电机采用变频调速技术是当代电机调速的潮流 它以体积小 重量轻 精度高 通用性强 工艺先进 功能丰富 保护齐全 可靠性高 操作简便等优 点 深受各行业的欢迎 除变频以外的另一些简单的调速方案 例如变极调速 定子调压调速 转差离合器调速等 虽然仍在特定场合有一定的应用 但由于其 性能较差 终将会被变频调速所取代 交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速 和如下一些关键性技术的突 破性进展有关 电力电子器件的制造技术 基于电力电子电路的电力变换技术 交流电动机自q 控制技术 p w m p 1 l l s ew i d t l l m o d u l a t i o n 技术以及以微处理器和 大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等 随着这些技术的发展 交流电机 变频调速系统的实际应用比重会逐步增高 直到最后完全取代直流调速和其它调 速方式 1 9 7 1 年德国学者b l a s c h k e 和h a s s e 提出了对交流电动机可以进行矢量变换 控制 这是一种新的控制思想 新的控制理论和新的控制技术 2 引 可以说 它的 出现对交流电动机控制技术的研究具有划时代的意义 这种通过磁场定向构成的 矢量变换交流闭环控制系统 其性能完全可以与直流系统相媲美 正因如此 随 着电力电子 微电子 计算机技术和微控制器的发展 矢量控制技术得以迅速应 用和推广 自关断器件的发展为p w m 技术铺平了道路 目前几乎所有的变频调速装 置都采用这一技术 p w m 技术用于变频器的控制 可以改善变频器的输出波形 浙江大学硕士学位论文 第一章 降低电动机的谐波损耗 并减小转矩脉动 同时还简化了逆变器的结构 加快了 调节速度 提高了系统的动态响应性能 p w m 逆变器有着不同的调制方法 日 前流行的一种是s p w m s i l l ep w m 另一种较新的方法是s v p w m s p a c e v e c t o rp w m 这些方法都己趋成熟 在实际中均有应用 1 3 2 变频调速系统的广泛应用 近年来变频调速技术发展迅速 应用日益广泛 在工业生产和民用生活中都 得到了广泛的应用 2 6 j 从其在应用中发挥的作用来划分 有以下几类 一 节能应用 在节能方面的应用是变频调速技术最典型的一个应用 通过降低输入功率 达到了节约能源的效果 这类应用主要用于泵类 风扇 鼓风机等工业系统中 在我国现在的能源利用率低 能源后备储存有限的情况下 发展变频节能技术的 应用有着势在必行的意义 二 提高生产率 提高产品质量 在提升机 起重机 机床 食品机械 印制电路板基板钻孔机等领域 根据 不同的加工工艺或在不同运行阶段设备运行有着不同的最佳速度 恰当的保证工 艺中的最佳转速 可以起到缩短运行时间 稳定产品质量的作用 在提升机或起 重机的运行中 人们希望能尽量的提高速度以提高工作效率 但运行速度过高就 不能准确停车 利用变频调速技术可以使其在运行时工作在高速状态下 需要准 确停车时工作在低速状态下 在车床或铣床的工作过程中 对于一些复杂模型的 制作需要精确控制电机的转速 在不同的位置采用不同的速度 才能制作出符合 要求的产品 这对变频调速系统的要求是很高的 实际上 目前我国用在铣床上 的高精度变频调速系统主要还是依靠进口 人们还在努力提高技术 使我们的铣 床完全国产化 三 设备的合理化和自动化 变频器的使用 可以把诸如传送带 给料机 干燥机 熔炉 风扇 泵等多 种机械 根据生产工艺的内在联系适当地组合起来 协调运行 实现自动化控制 某些生产过程己经实现了多机联动的自动化控制 生产设备实现了合理化 生产 力大幅度提高 在 台多功能洗衣机中 由于洗涤 甩干的速度相差很大 无法 浙江大学硕士学位论文 第一章 由一台恒速的电机实现 若利用了变频调速技术后 就可以很方便地用一台电动 机来平滑地调节在不同工作阶段以不同的转速旋转 简化了机械结构 提高了设 备的利用率 四 在恶劣环境下工作 在恶劣的环境中 如高温 高寒中 在潮湿的环境中 甚至在有危险的场合 都可以利用完善变频器的控制功能来对设备进行控制 减少人类在恶劣环境中的 工作时间 五 改善环境 随着人类文明的发展 人们对生存环境的要求越来越高 由于电力电子器件 的发展 变频器已可以将载波频率提高到2 0 k h z 和直接接到电网上的噪声一样 因此变频器实现了静音化 在空调中使用变频调速技术 不但能起到节能省电的 作用 而且由于变频技术的加入 使空调不再有只用开关控制来调制式的波动感 使人感觉到更加舒适 1 4 本文研究的主要内容 自激换流低速磁阻电动机是一种全新的直接驱动低速大力矩电动机 本课题 的主要目的是借鉴现磁阻电机的分析方法和控制方式 根据该种新型结构的自激 换流低速磁阻电动机的结构特点和工作原理 结合目前应用最广的p w m 变频技 术 对该新型电机的变频调速进行研究 使之能够实现调速控制 主要研究工作 如下 1 研究了s c l r m 的基本结构和自激方式的工作原理 与现代交流变频技 术相结合 提出s c l r m 叫 变频调速策略和电流滞环跟踪变频调速策略 2 根据s c l 州的基本方程 建立了电机的数学模型 并在 m a t l a b s i m u l i k 中建立了s c l r m 的在s p w m s v p w m 和线 相 电流滞环 跟踪驱动方式下的调速系统仿真模型 通过仿真研究 结果证明s c l r m 在 s v p w m 和电流滞环跟踪驱动方式下稳态性能更好 3 根据仿真结论 采用特殊的三相桥式逆变电路 研制了s c l r m 变频调 速系统 并在样机上进行了试验研究 试验与仿真结果相符 浙江大学硕士学位论文 第二章 第二章自激换流低速磁阻电动机的基本理论 摘要 本章主要介绍了s c l 鼢订的基本结构和工作原理 分析了s c l i t m 的数学模型的 基本问题 2 1 引言 磁阻电机的结构和工作原理与传统的交直流电动机有本质区别 传统电动机 依靠定转子绕组电流产生的磁场相互作用从而产生电磁转矩 而磁阻电机本质上 都是基于定转子的齿槽效应 遵循磁通总要沿着磁导最大的路径闭合的原理产生 磁拉力形成电磁转矩 一般采用定 转子双开槽结构 定子上有最简单的集中绕 组 转子上无绕组 也没有换向器 滑环等 根据转子位置采用适当的控制方式 来导通和断开定子绕组电流从而产生转矩 本文所研究的自激换流低速磁阻电动机 s c l r m 在传统磁阻电机的基础上 采用二极管与定子绕组连接 直接运行于三相 或单相 交流电源 利用二极管的 单向导电性实现自激换流 2 2s c l r m 的基本结构与工作原理 2 2 1s c l r m 的基本结构 s c l r m 典型结构如图 2 1 所示 定子铁心凸极结构 每个凸极上有若干个 小齿 转子铁心隐极结构 均匀分布若干小齿 定子每个凸极上分别套一个集中 绕组 转子无绕组 定 转子齿数满足 z 2 z 士仇 2 1 其中 z 定子小齿总数 z 转子齿数 仇 气隙磁导波沿气隙圆周最大值 的个数 空间相对的每两个极上绕组顺极性串联并与一只二极管直接相连构成一个 半相绕组 空间相差1 8 0 电角度的两个半相绕组并联成一相绕组 其中与正向 二极管d l d 3 d 5 相连的半相绕组分别定义成a b c 与反向二极管d 2 d 4 d 6 相连的半相绕组分别定义成a b c 三相绕组可以接成y 型 如图 2 2 所示 也可以接成 型 浙江大学硕士学位论文 第二章 1 一定子冲片2 一定子绕组3 一转子神片 图 2 1 s c l r m 典型结构 图 2 2 s c l r m 定子兰相绕组连接图 s c l r m 接三相交流电源运行时 由于二极管的单向导电性 每相电源正半波期 间 电流只能从该相正绕组通过 电源负半波期间 电流只能从负绕组通过 这 样一个周期内每相正绕组通电与负绕组通电时产生的磁场方向不变 使得单相通 电产生的磁场并非脉振磁场而是具有直流励磁的作用f l 2 2 2s c l i t m 自激换流工作原理 如图 2 3 所示 为三相电网电压 由于二极管的导通电压很小 可以认为二极管d 1 d 6 的导通起始点为所在相的相电压过零点 因而 在不考虑 续流的情况下 每经过6 0 电角度就有一只二极管自然换流 这样一个周期可 分为六个区域 每个区域有三只二极管导通 对应定子绕组的一种通电状态 按 图 2 3 中的自激换流规律 一个周期内二极管的换流状况为 d l d 4 d 5 一 d i d 4 d 6 一 d 1 d 3 d 6 一 d 2 d 3 d 6 一 d 2 d 3 d 5 一 d 2 d 4 d 5 对应绕组 的六个通电状态为 a b c 一 a b c 一 a 十b c 一 u j c 一 九b c 一 丸b c 产生的气隙合成磁场为方向恒定的旋转磁场 每经过一种通电状 态 合成磁场转过6 0 电角度 如前所述 对于磁阻电机 某一相绕组被励磁 后 如果转子进入磁导最大的稳定零位 则电磁转矩等于零 如果由于外加转矩 迫使转子离开稳定零位 由于磁导的变化将产生复位转矩 力求克服外加转矩迫 使转子回复到稳定零位 若用电角度日表示转子位置角 并令定子齿与转子槽中 心线重合处毋 o 不失一般性 认为a b c 导通时a 相处于定转子齿对槽的位 浙江大学硕士学位论文 第二章 法甚甚墨 巴i 巩i 玑 玑l 止 i 西 如 d 阢 图 2 3 s c l r m 自激换液规律 置 则a 相目 o b 相与 相差六分之一齿距 即p 石 c 相相距b 为六 j 分之一齿距 臼 鲁石 三者产生方向相同的电磁转矩驱动转子转过六分之一齿 j 距 进入下一拍 此时c 相处于定转子齿对齿的位置 磁导已达到最大值 若 不关断 此拍将产生负转矩 观察此时c 相电压刚好处在反向过零点 因而可 以实现c 到c 的自然换流 导通状态变为a b c 此时通电的三个半相绕组的 齿槽起始相对位置为c 相口 o a 十相臼 石 b 相口 詈石 与前一拍相同 j 可见 s c l r m 在三相交流电源下运行时 不考虑续流的情况下 由于二极 管的整流作用 任何时刻都有三个二极管及其对应的三个半相绕组导通 一个周 期内每个二极管及其对应的半相绕组导通1 8 0 电角度 称这种自激换流过程为 三相六拍导通方式 六拍转过一个转子齿距 每拍被励磁的三相其定转子齿槽相 对位置均处在磁导增大的位置 磁导已达最大值的一相被关断 这样不仅可以产 生方向恒定的合成转矩驱动转子旋转 而且可以有效地抑制负转矩的产生 对于如此结构的电动机 直接运行在三相交流电源下 由于二极管的自激换 流作用 定子三相绕组产生旋转磁场及磁阻性质的电磁转矩驱动转子旋转 转速 满足 笔 其中厂为电源频率 浙江大学硕士学位论文 第二章 2 2 3s c l r m 的续流分析 以图 2 3 中a 相为例 当耐 1 8 0 时 电流从a 向a 换向 由于绕组电 感的存在 进入状态i v 时 电流 不能突变为零 绕组a 中的感应电势将沿 a 丸d 2 d l a 回路产生续流 因而在a 相电源的负半波期间 仍有 流通一段 时间 故而考虑续流后 每个二极管及对应的半相绕组导通时间将大于1 8 0 而且任一时刻导通的二极管数及半绕组相数均大于三 进入状态 后 l 的 续流从a 绕组中流通时 对输出转矩是有利的 从a 绕组中流通时 则会产生 负转矩 对输出转矩是不利的 综合看来 续流对输出转矩的影响取决于相绕 组的时间常数兰 2 3s c l r m 的基本方程 尽管s c l r m 的结构和工作原理都比较简单 但由于定 转子双开槽的结构 及二极管的单向导通特性 使电机的磁路和电路存在非线形 电机的各个物理量 随转子位置做周期性变化 不过其内部的电磁过程仍然建立在电磁感应定律 全 电流定律 能量守恒定律等基本电磁关系上 1 o 在不计磁路饱和的情况下 电机参数只与转子位置有关 假设定子各相绕组 对称 可以写出s c l r m 的基本方程 定子第 相电动势平衡方程 铲 r 等 2 伽 2 2 考虑到 p f 2 f 2 巴 为计及互感在内的总磁链 上式可以写成 心嘲 和以 鲁 掣 争 陋啦 圳 江s 式中巳 转子机械转角 口 转子机械角速度 力 堡 根据力学原理 转矩的平衡方程式为 浙江大学硕士学位论文 第二章 警 瓦 瓦 2 4 式中 系统转动惯量 瓦 空载转矩 正 负载转矩 当电机稳态运行时 罂 o 则 d f t 磊 瓦 2 5 电磁转矩可以表示为气隙磁场能量对转子转角的导数 瓦 一堡磐当盟 2 6 a 巳 由于电路 磁路的非线性 上述基本方程很难求解 工程中 通常根据具体 运行状态进行必要的简化 首先 s c u u 订由于二极管的单向导通性 同一时刻不是所有绕组内均有电 流 本文中在不考虑绕组相间环流的情况下 忽略相间耦合 将式 2 3 简化为 嘲划吼 鲁 口筹 t 2 7 由于s c l r m 定子 转子双开槽 气隙磁导是一个随定 转子相对位置变化 而周期性变化的函数 其变化周期为一个转子齿距 可以用宽度等于定 转子齿 对准部分的方波来表示 并将其进行傅立叶分解 只取恒定分量和基波分量 如 图 2 4 所示 l 门nnnn n lz l 1 几nn 门门几n 广1 墨 图 2 4 气隙磁导 0 浙江大学硕士学位论文 第二章 相应的 对于定子一个凸极上的绕组 可得工程计算实用电感模型 船 i l i 竺三苎 3 3 图 2 5 电感模型 三 口 厶 厶c o s p 2 8 式中臼 定 转子齿中心线的夹角对应的电角度 厶 电感平均分量 厶 妻乞z g o 2 厶 电感基波分量 厶 三七互g l 2 一个线圈的匝数 互 定子每极小齿数 乇 定子铁心长 工程计算中 在磁路线性的假定下 忽略相间耦合 不考虑相间换流的情况 下 电磁转矩等于通电的三相绕组在一拍内的平均转矩的合成 即 驴丢乏乏昙x 睛等 咿f 等以咿f 斋 曰 江 式中z 2 转子齿数 根据轮换对称性 b c 两相在o 要范围内产生的转矩分别等于a 相在 詈 等及等 万产生的转矩 则上式可等效于 乙 三五乙昙 f 等i 口2 咿乒等 啪辱斋 占 c z 加 浙江大学硕士学位论文 第三章 第三章s c l 砌垤变频调速控制策略 摘要 本章根据s c l r m 的工作原理 引入现代p w m 交流变频调速技术 提出几种 s c l r m 变频调速控制策略 3 1 引言 由第二章介绍的s c 氓m 结构和工作原理可知 s c l r m 按图 2 2 方式直接 由三相或单相工频电源供电 遵循图 2 3 所示的自激方式换流规律运行 其转 速n 仅取决于电源频率和转子齿数 因而在电源频率恒定的情况下 具有恒速的 特点 在文献 1 中 作者设计了一种专用的控制器 采用控制与环分电路 使 电机按三相六拍的导通方式运行 实现了s c l r m 的变频无级调速 图 3 1 功率变换电路 针对s c l r m 的特殊结构 文献 1 中采用了特殊结构的逆变器电路 如图 3 1 所示 图中六个m o s f e t 中的续流二极管未画出 该逆变器跟普通的三 相桥式逆变电路不同 其上桥t l t 3 t 5 的漏极均接直流电源 的正端 源极 分别接电机三相绕组的a b c 端 下桥t 4 t 6 t 2 的源极均接的玑负端 漏极分别接电机三相绕组的丸 b c 端 在每相绕组的两个端点之间 即同 一桥臂的上桥源极与下桥漏极之间接上由r d 所组成的续流回路 其中d a d b 1 6 浙江大学硕士学位论文 第三章 d c 为续流二极管 r a r b r c 是为改善续流波形而设置的衰减电阻 由于该逆 变电路同一桥臂的两管之间接有反向二极管 使得该电路没有普通桥式电路直 通短路的危险 提高了线路的可靠性 在该结构中 r d 所组成的续流回路代替 了图 2 2 中的6 个二极管 把正负半相分开 使正负半相的端电势不同 且无 法对电流进行控制 为了拓宽应用场合 本文研究s c u t m 更通用的控制方法 运用现代交流 p w m 变频技术与s c l r m 相结合 对s c l r m 进行变频无级调速 图 3 2 为本 文所采用的逆变器拓扑结构 图中六个m o s f e t 中的续流二极管未画出 从图 中可以看到 该结构是普通的三相逆变桥和按图 2 2 方式的s c l r m 相结合 图 3 2 本文采用的功率变换电路 3 2p w m 变频技术 脉宽调制 p u l s ew i d t h m o d i l l a t i o n p w m 逆变器 对于一般应用 是由二极 管桥式整流恒压供电 用控制脉冲列的调制周期和脉冲宽度来实现输出频率和 电压的调节 三相桥式p w m 逆变器的典型主电路图如图 3 2 所示 图中t i t 4 t 3 t 6 t 5 t 2 是六个功率开关管 它们的开关状态分别受g 1 g 4 g 3 g 6 g 5 g 2 控制 c k 为直流母线电压 u 虬是逆变器输出到电动机的 输出点 实际上是输出给电动机的三相电压 浙江大学硕士学位论文第三章 p w m 逆变器中的功率开关器件一周期内要开通和关断许多次 低频输出 时 输出电压相对幅值要低得多 这是它的突出优点 随着半导体功率开关器 件 脉宽调制方法和微电子技术的迅速发展 使得p w m 逆变器的开关频率不断 提高 输出更接近正弦波 电机磁场更接近圆形 脉宽调制方式对p w m 逆变器输出的质量和交流调速系统的性能具有根本 的影响 对于图 3 2 所示的三相逆变器 有多种脉宽调制方式 目前主要有正 弦脉宽调制 s i n ep w m s p w m 变频 空间电压矢量脉宽调制 s p a c e v e c t o r p w m s v p w m 变频和电流跟踪式p w m 变频 下面分别对其进行分析 3 2 1 正弦脉宽调制s p w m 为了减小谐波影响提高电机的运行性能 要求采用对称的三相正弦波电源 为三相电机供电 因此 p w m 逆变器采用正弦波作为参考信号 s p w m 信号使 用给定的三相对称正弦波参考信号和一个共用的三角波载波信号进行比较来生 成 在调制过程中 改变正弦波参考信号的频率 输出电压的频率也会随着相 应地改变 改变正弦波参考信号的幅值 输出电压的幅值也会随着做相应的改 变 从而通过控制正弦参考信号的幅值和频率实现了正弦三相电压的幅值调节 和频率调节 在双极性同步p w m 中 我们令t 代表参考三角波的周期 代表上管t l 的斩波时间 4 代表下管t 4 的斩波时间 b 表给定a 相电压的标么值 其基 值是o 5 v 则有 铲竺5 1 玎 3 1 f 4 丁一 j 已知 和t 用式 3 1 可以求出上管t l 和下管t 4 在一个t 内的导通时 间 这种调制方法是以直流电源的中点为参考零点 t l 导通 为正 相电压的 大小 a 为 铲掣 3 2 2 丁 7 浙江大学硕士学位论文 第三章 在上面的计算分析中 实际上是将图 3 2 所示的逆变器结构看作是图 3 3 所示 的简化的结构 忽略了电动机三相定子绕阻的感抗作用 也就是说 在s p w m 调制的理论中 没有考虑到电流的连续性 若某时刻电路中导通的管子是t l t 6 t 2 则我们用 表示在一个载波周期中这个状态所持续的时间 其它状态 依此类推 当电流连续时 在 时域内产生负c 相电流t 由于时间是 s 级 电机绕组有较大电感 t 2 关断后在电机电感的作用下续流二级管d 5 立即导通使 0 续流 t 5 的导通只有在零电流的条件下才是正确的 一旦电流连续 续流二 极管的作用会破坏给定的导通条件 从而产生较大的误差 图 3 3 典型三相p w m 逆变器电路结构 另外 s p w m 方式还有一个明显的缺点就是对直流电压利用率低 显然标 准正弦波作为给定的s p w m 方式己不是最好的选择 2 7 1 3 2 2空间电压矢量脉宽调制s v p w m 电压空间矢量法 s v p w m 是从电动机的角度出发 着眼于如何使电机获得 幅值恒定的圆形磁场 即正弦磁通 它以三相对称正弦波电压供电时交流电动 机的理想圆形磁通轨迹为基准 用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼 近基准磁通圆 从而达到较高的控制性能 电压空间矢量法与传统的s p w m 法 相比 不但可以减少转矩脉动和铁损耗 而且可以提高电源的利用率 典型的逆变器的结构图如图 3 2 所示 当上面的功率管是开时 比如说 此 时我们用假设口 6 c 的值为1 相应的下面的功率管则是关的 此时我们假 浙江大学硕士学位论文 第三章 设口 6 c 的值为0 关键在于逆变器开关频率能达到控制要求 事实上 现在的电力电子器件的开关频率己经足够用 开关变量k 6 c r 与输出的线电 压矢量 r 和相电压矢量 u u r 之间的关系如式 3 3 和 3 4 所示 鼢 雕潮 象 三三寻 上面两式中 指的是逆变器的线电压 表 3 1 b c 虬 虬 o0 o0 0 o o o o 1oo2 3 1 3 1 310 1 11ol 31 3 2 301一l o 1 o 1 32 3 1 3 11 o o11 2 31 3l 3 101 0 0 1 1 3 1 3 2 3 o 11 l011 3 2 31 31 10 l1 1 0oooo0 3 3 3 4 从图 3 2 中 我们可以看出 逆变器有8 种可能的开关组合 于是我们便 可以得到逆变器8 种开关组合分别于线电压和相电压之间的关系见表 3 1 设 口一声分别是电机坐标平面的水平轴和垂直轴 那么通过口一声变换就能得到逆 变器8 种组合情况下的相电压矢量 相应的变换矩阵为式 3 5 一印 1一三 1 22 o 鱼一鱼 2 2 3 5 把矢量k 6 c r 映射到两维正交坐标平面中 就相当于把矢量 1 1 1 r 映 浙江大学硕士学位论文 第三章 射到一个三维坐标系中 变换的结果就是六个非零矢量和两个零矢量如图 3 4 所示 b u 1 2 01 u 6 0 u 1 8 0 0 1 1 0 0 1 1 u 1 图 3 4 空间电压矢量示意图 从图中可以看出 六个非零矢量共同构成六边形的六条边 两个相邻的非 零矢量之间的夹角是6 0 零矢量位于原点 给三相负载提供零电压 以上8 个矢量称为空间矢量 我们分别用砜 乩 u u 1 u 2 砜0 0 u l 来表示 u 6 u u u u 用来构成u 故我们称这六个量 为基本空间矢量 而称 u 1 为零矢量 从图 3 4 中 可以看出 我们也 可以通过a 一口变换来使逆变器的三相输出按我们期望的效果来变化 从而获得 我们想要的参考电压 注意 此处 的幅值跟d 一 变换中线电压的均方 值相对应 s v p w m 控制技术的目标就是要通过控制开关状态组合 将空间电压矢量 乙 控制为按设定的参数做圆形旋转 在某个时刻 乙 旋转在某个区域中 可由组成这个区域的两个非零矢量u 和 6 分别按对应的作用时间 如组合得到所要求的 输出 从一个空间电 压矢量旋转到另一个矢量的过程中 应当遵循功率器件的开关状态变化最小的 原则 即应当只有一个功率器件的开关状态发生变化 基于这一原则 可以选 定各基本空间电压矢量之间的旋转方向 先作用的玑被称为主矢量 后作用的 浙江大学硕士学位论文 第三章 虬 被称为辅矢量 于是 可以表示为 3 6 由于 如之和小于弓 p w m 周期 需要用零矢量 或 插入 插入时 间为气 f 2 b 零矢量对 的大小无影响 仅对设定的频率起到补偿 作用 在很高的开关频率下 每个转换周期中u 可以看成是常数 则上式可写 成 以 f 2 q 土6 0 乇 u f 2 u 6 0 3 7 用该式可以在口一声平面中 分别求出 如 例如在区域i 中 由图 3 5 有 0 图 3 5 基本空间电压矢量作用时间求解 t 肛甜 舡 盛辨 缸 嘲浯s 肌帆妖缸 oo y 6 0o 卜 爹印州c o s 卜器 睁9 卜 品 和一个零矢量合成一个等效的电压矢量 如图 3 5 中 可以看到在某个时刻 坳虬 乞 u f 毽 删 u 吗 浙江大学硕士学位论文 第三章 u m r 旋转到某个区域中 就由组成这个区域的两个非零矢量u 和己 一 分别作用 7 时间 先作用的 x 称为主矢量 后作用的 一 称为辅矢量 时间分解如 图3 5 所示 为补偿 w 的旋转频率 插入零矢量 作用时间l 对于零矢量的 插入 可以是两个非