第十章开关磁阻电动机调速系统

1、第十章第十章 开关磁阻电动机调速系统开关磁阻电动机调速系统 10.1.2 系统的组成和工作原理系统的组成和工作原理开关磁阻电动机调速系统，从功能部分上分，主要由磁阻式电动机、角位移传感器、功率电路和控制电路四部分组成，如图10-1所示。从样机和产品结构上看，每套系统通常由电动机和控制器两部分组成，其电动机部分包括角位移传感器，控制器部分包括功率电路和控制电路。图10-1 系统框图 10.1.2.1 磁阻式电动机磁阻式电动机开关磁阻电动机调速系统所用磁阻式电动机为定、转子双凸极结构，图10-2表示一台三相电动机的截面图，其定、转子均由硅钢片叠成，定子上有6个极，其上绕有集中绕组，圆周上相对的两个

2、极的绕组相串联，共构成三相绕组。转子上有4个极，没有任何型式的绕组。 图10-2 三相双凸极电动机结构示意图 （a） （b） （c）图10-3 三相轮流通电情况（a）A相通电；（b）B相通电；（c）C相通电。10.1.2.2 角位移传感器角位移传感器要求角位移传感器具有输出信号较大、抗干扰能力强、位置精确度高、温度范围宽、环境适应能力强、耐振动、寿命长和安装定位方便的特点。可选用的角位移传感器的种类很多，如霍尔传感器、光电式传感器、接近开关式传感器、谐振式传感器和高频耦合式传感器等。10.1.2.3 功率电路功率电路功率电路的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给电动机。当采用交流电源供电时

3、，功率电路包括整流电路和逆变电路；当采用直流电源供电时，功率电路仅包括逆变电路。图10-5 三种逆变电路示意图10.1.2.4 控制电路控制电路控制电路的作用是根据使用者的操作要求和系统的实际工作情况对系统进行有关调节，使之满足预定运行工况。控制电路一般包括下列几个部分：（1）操作电路 （2）调节器电路 （3）工作逻辑电路 （4）传感器电路 （5）保护电路 （6）信号输出电路 （7）状态显示电路10.1.2.5 整体工作过程整体工作过程控制电路接受起动命令信号，在检测系统状态一切正常的情况下，根据角位移传感器提供的电动机转子位置信号，按起动逻辑给出相应的输出信号。该信号控制功率电路向电动机组供

4、电，使电动机转子开始转动。当转子转过一定角度时，控制电路根据角位移传感器信号的变化通过功率电路使电动机通过电相改变。当电动机转速达到一定值时，控制电路从起动逻辑转换为低速运行逻辑，或再从低速运行逻辑转换为高速运行逻辑。运行中，控制电路测试电动机运行中的转速或转矩等，并对其进行连续调节。当操作命令改变时，如停车、制动等，控制电路再次改变工作逻辑，通过功率电路使电动机实现操作要求。若运行中出现故障情况，如堵转、过载等，控制电路通过功率电路采取故障停车等保护措施，并通过显示电路报警。10.1.3 系统的结构与性能特点系统的结构与性能特点1.电动机结构简单、成本低、适用于高速2.功率电路简单可靠3.系

5、统可靠性高4.效率高，损耗小5.高起动转矩，低起动电流6.可控参数多，调整性能好7.适用于频繁起动和正反向转换运行10.2.1 开关磁阻电动机的结构与分类开关磁阻电动机的结构与分类电机的定、转子铁心均由硅钢片叠成。定、转子冲片上均冲有齿槽，构成双凸极结构。依定、转子片上齿槽的多少，形成不同极数的电机。为避免单边磁拉力，径向必须对称，故定子、转子极数应为偶数。除单相电机外，应使定子极（齿槽）数ZS与转子极（齿槽）数ZR不相等，但为提高电机出力，要尽量接近。对内转子电机，最常用的关系为对内转子电机，最常用的关系为 2SRZZ2SRZZ每个定子极上套一个集中绕组。同样为避免单边磁拉力，圆周上相对的两

6、个极上的线圈应属于同一相绕组。若每相绕组由p个极上的线圈相互串联（或并联）构成，则电动机的相数为 （内转子） （外转子） 通常p取2，即每相绕组由圆周相对两个极上的线圈构成。P取4的也较常用。SZmpRZmp10.2.1.1 单相开关磁阻电动机单相开关磁阻电动机图图10-9 单相开关磁阻电动机基本电磁结构单相开关磁阻电动机基本电磁结构图10-10 外转子单相开关磁阻电动机 10.2.1.2 两相开关磁阻电动机两相开关磁阻电动机图10-11 两相4/2极结构截面图 图10-12 两相电机自起动能力分析 10.2.1.3 三相三相6/4极开关磁阻电动机极开关磁阻电动机所示即为三相6/4电机。该电机

7、转子极距角r为90。由于有三相绕组，故每相通电断电一次转子对应的转角p（称步距角）应为30，每转步数Np（为12)。 任意极相数的开关磁阻电机 360rrZ360rprmmZ360prpNmZ当电动机以转速n（r/min）转动时，电动机绕组的总通断切换频率为 每相绕组通断切换频率为60rnfmZ60rnfZ10.2.1.4 四相四相8/6极开关磁阻电动机极开关磁阻电动机10.2.1.5 三相三相12/8极开关磁阻电动机极开关磁阻电动机10.2.1.6 角位移传感器角位移传感器角位移传感器的功能是正确提供转子位置的信息，这信息经逻辑处理后形成功率开关的触发信号。所以角位移传感器是开关磁阻调速电动

8、机的关键部件和特征部件。角位移传感器有电磁式、光电式、磁敏式等多种类型。 图10-17 转子位置基本信号（四相8/6极结构）10.2.2 开关磁阻电动机的转矩分析开关磁阻电动机的转矩分析10.2.2.1 一般转矩计算一般转矩计算当研究一相绕组通电所产生的转矩时，电动机的电磁结构可简化成图10-9所示基本结构。它由一个励磁线圈、固定铁心和一个可改变气隙磁导的转子组成。绕组输入的电能We应等于结构中磁储能Wf与输出机械能Wm之和，即为 如果把电压u和感应电势e的参考方向选得一致，根据电磁感应定律，绕组电路的电压方程为 式中: 为绕组磁链。绕组输入的电能We可由其端电压、端电流计算，即为 efmdW

9、dWdWduedt edWuidtedWid机械能Wm可由电磁转矩T和角位移计算，即为 对无损系统，磁储能Wf是由独立变量和表示的状态变量。磁储能由和所决定。当为恒定值时，得到一般转矩计算式，为 mdWTd,fdWidTd ( , )fcWT 10.2.2.2 磁储能计算磁储能计算在考虑转子处于任意位置时的电磁转矩时，可以假设转子无机械转动，设磁路系统中无磁滞损耗，即函数i（）在大小变化中为同一条曲线，i由唯一确定。再假设磁路为线性磁路，则磁链可由电感L表示为得到磁储能的计算式： efdWdWfdWid0fWidLi212fWLi10.2.2.3 理想电感计算理想电感计算在忽略铁心部分磁饱和的

10、情况下，可将铁心材料的磁导率视为无限大，则磁路的磁导仅由气隙导构成，气隙磁通 为 式中，F为绕组励磁磁势，N为绕组匝数。F FiN考虑到 则得即绕组电感与气隙磁导成正比，理想电感可如下表示： N2LNmin0minmaxmax2()()LKLLLLK00112230图10-18 理想磁导和电感曲线10.2.2.4 基本转矩计算基本转矩计算电动机的基本转矩计算式 212LTimax12TsLK2200TTK iTK i00112230结论：（1）电动机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Lmax大时。转矩也大。若磁导的变化率为零，则转矩也为零。（2）电磁转矩的大小

11、同绕组电流i的平方成正比，因此，可以通过增大电流有效地增大转矩。（3）在电感曲线的上升段，通入绕组电流产生正向电磁转矩，在电感曲线的下降段，通入绕组电流产生正向电磁转矩，因此我们可以仅通过改变绕组通电时刻便能实现正向电动、反向电动、正向制动和反向制动状态的全部四个象限运行。 （4）在电感曲线的上升段和下降段均有绕组电流时，将产生相应的正、反向转矩。电动机的平均转矩T为正、反向转矩的平均值：（5）上述分析是在一系列假设条件下得出. 01tavTTd10.2.3 开关磁阻电动机的电流分析开关磁阻电动机的电流分析10.2.3.1 基本电路方程sdUdtsdiLULidtddt10.2.3.2 相电流

12、分析相电流分析相绕组磁链的计算 （ ） （ 2 ） sU tonoffmax2sU toffoffonmaxoffonsU图10-19 线性模式的相绕组电感 图10-20 电动工作的相电流解析（1）开始阶段（0t1） （2）维持阶段（t1t2）（3）续流阶段（tt2） minSUitLmin1SU tiLLtttmaxmin12()SU tiLLtt在第区段内，电流衰减的规律为 若延伸到第区段，则电流为 在第区段， 0，因此该电流将产生负转矩即制动转矩，而且此时的旋转电动势与反向电压作用相反，不利于电流下降。 maxmax2SU tiLmaxmax32()SU tiLLtt/L相电流的有效值

13、功率开关和续流二极管的工作电流有效值 1/2201( )TIi t dtT21/2201( )tSIi t dtT221/2221( )tDtIi t dtT图10-22 相电流解算结果例（1）功率开关开通角对控制电流大小的作用十分明显。提前导通（减小），则电流峰值和有效值增大。这是因为小、电流线性上升段时间长，电流就大。（2）功率开关关断角一般不影响峰值电流，但对相电流有效值有影响。大，则供电时间长，电流有效值大。（3）在一定控制角条件下，电流相对值与转速无关的 。而实际电流值和电流基值一样，反比于转速。 10.3 控制方式控制方式开关磁阻电动机调速系统的控制方式指电动机运行时对哪些参数进行

14、控制及如何进行控制，使电动机达到规定的运行工况（如规定的转速、转矩等），并使其保持较高的力能指标（如效率、温升等）。 10.3.1 控制参数与电机性能控制参数与电机性能 10.3.1.1 角度控制角度控制1. 角度控制方法 控制开通角和关断角。 2. 角度控制与电动机特性（1）角度控制与电动机工作状态 改变 和 可以改变电流波形与绕组电感波形的相对位置。使该电流波形的主要部分置于电感波形的上升段，则使电动机运行，反之使电流波形的重要部分置于电感波形的下降段，则电动机制动运行。onoff（2）角度控制与电动机转矩和转速 在电动状态下，由上节电动机的电流分析知，开通角 提前，则在最小电感去段电流上

15、升时间加长，使电流波形：加宽；峰值和有效值增加；与电感波形的相对位置变化。改变 使电感上升段电流变化，从而改变了电动机转矩。当电动机负载一定时，改变其转矩进一步改变了转速。改变 一般不影响电流峰值，但影响电流波形宽度及其同电感曲线的相对位置，电流有效值也随之变化，因此同样对电动机的转矩转速产生影响，但其影响远没有那么大。ononoffoffon3. 角度的优化 角度控制是控制开关磁阻电动机调速系统的一种最有效的方法 .4. 角度控制的特点（1）转矩调节范围大 （2）同时通电相数可变（3）电动机效率高 （4）不适用于低速 10.3.1.2 电流斩波控制电流斩波控制图10-24 电流斩波工作方式2

16、. 电流斩波控制的特点（1）适用于低速和制动运行 （2）转矩平稳 （3）适合用作转矩调节系统 （4）用作调速系统时抗负载扰动的动态响应慢 10.3.1.3 电压斩波控制电压斩波控制1. 电压斩波控制的方法 2. 电压斩波控制的特点 电压占控制方式通过PWM方式调节绕组电压平均值，进而能间接限制和调节过大的绕组电流，故即能用于高速运行，又适合于低速运行。其余特点与电流斩波控制方式相反，即适合用作调节系统，此时抗负载扰动的动态响应较快，但低速运行时转矩脉动较大。10.3.2 起动与制动控制起动与制动控制10.3.2.1 起动控制起动控制1. 起动转矩与起动电流 图10-26 四相电机矩角特性min

17、()STTLTmin()STT()STavTmin()STT()STavTonoff为使电动机转子处于任何角位置均能顺利起动，应有 大于负载转矩 ，一般有 1.1TL 为使电动机有良好的加速性，一应使 1.5TL 对确定的电动机， 和 与同时通电的相数、 和 点的选择、相电流有关。2. 起动控制方式 正常的起动过程应当是在起动开始后逐步增大起动转矩，使转子由静止到开始转动，然后逐步加速，直至达最低稳定运行转速，转入低速运行控制方式为止。 电流斩波控制方式能有效控制绕组电流的大小，便于调节起动转矩，不会在起动堵转时发生电流突变现象 ，且起动过程中转矩较平稳，因此是最好的一种起动控制方式。10.3

18、.2.2 制动控制制动控制有三种情况需电动机制动运行：使电动机快速降速或停转；使电动机输出转向相反的转矩，如卷绕恒张力控制系统中退卷电动机；使电机作为发电即使用。 图10-27 制动运行电流波形10.3.3 闭环调速系统的组成闭环调速系统的组成1. 转速单闭环调速系统 图10-28 转速单闭环调速系统构成 图10-29 给定积分器工作波形1()()psgifgifkuk uuuudt2. 转速、电流双闭环调速系统 图10-30 转速电流双闭环调速系统构成3转速电流双闭环可逆调速系统图10-31 转速电流双闭环可逆调速系统构成10.4 控制器控制器10.4.1 功率电路功率电路控制器主要由功率电

19、路和控制电路构成，当采用交流电源供电时，功率电路包括整流电路和逆变电路，当采用直流电源供电时，功率电路仅含逆变电路。 10.4.1.1 整流电流整流电流图图10-32 开关磁阻电动机调速系统常用整流电路开关磁阻电动机调速系统常用整流电路10.4.1.2 逆变电路逆变电路10.4.1.3 驱动电路驱动电路驱动电路的作用是将控制电路发出的相通断信号转换成符合功率开关元件要求的控制信号，使之安全可靠通断，并能起到强弱电路间的隔离作用。 1. TLP250 图10-34 TLP250的应用电路10.4.1.4 制动放电电路制动放电电路图10-35 制动放电电路10.4.2 控制电路控制电路10.4.2.1 结构框图结构框图图10-36 控制电路结构框图1. 操作信号 操作信号是系统的使用者向系统发出的运行指令，该指令至今应包括起动/停止信号、转速信号和转向信号，这些信号型式可能是模拟信号，也可能是数字信号。 2. 系统运行信号 指本系统运行时同控制和自身安全有关的参数信号。同同控制有关信号一般有电动机转速信号