开关磁阻电机的基本了解

开关磁阻电机的基本学习内容开关磁阻电机的基本学习内容 1 1 开关磁阻电机的基本原理以及结构开关磁阻电机的基本原理以及结构 开关磁阻电动机 Switched Reluctance Motor 简称 SRM 定转子为双凸极 结构 铁心均由普通硅钢片叠压而成 其定子极上有集中绕组 径向相对的两 个绕组串联构成一相 转子非永磁体 其上也无绕组 1 3 SRM 的定转子极数必 须满足如下约束关系 1 1 s rs N 2km N N 2k 其中 Ns Nr 分别为电机定 转子数 m 为电机相数值减 1 k 为一常数 以下图 1 1 所示一个典型四相 8 6 极 SRM 为例 相数为 4 因而 m 3 取 k 1 则 Ns 6 Nr 8 m 及 k 值越高 越利于高控制性能控制 但相应成本越高 结 构越复杂 目前技术较为成熟 发展较为迅速的产品多为三 四相 SRM 2 图 1 1 即为一典型四相 8 6 结构的 SRM 电机本体及其不对称功率变换器主 电路的示意图 图 1 1 在末尾手画 为表述清晰 图中仅画出不对称半桥电 路的一相 其他各相均与该相相同 并省略了相应的驱动及检测电路 完整的 开关磁阻电机调速系统 Switched Reluctance Motor Drive 简称 SRD 则由 SRM 功率变换器 控制器 位置检测器等四大部分组成 如下图 1 2 示 SRM 可以认为是同步电机的一个分支 它运行时遵循磁阻最小原理 同步 进电机较为类似 2 30 其具体运行原理如下 首先要保证励磁相的定子凸极和 最近的转子凹极中心线不重合 也即初始位移不能位于磁阻最小位置 通以交 流电后 经过一个整流桥变为直流电源 当开关 S1 和 S2 开通时 AA 相通电 励磁 产生一个磁拉力 在该电磁力的轴向分量作用下 产生电磁转矩 凸极 转子铁心趋向于旋转到定转子极轴线 B B 与 A A 重合的位置 而电磁力的径 向力分量则造成定子的 变形 这也是产生转矩脉动和电机噪声的根本原因 之一 在该过程中电机吸收电能 关断 S1 和 S2 开通 BB 相 此时 AA 相经 续流二极管 VD1 VD2 将电能回馈给电源 同时 BB 相趋向运行到定转子极轴 线 C C 与 B B 重合的位置 以此类推 顺次给 A B C D 相循环励磁 在 惯性和轴向力的作用下 转子将一直逆着励磁顺序旋转 从而完成自同步运行 同理若改变励磁顺序为 C B A D 则转子沿顺时针方向转动 由此可以看出 SRM 与直流电机不同 其运行方向与相电流方向无关 而仅与相绕组通电顺序 有关 功功率率 变变换换器器 电电流流检检测测 位位置置检检测测 控控制制器器 速速度度反反馈馈 电电源源 负负 载载 位位置置反反馈馈 速速度度 给给定定 SRM 图 1 2 开关磁阻电机调速系统构成 初次以外 我还搜集了几种不同结构的 SR 电机 分别有涡轮转子两相 SR 电机 可控饱和两相 SR 电机 常规结构三相 6 4 级 SR 电机 三相 6 8SR 电机 三相 12 10 级 SR 电机 三相 6 2 级 SR 电机 三相 12 8 级 SR 电机 三相 24 32 极外转子 SR 电机 五项 10 8 级短磁 SR 电机 七相 14 12 极短磁路 SR 电机 具体配图见报告末尾备注 二 二 SRDSRD 的物理方程与控制分析的物理方程与控制分析 SRM 的双凸极结构及整个磁路的脉振性 高饱和 涡流 磁滞等非线性因 素的存在 加上运行时的开关性 使得的 SRM 精确分析极为困难 41 44 在此 问题上 适度的简化模型显示了强大的优势 首先 基于简化模型的假设如下 28 102 主开关电源的直流电压 Us 不变 忽略铁耗及相间互感 忽略功率开关自身的功耗 视为理想开关器件 认为电机各相参数完全对称 磁场不饱和 在此基础上 我们可以得到 SRM 运行的本质电磁和力学关系 写出其严密的物 理方程 1 2 3 7 1 电路方程 dtdiRU kkkk 1 2 式中 Uk 第 k 相绕组端电压 Rk ik k 第 k 相绕组的电阻 电流和 磁链 2 磁链方程 相绕组磁链可用相电感和相电流表示 即 1 3 kkk i 式中 转子位置角 3 机械方程 1 4 Le TD dt d JT 其中 dt d 1 5 1 6 60 2 n 式中 角速度 Te 电磁转矩 负载转矩 J 转动惯量 D 摩 L T 擦系数 4 机电联系方程 单相单独工作时电机产生的电磁转矩为 1 7 2 1 2 phi const L Ti 且 di k i k 0 1 8 式中 相绕组磁共能 由电路方程 可求得简化模型下的相电流解析式为 1 9 k k U if 其中 f 为电机本体参数 开通范围及转子位置角的函数 因此 可得到 m 相电机的平均电磁转矩为 1 10 2 2 2 22 2 00 1 224 rr NN rr av mNmN ULL Tidfd 5 机械特性方程 如果开通区间和给定电压固定 则式 1 10 中积分部分为定值 由此得到 SRM 固有机械特性为 1 11 2 av k T 式中 k 为比例系数 将式 1 11 变形可得 1 12 a U T v f 由此可明显看出 SRM 可调速参数较多 分别为 相绕组电压 Us 开通角 和关断角 根据调节参数的不同 可将 SRD 常见调速方式分为三种 on off 1 53 58 59 斩波控制方式 Current Chopping Control 简称 CCC 角度位置控制方 式 Angular Position Control 简称 APC 和电压控制 VoltageControl 简 称 VC 其中 VC 常采用电压 PWM Pulse Width Modulation 简称 PWM 方式 如图 1 3 所示 三种调速方式中 CCC 常用于基速以下的恒转矩区 通过电流 斩波限来限制其启动电流 APC 则适用于基速以上的恒功率区 因旋转电动势 较大 开关器件导通的时间较短 电流较小 可通过 APC 方式增大来补偿电 on 磁转矩 电压 PWM 方式通过调节绕组电压平均值 间接调节并限制绕组电流 适用于整个调速范围 下图 1 4 a c 分别为各调速方式的控制框图 T 0 r b sc 恒恒转转矩矩区区 恒恒功功率率区区 不不可可控控区区 CCC 方方式式 T const APC 方方式式 T const r T const 2 r 电电压压PWM 方方式式 图 1 3 SRD 常见调速方式应用 为使 SRD 工作于最佳状态 需结合不同的调速方式选择合适的控制策略 目前较常用的有传统 PI 控制 17 模糊控制 4 30 滑模控制 33 及其组合控制 34 35 等 由于其电机的强耦合和非线性等特性 传统控制无法满足系统高性 能的要求 智能控制正逐步应用于 SR 电机控制领域 很多学者致力于该方面的 研究 如自适应控制 27 28 31 反馈线性化控制 59 人工神经网络控制 43 45 等 三 三 SRDSRD 的控制方式以及运行状态的控制方式以及运行状态 开关磁阻电机在运行时 有三种物理状态 1 起动 2 稳态运行 3 制动控制 开关磁阻电机稳态运行时 控制方式有三种 分别是电流限制 CCC 控制 电流 PWM 控制 电压 PWM 控制 其三种手画图分别为图 a 图 b 图 c 图 a 图 b 图 c 四 四 SRDSRD 电机的优缺点电机的优缺点 优点 1 SRD 有较大的电机利用系数 可以是感应电机利用系数的 1 2 1 4 倍 2 电机结构简单 转子上没有绕组 定子上只有简单的集中绕组 没有相间跨 接线 3 转矩与电流极性无关 单向电流激励 4 对转速限制小 可以制成高速电动机 5 通过对电流的通段 幅值控制 满足不同服在要求的机械特性 6 SRD 系统效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都较高 缺点 1 有转矩脉动 转矩由一系列脉冲转矩叠加而成 切有双凸级结构和磁路非线性 合成转矩 不是恒定转矩 有一定的谐波分量 2 噪声与振动大 3 出线头多 五 五 SRDSRD 电机性能 应用以及研究现状与发展前景电机性能 应用以及研究现状与发展前景 自 1842 年 英国的 Aberdeen 和 Davidson 的开关磁阻电机运行理念诞生以 来 经过 100 多年的技术准备 1967 1970 年出现了世界上第一台 SRM 的雏形 28 与传统交直流电机相比 整体效率高 10 以上 功率因数空载时可达 0 995 满载时可达 0 98 结构简单 性价比高 性能可靠 调速范围宽 运 行效率高 可控参数多 控制灵活方便 允许频繁起停 起停次数可达 1000 次 小时 转速不受负载大小变化的影响 具有很高的效率 17 18 因而上世纪 80 年代以后 开关磁阻电机得到迅速发展 日新月异 5 8 10 11 目前国内外已有 许多公司分别推出了其商品化的开关磁阻电机产品 代表性产品如下表 1 1 所 示 28 36 60 73 87 88 表 1 1 SRD 代表性产品或样机 Table 1 1 Representative Products of the SRD 研制单位研制单位相关产品相关产品技术参数技术参数优势优点优势优点 美国 GE高速 SRD 样机 90 kw 105r min 有效材料仅 10kg 5MW 1 106N m 中国 SRM 采煤机 牵 引电机 100kw 180k w 防爆 适用于恶劣工作环境 可频繁起制动 南京航空航 天大学 高速 SRD 样机 1kW 1 5kW 105r min 可超高速运行 工作转速可达 130 000r min 英国 SRD Ltd 第二代 SRD 通 用产品 100w 100Kw 50 5000 r min 效率比第一代 OULTON 电机高 2 以上 英国 ALLENWEST SRD 产品通用系 列 7 5 22KW 功率范围大 英国 BJD 公 司 密闭水冷式 SRD 35KW 防爆 耐高温 意 SICME MOTOR 和英 国 SRD Ltd XMC XMP XME 3 系列 SRD 80 180m 4Kw 140Kw 3000rpm 转速的 60 140 范围内的效率都 高于 90 即使在 20 额定转速 的低速下 其效率仍可达 40 英国 Nottingham 开关磁阻风力 发电机 可变速风力发电机 加拿大 semifusion 开关磁阻伺服 系统 双轴 四象限 调速平稳 中国于 1984 年跟踪英国的研究成果 在借鉴国外经验的基础上 开关磁阻 电机的研究进展很快 13 14 目前华中科技大学在 九五 项目中研制出了 SRD 电动车 十五 项目中将 SRD 应用到混合动力城市公交车 南京调速电 机厂已与与北京纺织机械研究所合作研制成功 3kW 的 SRM 近年来 我国已研 制了 50W 50KW 20 多个规格的工业产品样机 应用于刨床 煤矿牵引 纺织 冶金 机械 运输 电动车驱动 航空 和家用电器等领域 5 8 10 11 现已开 始新型 SRM 电机的研究 101 如 DSPM 电机 电励磁双凸极发电机 磁浮开关磁 阻电机 22 无轴承开关磁阻电机 93 等 并取得了一定研究成果 在 SR 电机 的理论研究上 主要集中于控制 仿真 设计理论和电磁数值分析等方面 代 表单位有南京航空航天大学 华中科技大学 华中理工大学 华南理工大学 东南大学 西安交通大学 浙江大学 清华大学 中国矿业大学 北京纺织机 械研究所 上海电科院 西安微电机研究所等 39 42 47 52 57 作为一新型电机调速系统 SRD 涵盖了电力电子 电机 微机 控制工程 控制机械等知识领域 目前 SRD 还存在转矩波动大 噪声大 需要位置检测器 系统非线