开关磁阻电机基础知识

李珍国李珍国 (电气工程及其自动化系) lzg 开关磁阻电机基础知识开关磁阻电机基础知识 燕山大学电机与控制研究室 Page 1 一、开关磁阻电机的结构和工作原理（1/5页）一、开关磁阻电机的结构和工作原理（1/5页） ? Switched Reluctance Motor（SRM） Switched Reluctance Generator （SRG） Switched Reluctance Motor（SRM） Switched Reluctance Generator （SRG） ? 开关磁阻电机的结构原理图开关磁阻电机的结构原理图 - 定转子 双凸极结构 - 定子各极上绕有集中线圈 - 转子上无绕组，无永磁铁，仅有叠片叠压而成 - 按照“磁阻最小化原理”，产生磁阻转矩 - 按转子位置给定子绕组逐次供电，以便旋转 燕山大学电机与控制研究室 Page 2 一、开关磁阻电机的结构和工作原理（2/5页）一、开关磁阻电机的结构和工作原理（2/5页） ? 开关磁阻电机的特点开关磁阻电机的特点 - 电气及机械结构简单、坚固，制造工艺简单 （可媲美于感应电机） - 需要专门的驱动电路，也因此容易实现多功能 - 损耗主要产生在定子端，因此驱动系统的效率高（相对于感应电机） - 电机的制作成本低，因此其经济性能好 - 起动转矩大，低速性能好 - 调速范围宽 (可工作于达几万或十多万rpm转速）) - 在宽领域内的调速范围内，控制灵活，易于实现各种转矩速度特性 - 可四象限运行，具有再生制动能力 - 噪音，振动大（缺点） 燕山大学电机与控制研究室 一、开关磁阻电机的结构和工作原理（3/5页）一、开关磁阻电机的结构和工作原理（3/5页） ? 开关磁阻电机的电感曲线（Inductance Profile）开关磁阻电机的电感曲线（Inductance Profile） Page 3 燕山大学电机与控制研究室 Page 4 一、开关磁阻电机的结构和工作原理（4/5页）一、开关磁阻电机的结构和工作原理（4/5页） ? 开关磁阻电机的理想情况下的电感、电流及转矩开关磁阻电机的理想情况下的电感、电流及转矩 - 分析时开关磁阻电机理想电感曲线采用前页的曲线，即梯形波。 - 需要电动运行时，若分时给各相通以矩形波电流，则可得到无脉动的输出转矩。 （参照下面左图） - 同理，需要发电运行时，若分时可得到各相矩形波电流，则轴端口将输入无脉动的 磁阻转矩。（注意：电动/发电运行时，相导通区域不同，如发电运行时应在电感 下降区域流过电流，以吸收机械能。）（参照下面右图） 燕山大学电机与控制研究室 Page 5 一、开关磁阻电机的结构和工作原理（5/5页）一、开关磁阻电机的结构和工作原理（5/5页） ? 考虑电流变化时间、理想电感条件下的电感、电流及转矩考虑电流变化时间、理想电感条件下的电感、电流及转矩 - 不管是电动运行，还是发电运行，实际电流不可能是矩形波电流。 - 右图是电动运行情况下的a相 电流波形。区域：开通角位 置至电感开始增加位置之间； 区域：至关断角位置区间； 区域：至电流降至零的位置。 - 可看出，为了在电感开始增加 位置处能够获得所需电流，须 提前开通；为了不在电感下降 区域通过电流，须提前关断。 - 左图是发电运行情况下的a相电流 波形。区域：开通角位置至电 流达到所需电流的位置之间；区 域：至电感斜率为零的位置； 区域：至电流降至零的位置。 电流上升阶段 驱动转矩产生阶段 退磁阶段 发电阶段 - 在区域，为了尽快提升电流， 通常需要从电源吸收电能。 励磁阶段 退磁阶段 燕山大学电机与控制研究室 Page 6 二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（1/5页）二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（1/5页） ? 开关磁阻电机的驱动电路开关磁阻电机的驱动电路 不对称桥式功率变换电路 （不对称桥式功率变换电路 （Asymmetric bridge converter） - 有很多种功率变换电路， 左图是其中最常用最典型 的驱动电路。 - 特点：各相电路互为独立， 上下桥臂开关管可同时开通 ，不怕短路。 - 特点：各相有三种开关状态 ，分别为状态1、0、-1。 - 状态1：给绕组施加正的 母线电压，用于快速增加 电流。（励磁、用电）。 - 状态0：对电动运行，结合 状态1，得到所需施加电压。 对发电运行，结合状态-1， 得到所需施加电压。 - 状态-1：给绕组施加负的母 线电压，用于快速减小电流。 （退磁、发电、回馈） 燕山大学电机与控制研究室 Page 7 二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（2/5页）二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（2/5页） ? 开关磁阻电机的控制系统结构框图开关磁阻电机的控制系统结构框图 - 左图是电动运行时的速度控制系统框图。 - 通常系统是转速外环，电流或转矩内环。 也有角度控制作为内环使用的。具体参 照SRM的控制方式。 - 开关磁阻电机运行需要位置信息，通常 使用霍尔或光电编码器等位置传感器。 - 若是发电运行，外环通常是功率或电压控制。 ? 开关磁阻电机的数学模型开关磁阻电机的数学模型 phrm iph iph ph iph iph ph phph i L dt di LiR i dt dL dt di LiR dt d iRV += += += ),( ),( ),( ),( - 电压方程（某一相） rmph i phiphphph i L iL dt d iRiV 2),(2 ),( 2 2 1 2 1 + += 2),( 2 1 ph i ph i L T = = phtotal TT - 转矩公式（某一相和三相合成转矩） 燕山大学电机与控制研究室 - 发电运行： 在区域，因电感斜率为0或负，母线电压 和运动电势作用下，电流将很快上升。 在区域，因电感斜率为负，且速度高，运 动电势通常大于母线电压，故电流一般 会上升。 在区域，电感斜率为0，无运动电势。故 在母线电压的作用下，电流降很快降为0. Page 8 二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（3/5页）二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（3/5页） ? 开关磁阻电机的控制技术开关磁阻电机的控制技术 （1）角度位置控制（Angle Position Control，APC） - 也叫做单脉冲控制。控制量：开通/关断角。该方法通常被用于基速以上运行。 - 电动运行： 在区域，因电感斜率为0，母线电压作 用下，电流将很快上升。 在区域，因电感斜率为正，且速度高， 运动电势通常大于母线电压，故电流一般 会下降。 在区域，在运动电势和母线电压的双重 作用下，电流降很快降为0. 燕山大学电机与控制研究室 - 发电运行： 在区域，因电感斜率为0或负，母线电压 和运动电势作用下，电流将很快上升。 在区域，电感斜率为负，运动电势大小通 常低于母线电压，故通过对母线电压的斩波 可得到恒电流。 在区域，电感斜率为0，无运动电势。故 在母线电压的作用下，电流降很快降为0. Page 9 二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（4/5页）二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（4/5页） ? 开关磁阻电机的控制技术开关磁阻电机的控制技术 （2）电流斩波控制（Current chopping Control，CCC） - 控制量：转矩产生或发电阶段内的电流值。该方法通常被用于基速以下运行。 - 电动运行： 在区域，因电感斜率为0，母线电压作 用下，电流将很快上升。 在区域，电感斜率为正，但运动电势低 于母线电压，故通过对母线电压的斩波可 得到恒电流。（软斩波、硬斩波） 在区域，在运动电势和母线电压的双重 作用下，电流降很快降为0. 燕山大学电机与控制研究室 - 发电运行： 在区域，因电感斜率为0或负，母线电压 和运动电势作用下，电流将很快上升。 在区域，电感斜率为负，运动电势大小通 常低于母线电压，故通过对母线电压的PWM 可得到恒电流。 在区域，电感斜率为0，无运动电势。故 在母线电压的作用下，电流降很快降为0. Page 10 二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（5/5页）二、开关磁阻电机的驱动电路和控制技术（5/5页） ? 开关磁阻电机的控制技术开关磁阻电机的控制技术 （3）电压PWM控制（Voltage PWM C