开关磁阻电动机(1,2章)

1、开关磁阻电动机的调速控制理论与设计江苏大学 电气信息工程学院第1页第一章第二章 第一节第一节 开关磁阻电动机与运行原理开关磁阻电动机与运行原理第一章 开关磁阻电动机调速系统的组成及发展第2页常见电机的典型结构常见电机的典型结构 （6/4 极极 三相；三相； 8/6极极 四相）四相）三相6/4 SRM四相8/6 SRM第3页不同相数的开关磁阻电机优点：结构简单、控制电路简单缺点：转矩脉动大、不能在任意角度起动，因起动问题限制了其使用。单相开关磁阻电机第4页两相开关磁阻电机为克服起动问题，与单相开关磁阻电机相比，增加了阶梯式气隙，结构与控制电路相对比较简单，但是转矩脉动还是比较大。由于机械结构制约

2、，只能单向运行。第5页三相和四相开关磁阻电机三相开关磁阻电机四相开关磁阻电机第6页电机的运行原理：电机的运行原理：从简单的物理意义上看，由于电磁引力的存在，电机转子总是企图向磁阻最小的方向运行。从电磁转矩上分析，某一磁极的磁通与电流的关系如右图所示。其关系曲线随位置变化而变化。由于电流i建立的磁场能量：iidWmag0第7页磁能与磁共能A0iAi12magWmagW由电磁基本理论，其电磁转矩：cmagemWT或磁共能：对于某点：第8页magAAiWidiWA0cimagemWTAAAiL221LiWWmagmagLiTem221电机转子转动时，相电感随位置角度的变化情况如下：设磁阻最大处 产生

3、电动转矩产生负转矩或制动转矩第9页相绕组电感曲线0:;0m0Lm或0T=0;Tm0LL()LmaxLmin0mr控制相绕组在不同位置下通电，就能获得不同大小和不同方向的转矩。其他一些类型的SRM外转子单相开关磁阻电机第10页三相6/8结构截面图三相12/10结构截面图abc根据电磁原理的主要特征与此相类同的电机：1、步进电机，双凸极磁阻电机、步进电机，双凸极磁阻电机；2、反应式同步电动机、反应式同步电动机。反应式同步电动机的原理第11页3、无换向器直流电动机。、无换向器直流电动机。无换向器直流电动机的原理第12页第二节第二节 开关磁阻调速电动机（开关磁阻调速电动机（SRDSRD）的系统组成的系

4、统组成SRD基本框图 第13页第三节第三节 功率变换器功率变换器1、双开关式功率变换器主电路、双开关式功率变换器主电路三相双开关式功率变换器主电路第14页2、电容分压式、电容分压式四相电容分压式功率变换器主电路3、电感换相式、电感换相式电感换相式主电路第15页4、双绕组式、双绕组式双绕组式主电路5、电容转储式、电容转储式电容转储式主电路（一相）第16页VLCSUVD1VD+1C1SdU6、公共开关式、公共开关式三相公共开关式主电路 第17页第四节第四节 转子位置检测器转子位置检测器1、SRM步距角步距角的概念的概念转子齿数：定子相数：转子齿距角：定子步距角：各相都导通一次，转子转过1个齿距。对

5、于6/4极三相 SRM 三相三拍运行时： 8/6极 四相SRM 四相四拍运行时： 第18页prZmrrZ360rrPmZm360（一相绕组完成一次导通的效果）30P15P2、转子位置检测方法、转子位置检测方法四相/ SRM转子位置检测四相/ SRM转子基本位置信号第19页三相6/4 SRM转子位置检测三相6/4 SRM转子基本位置信号第20页三相6/4 SRM两个传感器的位置检测三相6/4 SRM两个传感器转子基本位置信号第21页第五节开关磁阻电动机的主要特征与发展情况、优点：体积比较小；结构简单；运行效率高；调速范围宽；低速启动力矩大；可实行超高速运行。（其他电机的类似情况：交流异步电动机；

6、直流电动机）、缺点：低速转矩脉动大；噪声大；位置传感器增加了系统复杂性和故障率。、发展情况和主要研究方向：工程应用发展；第22页第23页研究情况的关键技术与动态；无位置传感器的运行研究；非励磁相检测法；励磁相检测法；基于电机模型的状态估计法b.降低力矩脉动和噪声的研究；c.SRD调速控制性能的研究；d.优化设计的研究；（电动机、功率变换器与控制器）e.系统可靠性和高速化的研究。第一章结束第二章 开关磁阻电机的数学模型及调速理论模型：表达相关状态变量的数学关系式SRM状态变量为：电流 i 、磁通链 、转子位置 ；关键性的变量为 i，在电机结构确定之后，转矩主要决定于电流 i。按变量参数种类来分类

7、，其模型的分析方法可分为：1、电感参数法、电感参数法：（将磁链用电感与电流的乘积表示 ） 如：第24页dtdLidtdiLridtLidridtdriu)(2、非线性磁参数法、非线性磁参数法： （将磁化曲线 反演成 ）3、混合模型方法、混合模型方法： （电机磁场的泊松方程和绕组电压方程联系） （ J0为电流密度，A为矢量磁位）第25页),(i),(i)(),(1dtdriuriudd0JyAuyxAuxdtdriuZZ 4、关于、关于 、 、 的状态方程的状态方程 第26页idtdddHJJFdtduHRdtdNjnnnnnnn1221)(nnnHi)(nnnnnHRiu、 分别为SRM第n相

8、的磁通链、相电压、相电流、相电阻和相倒电感相倒电感。 和 J 分别为SRM角频率、位置角度、阻尼摩擦系数和转动惯量。F、第27页按模型的磁化曲线线性程度可分为：1、线性模型分析法2、准线性模型分析法3、非线性模型分析法第28页第一节 SRM线性分析根据电压平衡方程：iRdtdLiiRdtduiRdtdiLidtdiLiRdtdLidtdiL“+”对应开关闭合； “-”对应于开关断开。LiiRdtdiLur即：（电压平衡方程）电源电压自感压降电阻压降旋转电势压降1、电流计算、电流计算：第29页10tt )(内的近似tdtdiLu分段求解：（1）tLuimin)0()2(21Rttt第30页iLd

9、tdiLLiLdtdiLurr1miniLdtdiLdtdiLLronon1min itdtdLdtdiLrhonhLL1min其中：两边对t积分，可得：hrLu tL iittLLutirh第31页tLLutirhmax2udtd()maxronoffu32)3(tttt2为主开关断，续流开始阶段0L近似可得第32页43)4(ttt续流阶段，且0L相电流不产生电磁转矩，磁场储能全部馈回电流。相电流在外界反电压作用下近似线性下降。maxmax2Luti 0LtLLutirBmax2onBLLL3max续流阶段，且产生制动转矩，进入再生制动状态。其中：4)5(tt 第33页2、转矩计算、转矩计算

10、： 瞬时相电流产生的电磁转矩。LiTem221（电感不受电流大小的影响）平均电磁转矩：TavdtLiTmT02211第34页第二节 准线性模型分析准线性模型分析是将电机的磁特性曲线分段线性化。1、电机的饱和磁特性及分段线性化、电机的饱和磁特性及分段线性化第35页a) 电流与电感特性曲线电流与电感特性曲线b) 磁能关系图磁能关系图在换向点C前，电机的相绕组接受电流供能。其磁能为：1OACFOWS而在换向点C后的续流阶段，电机绕组向电流回馈电能:3O E C F OWS则每相电流在一个工作周期 内转换为机械能的有效电磁能量W2：)(rrT213OACFOOECFOOACEOWWWSSSmaxoff

11、onoffonrrVODdVmin1LVironP2min121PronoffpiLViW第36页而3OECFOCFSSEOWSSS其中2min12CFSOAPPSSLi12C F SscSi而PsiLABminmax又ccsiLiLminmaxminmaxLLisc第37页第38页312WWWminmax2minmax2minmax21LLiLiLiPPPminmax1min112221LLLVoffonoffr故m相电机的输出平均功率：minmax1min11222221)(LLLTVmTWmPoffonoffrav而电机的电磁能转矩平均值为：211122minmaxmin12offoff

12、onavrrrWVTmmLLL第39页从以上分析可得：1）对开通角 最敏感 。on)(min1Lon2）对关断角 的敏感度较弱。off3）当V固定， ，平均电磁转矩变化使其转速2ncTav变化，故由机械特性变软。 第40页avTTFur/4）由式 可得： 其中F为电机结构参数，m、r、1、Lmax、Lmin及控制参数on、off的函数 ，表明SRM的固有机械特性与串励直流电及相仿。由准线性的分析过程可得5）提高有效能量的方法。（增加W2）a.加大电流ip,使 线左移；b.加大磁链幅值使 线上移；BCABc.加大最大电感，使 线左转；d.减小最小电感，使 线右转。（效果不太明显）OCOA第41页

13、6）能量效率 线性时磁能利用率小于50%，在磁通饱和时可大于50%。12WWKe第42页第三节 SRM调速控制的基本策略 1 1SRMSRM可实现的基本运行特性可实现的基本运行特性三种控制方式下的电流波形第44页 第一临界转速（称为基速）：在允许最高电源电压作用和允许最大磁链与最大电流条件下的临界转速：即电机能得到最大转矩的最高速度。 第二临界转速：转矩随转速的平方下降的临界速度，即为开始进入串励区的转速。2 2基本的控制方法基本的控制方法1)起动控制方法：一相电流斩波控制；二相电流斩波控制；2)低速区（ ）的控制；采用上下限幅的斩波控制（CCC）b3)中高速区（ ）时的控制，采用固定off 调节on 的角度位置控制（APC)。（这时电流可不做任何控制）b第45页4)固定导通角的调压调速控制（固定on、of