第12章 开关磁阻电动机.ppt

第12章开关磁阻电动机,12.1概述12.2开关磁阻电机系统的组成12.4开关磁阻电机的基本方程12.3开关磁阻电机的运行原理12.5基于线性模型的开关磁阻电机分析小结,12.1概述,通常所说的开关磁阻电机，实际上是指由磁阻电机本体和控制器所组成的系统。开关磁阻电机驱动系统（SwitchedReluctanceDrive，SRD）集开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor，SRM；也称变磁阻电机VariableReluctanceMotor，VRM）本体、微控制器技术、功率电子技术、检测技术和控制技术于一体，是一种具有典型机电一体化结构的交流无级调速系统。,SRM尽管本体结构简单，但必须与控制器一同使用，而且控制起来也相当复杂。为了给各相绕组施加适当的励磁以获得转矩，必须检测转子的位置，根据定、转子相对位置投励。正是微控制器、功率电子器件、检测手段和控制技术的发展，才使得开关磁阻电机具有了一定的竞争力。同时，开关磁阻电机系统也存在着转矩脉动较大，导致噪声及特定频率下的谐振等缺点。虽然如此，但由于SRD具有电机结构简单、坚固，维护方便甚至免维护，启动及低速时转矩大、电流小，高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力等优点，在工业通用设备、伺服与调速系统、牵引系统和航空航天等领域得到了广泛应用。,术语开关磁阻电机体现了这种电机系统的两个基本特征。一是开关性，电机各相绕组通过功率电子开关电路轮流供电，始终工作在一种连续的开关模式；二是磁阻性，电机定、转子间磁路的磁阻随转子位置改变，运行遵循磁路磁阻最小原理，即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力，是真正的磁阻电机。通过对一台SRM的定子各相有序地励磁，转子将会作步进式旋转，每一步转过一定的角度。,开关磁阻电机的这些特征类似于反应式步进电动机，但从设计目标、控制方式和运行特点来看，SRD与步进电机有较大差别。首先，步进电动机常用于位置开环系统，绕组按既定规律换相，轴的运动服从绕组的换相，转子在定子磁极轴线间步进旋转，作单步或连续运行，将输入的数字脉冲控制信号转换成机械运动输出；而SRD常用于调速传动系统，SRM的绕组根据转子位置换相，始终运行在自同步状态，因而SRD有转子位置检测环节来实现闭环控制，控制器根据转子位置向功率驱动器提供相应的开/关信号，不会出现步进电机中的失步现象。其次，步进电机的设计要求是输出较高的位置精度；而SRD的设计要求则为变速驱动，转矩可平滑调节。最后，步进电机通常只作电动运行，仅通过控制脉冲频率的调节来改变转速；而SRD中的调速控制变量较多，既可采用对每相主开关器件开通角和关断角的控制，也可采用调压或限流斩波控制，易于构成性能优良的调速系统，并且可以运行在制动和发电状态。,12.2开关磁阻电机系统的组成,一般来说，开关磁阻电机系统是由开关磁阻电机、功率变换器（开关电路）、控制器、位置及电流检测等部分组成，开关磁阻电机系统框图如图121所示。,图121开关磁阻电机系统框图,12.2.1开关磁阻电机本体SRM的结构和工作原理与反应式步进电动机相似，遵循磁通总是要沿着磁阻最小路径闭合的原理产生磁拉力形成转矩磁阻性质的电磁转矩，因此，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。所以，开关磁阻电机定子和转子都是凸极结构，属于双凸极可变磁阻电机。定子和转子铁心均用硅钢片冲成一定形状的齿槽，然后叠压而成。定子极上绕有集中绕组，径向相对极上的绕组串联或者并联成一相，而转子上既无绕组也无永磁体。,SRM可以设计成多种不同的相数。研究表明，低于三相的开关磁阻电机没有自启动能力，因此从自启动能力及正反转考虑，一般选择相数m3。相数多则电机步距角小，有利于减小转矩脉动，但其结构复杂，且主开关器件多，成本高。目前最常用的开关磁阻电机是三相或四相。SRM定、转子齿数有不同的搭配，且定、转子齿数不等。同时，为了避免单边磁拉力，电机的径向必须对称，所以双凸极的定子和转子齿/槽数Zs和Zr应为偶数，且比值Zs/Zr不应为整数。当然，ZsZr，但Zs和Zr应尽量接近，这是因为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，提高电机的出力。,表121SRM常见的定、转子齿数组合,SRM按照每极齿数可分为单齿结构和多齿结构，所谓多齿结构是指在定、转子的大齿表面开有多个小齿。一般来说，多齿结构单位铁心体积出力要大一些，但其铁心和主开关元件的开/关频率和损耗也增加了，这将限制开关磁阻电机的高速运行和效率。电机的结构形式有轴向气隙、径向气隙和轴向径向混合气隙结构以及内转子和外转子结构。,12.2.2功率变换器功率变换器是直流电源和SRM的接口，起着将电能分配到SRM绕组中的作用。控制器通过功率变换器调节SRM的输出，确保系统达到预期的控制目标。因此，功率变换器主电路拓扑结构的选择和驱动及其保护对SRD系统可靠、高效运行至关重要。SRD中常用的功率变换器有不对称半桥型、双绕组型、分裂电源型、H桥型、公共开关型、电容转储型等主电路拓扑结构，可以采用IGBT、功率MOSFET、GTO等开关器件。图122所示为开关磁阻电机中几种功率变换器主电路的拓扑结构，图中Si代表开关器件。,图122开关磁阻电机功率驱动主电路拓扑结构,在图122(a)所示的不对称半桥电路中，每相有两只主开关管和两只续流二极管。电流斩波控制时可以同时关断两个主开关管，也可以只关断一个。以A相来看，当两只主开关管S1和S2同时导通时，电源Us向电机A相绕组供电；仅将S1或S2关断时，强制绕组短路，电流就将衰减；而当S1和S2同时关断时，相电流沿图中箭头方向经续流二极管VD1和VD2续流，绕组通过二极管连接到负极性电源，电流衰减就更迅速，同时电机磁场储能以电能形式迅速回馈电源，实现换相。该电路工作原理简单，各相间可独立控制，可控性强，电压利用率高，可用于任何相数、任何功率等级的情况，在高电压、大功率场合下有明显的优势。应当注意，这种结构能够再生（即将能量返回供电电源），但不能供给相绕组负的电流。然而，由于SRM中的转矩正比于相电流的平方，所以不需要负的绕组电流。,在图122（b）所示的双绕组型电路中，每相仅需一个开关管和一个二极管。每相由两个独立的绕组构成，两个绕组在磁方面紧密耦合（可以通过同时绕制两个绕组来得到），可以看做变压器的一次侧和二次侧绕组。这一结构通过采用双绕组实现再生。从A相来看，当开关S1闭合时，一次侧绕组加电压，励磁该相绕组；打开开关时，在二次侧绕组中就感应电势（注意图中用圆点所指示的同名端），沿对VD1正向偏置的方向。因此，电流就从一次侧绕组转移到二次侧绕组，使A相中的电流衰减到0而能量返回电源。虽然这一结构仅需要单一直流电源，但它要求开关必须承受超过2Us的电压（超过的程度由当电流从一次侧转移到二次侧绕组时，在一次侧漏电抗上产生的电压决定），且在电机中需要更复杂的双线绕组。此外，这种结构中的开关必须具有缓冲电路（一般由电阻电容的组合构成），以保护其免受瞬时过电压。引起这些过电压的原因是，虽然双绕组的两个绕组绕制成尽可能紧密地耦合，但不可能达到理想化的耦合，会有能量储存在一次侧绕组的漏磁场中，而当开关打开时，能量必须耗散掉。,12.2.3转子位置检测转子位置检测的目的是确定定子、转子的相对位置，反馈至逻辑控制电路，以确定对应相绕组的通、断，从而实现换相。位置检测可以由放置在开关磁阻电机本体中的位置传感器来完成，通过传输线将信号送到控制器，向控制器提供转子位置的准确信息。通常采用的位置传感器有光敏式、磁敏式、接近开关式及霍尔元件式。另外，还有采用定子绕组瞬态电感信息的波形检测法及基于状态观测器等的无位置传感器检测转子位置的方案。位置信号的质量是开关磁阻电机系统稳定可靠工作的重要基础之一。该信号的质量除与传感器的精度以及安装位置的准确度有关外，还与信号传输线的类型和长度有关。在一些特定的工况，因为控制的需要，必须使控制器与电机保持一定的距离，致使位置线过长，给系统的稳定工作带来一定的困难。,12.2.4电流采样SRM相电流检测是电流控制的需要，也是过电流保护的需要。SRM相电流的基本特点是单向、脉动以及波形随运行方式、运行条件不同而变化很大。由此可知，SRD中电流检测应具备：快速性好，从电流检测到控制主开关器件动作的延时应尽量小；被测主电路（强电部分）与控制电路（弱电部分）间应有良好的隔离，且有一定的抗干扰能力；灵敏度高，检测频带范围宽，可检测含有多次谐波成分的直流电流；单向电流检测，在一定的工作范围内具有良好的线性度。电流检测通常采用霍尔电流传感器。,12.3开关磁阻电机的运行原理与反应式步进电动机相同，SRM的运行遵循磁阻最小原理，即磁力线总要沿着磁阻最小的路径闭合。根据这一原理，给定子的某一相施加励磁电流后，离该相最近的一对转子齿将企图与该定子通电相磁极的轴线对齐，使得磁通路径上具有最小的磁阻。按一定次序轮流给定子各相施加励磁时，转子的这一转动趋势就会持续下去，从而获得连续转矩。以三相12/8极开关磁阻电动机为例，假设电机理想空载，图123所示为该电机的A相绕组及其与电源的连接。图中S1、S2为主开关管（功率器件）；VD1、VD2为续流二极管；U为直流电源。定子上属于同一相的4个线圈并联组成一相绕组。,图123开关磁阻电动机的工作原理图,设当A相磁极轴线OA与转子齿轴线Oa为图123所示位置时，主开关管S1、S2导通，A相绕组通电，电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁力线沿定子极、气隙、转子齿、转子轭、转子齿、气隙、定子轭路径闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁阻大于定子极与转子齿轴线重合时的磁阻，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子齿的轴线Oa向定子A相磁极轴线OA趋近。当OA和Oa轴线重合时，转子已达到平衡位置，即当A相定子极与转子齿对齐的同时，切向磁拉力消失。此时关断A相开关管S1、S2，开通B相开关管，即在A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，电机内磁场沿顺时针方向转过30，而转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过15。,依此类推，定子三相绕组按ABC的顺序轮流通电一次，定子磁极产生的磁场轴线顺时针移动了330的空间角，转子则按逆时针方向转过一个转子齿距r(r=360/Nr，Nr为转子齿数)。连续不断地按ABCA的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿ABCA的方向不断移动，转子则沿ACBA的方向逆时针旋转。如果按ACBA的顺序给定子各相绕组轮流通电，磁场将沿着ACBA的方向转动，转子则沿着与之相反的ABCA方向顺时针旋转。SRM的转向与定子相绕组的电流方向无关，仅取决于对相绕组的通电次序。,在一定的负载转矩下调速运行时，设功率变换器的主开关管（即绕组通电）频率为f，则SRM的转速可表示为,(121),12.4开关磁阻电机的基本方程12.4.1电势平衡方程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动势之和。第k相绕组电势平衡方程为,(122),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。设m相电机中有q相同时通电，则,k=(i1,i2,ik,iq,),(123),由于SRM各相之间的互感相对于自感来说甚小，为了便于计算，分析时一般忽略相间的互感，即不考虑多相绕组同时通电时各相之间产生的相互影响。磁链方程可近似为,k=k(ik,),(124),磁链可以用电感和电流的乘积表示，即,k=Lk(ik,)ik,(125),式中，Lk(ik,)为相绕组电感，与相电流和转子位置角有关。电感与电流有关是因为SRM中磁路大部分为铁磁材料，具有非线性特性；而电感随转子位置角变化是由于SRM定、转子的凸极性，是产生电磁转矩的必要条件。,将式（125）带入式（122）得,(126),式中，,式(126)表明，SRM相绕组中电源电压与三个电压降相平衡，其中，第一项为电阻压降；第二项为由于电流变化导致绕组中磁链变化而产生的感应电动势，通常称为变压器电动势；第三项为由于转子位置改变引起磁链变化而产生的电动势，通常称为运动电动势，仅有此项与电磁转矩的产生即机/电能量转换直接相关。,(127),式(126)可以进一步展开为,12.4.2电磁转矩及转矩平衡方程SRM的电磁转矩并非恒定转矩，而是绕组电流和转子位置角的函数。如果保持绕组中的电流值不变，将不同的转子位置所产生的静态电磁转矩连成曲线就得到SRM与步进电动机相同的静态特性。由于SRM磁路的非线性，静态电磁转矩必须根据虚位移原理通过磁共能求取，为磁共能W对转子位置角的变化率。当m相电机q相同时通电时，忽略相间互感，电磁转矩可以写为,(128),转矩平衡方程为,(129),式中，J、B、TL和T0分别为转动惯量、粘滞系数、负载转矩及空载阻转矩。,12.5基于线性模型的开关磁阻电机分析,12.5.1绕组相电感线性模型下，绕组相电感与电流大小无关，即不同转子位置下磁链与电流i的函数关系为一条直线，此时绕组相电感仅是转子位置角的周期函数，其周期为一个转子齿距。图124所示为SRM定、转子相对位置展开图以及线性模型下绕组相电感随转子位置角周期性变化的规律。图中r为转子齿宽，s为定子极弧长度，r为转子齿距。,图124定、转子相对位置相绕组相电感与转子位置角的关系曲线,在1至2(2为转子齿的前沿与定子励磁极的后沿相遇的位置)区域内，定子磁极不与转子齿相重叠，绕组相电感保持最小值Lmin不变。因为开关磁阻电机的转子槽宽通常大于定子极弧长度，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2点后，绕组相电感便开始线性地上升直到3为止（3为转子齿的前沿与定子磁极的前沿重叠处），这时定子磁极与转子齿全部重叠，绕组相电感变为最大值Lmax。,基于电机综合性能的考虑，转子齿宽r通常大于定子极弧长度s，因此在3和4(4为转子齿的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置)区域内，定子磁极与转子齿保持全部重叠，相对应的定、转子间磁阻恒为最小值，绕组相电感保持在最大值Lmax。从4开始绕组相电感线性地下降，直到5处降为Lmin，5、1均为转子齿后沿与定子磁极前沿重合处。当转子相对于定子运动时，定子相绕组的变化周而复始、循环往复，其周期为一个转子齿距。,如上所述，基于线性模型的SRM绕组相电感与转子位置角的关系，绕组相电感可以用函数表示为,(1210),式中，,对一台具体电机来说，线性模型中的最大相电感Lmax和最小相电感Lmin为常数，可以根据电机的结构参数求取，也可通过实验测得。,12.5.2绕组磁链SRM由恒定直流电压源U供电，当主开关管导通使绕组通电时，绕组两端的电压为U；而主开关管关断后，续流期间绕组两端的电压为U，则相绕组的电势平衡方程可以写为,(1211),与感应电动势相比，绕组电阻压降Ri很小,可以忽略，则式（1211）可简化并整理为,(1212),设在t=0时开通主开关管，对应的转子位置角=on称为开通角，此时为电路的初始状态，绕组磁链=0=0。当=off时，关断主开关管，绕组续流，off称为关断角。主开关管的导通角为c=onoff。求解方程式（1212），并利用初始条件0=()|=on=0和磁链连续性，得到绕组在通电和续流一个周期中磁链的表达式为,(1213),从式（1213）可见，在某一转子速度下：在主开关管导通绕组通电期间，磁链随转子位置角的增加而线性增加；在主开关管关断绕组续流期间，磁链随转子位置角的增加而下降，并在=2offon时衰减到0。显然，当根据转子位置信号对绕组进行通/断控制即所谓的角度位置控制时，磁链波形为等腰三角形，最大磁链max出现在=offon时，且max=U(offon)/。,12.5.3电磁转矩从式（1210）和式（1213）可见，在理想线性模型中，电感和磁链均为转子位置角的函数。磁链可用电感L表示为,(1214),磁共能W为,(1215),将式(1214)代入式(1215)得磁共能为,(1215),则电磁转矩为,(1217),将式(1210)代入式(1217)得,(1218),式（1218）表明：（1）SRM的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生的。当磁导对转角的变化率大时，转矩也大。（2）电磁转矩的大小与绕组电流的平方成正比。即使考虑电流增大后铁心饱和的影响，转矩不再与电流平方成正比，但它仍随电流的增大而增大，因此可以通过增大电流有效地增大转矩，并且可以通过控制绕组电流得到恒转矩输出的特性。,（3）转矩的方向与绕组电流的方向无关。只要在电感曲线的上升段通入绕组电流就会产生正向电磁转矩，而在电感曲线的下降段通入绕组电流则会产生反向的电磁转矩。（4）如果控制SRM的绕组在2和3之间开通和关断，则电机作电动运行；如果控制SRM的绕组在4和5之间开通和关断，则电机作发电运行。,12.5.4绕组电流SRM运行时，其绕组电流既不是恒定直流量，也不是交流正弦量。SRM电动运行时，通常是在最小电感区的某一转子位置开通主开关管，即开通角1on2，以便绕组电流迅速上升；而在达到最大电感之前关断主开关管，即关断角2off3，以便在绕组电感开始随转子位置的增加而减小时绕组电流迅速衰减到0。SRM高速运行时，一般采用调节开通角on和关断角off来改变绕组电流的峰值和有效值，从而实现转矩控制和转速调节，这种控制方法称为角度位置控制方式（简称APC方式），角度位置控制典型相电流波形如图125所示。,图125角度位置控制典型相电流波形,SRM低速运行时，由于旋转电动势较小，电流峰值会很高，因此需要限制电流以保证主开关管的安全。通常是保持开通角on和关断角off固定不变，采用电流滞环控制或斩波控制（简称CCC方式）来实现转矩控制和转速调节的。这种控制方式下，电流波形近似为平顶波。斩波控制典型相电流波形如图126所示。,图126斩波控制典型相电流波形,本节仅讨论SRM在电动运行和角度位置控制方式下，绕组电流随转子位置角变化的规律。随着on和off出现在不同的区域，相电流波形的变化很大。在线性模型中，绕组电感仅是转子位置角的线性函数。将()=L()i()带入式(1211)，忽略绕组电阻，并经整理得,(1219),因为电感是用分段解析表达式给出的，且在通电和续流阶段绕组两端所加电压不同，所以应分段求解上述微分方程，可根据初始条件以及式（1210）求取电流的解析表达式。,(1）在1到2区段的某一转子位置on开通主开关管，式（1219）左侧取“”，L=Lmin，初始条件i()|=on=0，当on2时，解得,(1220),电流在最小电感恒值区域内线性增加。因为该区域内电感恒为最小值，且无旋转电动势，所以开关磁阻电动机相电流可在该区域内迅速建立。,(2）如果在2到3区段的某一转子位置off关断主开关管，则在2到off区段主开关管仍维持导通，式（1219）左侧仍取“”，而L()=Lmin+K(2)，根据电流连续性有初始条件i()|=2=U(2on)/(Lmin)，当2off时，解得,(1221),电流随转子位置角变化的规律与开通角on有关，不同的on使电流