§7[1].2开关磁阻电动机原理ppt课件VIP

.7.2.1开关磁阻电动机的原理、一、开关磁阻电动机的工作原理、开关磁阻电动机的传动系统(简称SRD系统)是近20年开发成功的新型电气传动系统，由开关磁阻电动机(SR电动机或SRM和图5-21开关磁阻电动机的传动系统结构、基本结构、定子和转子的凸极结构的定子和转子的齿数不同，转子的齿数比定子少，在两个定子齿上嵌入集中线圈，将两个空间位置相对的定子齿线圈串联连接，层叠形成单相绕组转子的铁心如图5-22所示，图5-22开关磁阻电动机的基本结构、动作机构、开关磁阻电动机的动作机构与磁阻(反应)式步进电动机相同，根据磁通始终沿着磁传导的最大路径进行固定，转子齿的中心线不一致，磁通不一致磁场产生磁性拉伸力，形成磁阻转矩，使转子旋转到磁传导最大的位置。 当电流依次流过定子的各相绕组时，电动机的转子逐步向与通电相序相反的方向旋转。 改变定子各相的通电顺序，马达就会改变旋转方向。 但是，相电流的流通方向的变化不影响转子的转向。转速的计算设定子绕组为m相、定子齿数Ns=2m、转子齿数Nr。 当定子绕组通电一次时，转子只旋转转子的节距。 这样，定子需要切换通电Nr次转子，因此电动机转速n(r/min )与相绕组电压的开关频率f的关系为(5-10)(5-11 )向定子相绕组供给电力的电力转换器的输出电流脉动频率为(5-12 )，作为优点， 由于开关磁阻电动机在转子上没有绕组，因此定子绕组的端部短，不仅制造容易，而且绕组的发热量小，容易散热，因此电磁负载高，电动机利用系数达到异步电动机利用系数的1.4倍，电动机制造成本大幅降低。 转子上的无线线圈转动惯量小，转矩/转动惯量比高，特别适合高速运行。 开关磁阻电动机的转矩被固定，通过转子的凸极效应产生，与流过绕组的电流的极性无关，流过各相绕组的电流是单方向的电流(脉冲)，不需要交变。 由此，不仅能够将控制相电流的功率开关元件的数量减半，还能够避免一般的电压型逆变器中最危险的上下臂元件的直通故障，不仅显着降低了控制装置的成本，还大幅提高了系统的安全可靠性。 不足，开关磁阻电动机的主要问题是产生的电磁转矩脉动大，振动和噪声大，并且电力开关元件断开时电动机的定子绕组端部和开关元件产生高电压尖峰。 为了解决这些问题，设计了不同的控制方案，图5-23是比较常用的四相开关磁阻电机的功率电路形式。 图5-23四相开关磁阻电动机的原理图，2、开关磁阻电动机的运行分析、开关磁阻电动机通过定子的凸极效应产生电磁转矩，其机理可以用相绕组电感l随转子位置变化的关系来说明。 若忽略电动机的磁路饱和的影响，则相绕组电感与电流的大小无关，若没有磁场边缘扩散效果，则相绕组电感相对于转子位置的变化规则L()如图5-24所示，大致为梯形波。 此外，在图5-24相绕组的电感变化规则、转矩特性、开关磁阻电动机由图5-23所示的电源供给的情况下，如果电动机等速旋转，则在(5-15 )式中，等号的右边第一项是平衡绕组的变压器电位的电压降，第二项是电阻电压降，第三项是旋转电位引起的电压降仅当电感根据转子位置而变化时，其方向与电感根据转子位置而变化的速率有关。 在电感随着角的增加而增加的情况下为正，在电感随着角的增加而减少的情况下为负。、由于旋转电位引起的电压下降正吸收电力，产生驱动转矩，输出机械功能产生由旋转电位引起的电压下降负或电力，产生制动转矩，因此在开关磁阻电动机中，为了得到大的有效转矩，为了不产生制动转矩，绕组电感在转子位置角的另外，在开关磁阻电动机中，电磁转矩调节主要在电源开关的接通、断开的定时、即通过控制开关元件的接通角1和断开角2而实现的图5图24的I区域中设置的触发器电源开关(11 )和II区域中进行电源调节在该情况下，相电流的波形如图5-25所示，能够分为5级。图5-25的电动机动作时的相电流波形、电流特性、(1)第1段在t=0(=1 )时电源开关接通，相绕组开始通电。 但是，由于该区间电感小，没有旋转电位，因此在该阶段相电流线性增加，上升速度快。 若忽略电阻的影响，则通过在式5-15中合理选择导通角1，从而在相电流进入有效的动作区间时能够成为足够大小，是开关磁阻电动机来控制电磁转矩的主要方法。(2)在第2段，由于该期间l的增大，因此在相位线圈产生旋转电位的电压降，在线圈内电流不能持续直线上升，有可能进一步降低。 若求出该期间的电流关系式，则在(5-19 )式中，此时的电流主要产生电磁转矩，因此该电流的大小直接影响电动机的输出。 从5-19可以看出，开关磁阻电动机的负载电流与许多参数有关，其中可控的元件是导通角1，可以根据1形成不同的电流波形。 如图5图26所示。 另外，图5-26的不同的1时相电流波形、(3)第三级由于逆电压-Us，绕组交链磁通开始直线下降，电流也逐渐减小。 在该区间，由于回流电流产生电动转矩，因此在该阶段，电动机中的磁场的蓄积将一部分转换成有用的机械能，从电动机轴输出，另一部分转换成电能，再生成电容器。 此时，在逆压和旋转电位的作用下相电流以较快的速度下降，其法则可以表现为(5-22 )、(4)第四段，由于在该区间不存在旋转电位，因此相电流不产生电磁转矩，在外部的逆电压-Us的作用下继续衰减，该法则在(5-24 )该区间内电动机的励磁蓄电进一步转换为电能.第、(5)5段，如果相电流在该区间没有衰减到零，则相绕组中产生电流的是制动转矩，电动机成为再生制动状态，旋转电位起到与逆电压施加相抵消的作用，电流的下降速度变慢。 此时的电流公式在(5-25 )式中，开关磁阻电动机为了实现再生制动非常方便，只要是增大1而主要出现相电流的区间即可，其电流、交链磁通、电感、转矩与转子位置角的关系如图5-27所示。 另外，图5-27制动时的l、I、t与的关系，7.2.2开关磁阻电动机的控制，另一方面，开关磁阻电动机的运转特性和控制方式，1 .电流控制从图5-28可知，功率开关的接通角对电动机电流的影响较大，开关磁阻电动机的运转特性和控制方式随着1减小，电流线性上升阶段的时间电流显着增加，电机转矩相应增加。 功率开关的关断角2影响电源对电动机相线圈的供电时间的长度和回流过程，直接影响电动机的转矩。 实用上通过保持2恒定，改变1角，大多控制开关磁阻电动机的电流和转矩。 另外，关于图5-28的定子相电流有效值与1、2的关系，在开关角1、2一定条件下电源电压Us一定的情况下，电流的标度值与电动机转速无关，实际的相电流和电流基值与动作周期成比例，与电动机转速成反比例，因此电动机低速运转时的电流的峰值显着变大。为了限制低速运行时的过大电流，通常需要使用斩波器(PWM )进行恒流控制，图5-29表示斩波器控制下的相电流波形。 此外，在图5-29斩波控制下的相电流波形、2 .转矩控制、实际的电动机中，恒定地，当转子齿符合气隙时，磁路饱和，需要使电动机饱和磁化特性曲线阶段性地线性化，使用所谓的准线性化模型计算电感，由此计算开关磁阻电动机的平均转矩能够比较正确地求出电动机输出(5-29 )的式(5-28 )，在开关角1、2不变化的情况下，开关磁阻电动机的转矩与输入电压Us的平方成比例，与转速的平方成反比，具有与串联直流电动机相同的机械特性，能够以一定转速求出功率开关即，通过减小1角，能够延长相电流的直线上升时间，还能够增大电动机的转矩，在1恒定的情况下，增大2，增加产生电磁转矩的区间，增大平均转矩。 但是，2过大的话，在自由轮阶段有可能产生制动转矩，是不利的一面。 3 .转矩脉动和噪声控制、开关磁阻电动机a、b、c、d各相绕组通电时产生的电磁转矩TA、TB、TC、TD如图5-30所示，波形根据电动机结构、磁路的饱和度、特别是通电时间的长短而不同。 另外，图5-30的各相电流所产生的转矩、振动、噪声的产生原因之一是在定子各相绕组依次交替通电时电动机所产生的合成转矩具有明显的脉动，这是引起开关磁阻电动机的振动与噪声的原因之一。 开关磁阻电机产生噪声的更重要原因是齿受到的径向磁力的变化，引起了定子铁心的变形和振动。 抑制噪音的方法一般是适当增加气隙的长度，适当减少2角，减少相绕组被切断时的极磁场强度。 近年来，为了有效地抑制电磁噪声，提出了所谓的两步关断的方法。 4 .开关磁阻电动机的控制方式、单四拍运转(各相通电的1/4周期)在该运转方式中，电源向绕组供给的时间为1/4周期左右，若进一步增加回流时间，则在通电的整个过程中相绕组有可能处于电感对应于旋转角而增加的环境，电流有效地产生电磁转矩、双四拍运行(各相通电的1/2周期)，缺点：电流产生转矩的有效性降低，但电流在绕组中的损失随通电时间的增长而增加。 另外，在双四拍动作方式中，由于有两相同时通电，因此电动机的磁路饱和加剧，电动机的输出转矩进一步降低，对运转的效果和性能产生影响。 优点：可以减小转矩的脉动。 开关磁阻电机由图5-23所示的容量分压双极电源供电时，采用双四拍运行也有减小容量电压变动的作用。 结论实用电机高速运行采用单四拍方式，低速运行始终采用双四拍方式。 图5-32开关磁阻电动机的转矩脉动、5 .开关磁阻电动机的机械特性、开关磁阻电动机低速运转时的通电周期比较长，通常采用斩波器(PWM )控制，通过改变设定电流的大小来控制输出转矩，实现恒定转矩运转。 电机进入高速时，电源开关接通时间缩短，电机未达到电流限制值时，主要通过控制1角来实现恒功率特性。 电机的转速进一步上升后，当1和2达到极限值时，电机进入一定的1和2运转模式，电机的转矩与转速的平方成反比，表示串联励磁电机的机械特性。 开关磁阻电动机的完整机械特性如图5-33所示。 图5-33开关磁阻电动机的机械特性，二、开关磁阻电动机的控制系统，开关磁阻电动机的运转模式复杂，一般多采用微机数字控制，其结构框图如图5-34所示，是其中比较特殊的此外，在图5-34开关磁阻电动机控制系统的构成框图、1 .位置检测系统、开关磁阻电动机中，为了正确地控制定子绕组的通电定时(相位)，需要在电动机轴端安装转子位置检测器来作为相位控制的定位基准信号。图5-35是a、b、c、d四相绕组的电力开关正、反相通电时的p、q这两个转子位置传感器元件的输出信号波形，与图5-35的位置检测信号组合而成的逻辑，2 .电力转换器发挥开关功能而使相绕组及时地接通、断开， 图5-23四相开关磁阻电动机的原理是：保证电动机所期望的转矩向电动机系统供给