《新能源汽车驱动电机技术》课件-学习情境八 开关磁阻电机

学习情境八开关磁阻电机学习任务1开关磁阻电机的基本结构知识准备：开关磁阻电机的研究最早可以追潮到19世纪40年代，英国研究者将其应用于机车牵引系统。然而直到20世纪60年代，由于电力电子技术、计算机技术和自动控制理论的发展，开关磁阻电机的设计开发才得以全面开展，磁阻电机的优点才被广泛了解。开关磁阻电机在80年代初随着电力电子、微电脑和控制理论的迅速发展而发展起来的一种新型调速驱动电机，具有结构简单、运行可靠、成本低、效率高等突出优点，目前已成为直流电动机、交流电动机和永磁电动机调速系统强有力的竞争者。学习任务1开关磁阻电机的基本结构问题1：开关磁阻电机的基本结构是怎样的？开关磁阻电机的定子与转子都是由硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，一般装有位置传感器；定子上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相绕组。定子与转子均采用凸极铁芯结构。定子和转子的凸极有很多组合方式，开关磁阻电机的定子凸极数量为偶数，转子凸极也为偶数，一般转子比定子少两个，共同组成不同极数的开关磁阻电机。学习任务1开关磁阻电机的基本结构问题1：开关磁阻电机的基本结构是怎样的？学习任务2开关磁阻电机的工作原理问题1：开关磁阻电机的工作原理是怎样的？转子凸极2-4与C相凸极对齐，转子凸极1-3与A相凸极之间相差一个角度θ（θ=300）。此时若A相绕组通电，B、C相不通电，则在A相定子中建立了一个以A-A为轴线的对称磁场，磁通经定子轭、定子凸极、转子凸极和转子轭闭合，A-A对称磁场产生的弯曲磁力线沿逆时针方向的切向磁拉力，作用于转子上产生转矩，将转子凸极1-3向定子A相轴线方向拖动，使转子逆时针方向旋转。转子凸极轴线1-3逐渐向定子凸极的磁极轴线A-A靠拢，如下图所示。当转子转过角度θ，转子凸极1-3与定子凸极A-A对齐时，磁场的切向磁拉力消失，转子将不再旋转。学习任务2开关磁阻电机的工作原理问题1：开关磁阻电机的工作原理是怎样的？学习任务2开关磁阻电机的工作原理问题1：开关磁阻电机的工作原理是怎样的？学习任务2开关磁阻电机的工作原理问题1：开关磁阻电机的工作原理是怎样的？学习任务3开关磁阻电机的控制问题1：开关磁阻电动机控制系统的结构组成是怎样的？开关磁阻电动机控制系统主要由功率变换器、控制器、位置传感器等组成，如图所示。功率变换器向开关磁阻电动机提供运转所需的能量，由动力电池组或交流电整流后得到直流电供电，开关磁阻电动机绕组电流是单向的。控制器综合处理指令、速度、电流和位置传感器的反馈信号，控制功率变换器的工作状态，实现对开关磁阻电动机的状态控制。学习任务3开关磁阻电机的控制问题1：开关磁阻电动机控制系统的结构组成是怎样的？如下图所示的功率变换器电路很适合电动汽车用开关磁阻电动机。该电路利用两个功率器件（如A相为VT1和VT2）和两个续流二极管（A相为VD1和VD2）分别控制相电流，并实现能量回收功能。由于这种电路的拓扑结构每相需要两个功率器件，因此该变换器的成本相对高于一个功率器件的变换器，但是可以单独控制每相绕组，而且不受其他相绕组状态的影响。因此可以采用相重叠使转矩增加，并且恒功率调速范围变宽。学习任务3开关磁阻电机的控制问题2：开关磁阻电机的控制方式有哪些？1）角度控制（APC）（1）角度控制方式角度控制方式是保持电压不变，通过对开通角和关断角进行控制来改变电流波形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置。学习任务3开关磁阻电机的控制问题2：开关磁阻电机的控制方式有哪些？1）角度控制（APC）（2）角度控制方式具有以下特点：①转矩调节范围大，在角度控制下的电流占空比的变化范围几乎是0～100%。②同时导通相数可变，同时导通相数较多，则电机输出转矩越大，转矩脉动也就越小。因此当电机的负载变化时，可以通过自动增加或减小同时导通的相数来平衡电机负载。③电机效率高，通过角度优化能使电机在不同的负载下保持较高的效率。④不适用于低速运行，在角度控制中电流峰值主要由旋转电动势限制。当转速降低时，由于旋转电动势减小，容易使相电流峰值超过允许值，因此角度控制一般适用于较高的转速。学习任务3开关磁阻电机的控制问题2：开关磁阻电机的控制方式有哪些？2）电流斩波控制（CCC）（1）电流斩波控制方式对于电流斩波控制，一般保持电机的开通角和关断角不变，而主要以控制斩波电流的上下幅值进行比较，从而起到调节电机转矩和转速的目的。实现方式有以下两种。①限制电流上、下幅值的控制②电流上限和关断时间恒定学习任务3开关磁阻电机的控制问题2：开关磁阻电机的控制方式有哪些？2）电流斩波控制（CCC）（2）电流斩波控制具有以下特点①适用于低速和制动运行，电机在低速运行时，绕组中旋转电动势较小，电流上升速度大；在制动运行时，旋转电动势的方向与绕组端电压的方向相同，电流上升的速率比低速运行时更大，电流斩波方式可以有效地限制峰值电流，使电机获得恒转矩输出的机械特性。②电机输出转矩平稳，电流斩波时电流波形呈较宽的平顶状，因此电机树池的转矩也比较平稳，合成转矩的脉动明显比其他控制方式小。③用作调速系统时，抗负载扰动的动态响应慢，在电流斩波控制中，由于电流峰值被限制，当电机转速在负载扰动下出现突变时，电流峰值无法自适应，系统在负载扰动下的动态响应十分缓慢。学习任务3开关磁阻电机的控制问题2：开关磁阻电机的控制方式有哪些？3）电压控制（1）电压控制方式电压控制是某相绕组导通阶段，在主开关的控制信号中加入PWM信号，通过调节占空比来调节绕组端电压的大小，从而改变相电流值，具体方式是在固定开通角和关断角的情况下，用PWM信号来调制主开关器件相控信号，通过调节此PWM信号的占空比从而改变相绕组的平均电压，进而改变输出转矩。学习任务3开关磁阻电机的控制问题2：开关磁阻电机的控制方式有哪些？3）电压控制（2）电压控制具有以下特点该控制方式可以控制斩波频率和占空比两个参数，可控性好。一般情况下斩波频率是固定的，通过选择适当的斩波频率，也就控制了相电流频率。占空比与相电流最大值之间有较好的线性关系，调节PWM的占空比即可调节相电流最大值。通过PWM方式调节绕组电压平均值，间接调节和限制过大的绕组电流。因此该方式即能用于高速运行又适合低速运行。该控制方式适用于转速调节系统，抗负载扰动的动态响应快。其缺点是转矩脉动较大，调速范围有限。学习任务3开关磁阻电机的控制问题2：开关磁阻电机的控制方式有哪些？4）组合控制对于实际的开关磁阻电机的控制，可以根据不同的运行工况并结合上述控制方式的优缺点，选用几种控制方式的组合，使电机调速系统的性能更好。目前比较常用的组合控制方式有以下两种。（1）高速与低速电流斩波控制组合（2）变角度电压PWM控制组合学习任务3开关磁阻电机的控制问题3：开关磁阻电机的功率变换器是怎样的？

理想的功率变换器主电路结构应同时具备以下条件：（1)少而有效的主开关器件（2)可以将全部电源电压加给电机绕组（3)可以通过主开关器件调制，有效控制每相电流（4)可以迅速增加相绕组电流（5)在负半轴绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给电源学习任务3开关磁阻电机的控制问题3：开关磁阻电机的功率变换器是怎样的？1）双开关型功率变换器双开关型功率变换器电路每具有两个主开关器件及两个续流二极管，当两个主开关器件同时导通时，电源向电机绕组供电；同时断开时，相电流通过续流二极管续流，将电机绕组中磁场储能以电能形式迅速回馈电源，实现强迫换相学习任务3开关磁阻电机的控制问题3：开关磁阻电机的功率变换器是怎样的？2）双绕组型功率变换器该功率变换器电路中，每相有主、副两个绕组，主、副绕组双线并绕，同名端反接，匝数比为1:1。当主开关导通时，电源对主绕组供电；当主开关关断时，靠磁耦合将主绕组的电流转移到副绕组，通过二极管续流，向电源迅速回馈电能，实现强迫换相。学习任务3开关磁阻电机的控制问题3：开关磁阻电机的功率变换器是怎样的？3）电容裂相型功率变换器电容裂相型功率变换器电路是指将整流输出的电压通过双电容裂相形成的电路，其电容同时还起到滤波、存储绕组回馈能量作用。采用这种电路，可对电机的各相进行独立控制，每相只需要一个主开关器件和一个续流二极管。学习任务3开关磁阻电机的控制问题3：开关磁阻电机的功率变换器是怎样的？4）H桥型功率变换器H桥型功率变换器电路可以看作电容裂相电路取消了电容器分压，并将各相绕组中点浮空而形成的电路。换相时磁能以电能形式一部分回馈电源，另一部分注入导通相绕组，引起中点电位的较大浮动。学习任务3开关磁阻电机的控制问题3：开关磁阻电机的功率变换器是怎样的？5）能量回收型功率变换器能量回收型功率变换器通常有谐振能量回收、阻尼能量回收以及斩波能量回收几种形式。学习任务3开关磁阻电机的控制问题3：开关磁阻电机的功率变换器是怎样的？6）最少开关器件型功率变换器在该电路结构中，每个主开关器件连接一个以上的相绕组，每个绕组连接在上、下主开关器件之间，该电路允许利用总电源来增大或减少相电流，但由于每个主开关器件为两个绕组共用，将导致相电流下降时间增加，这使得增加电机相数、减少转矩脉动又不增加变换器成本成为可能，但是由于电流的增加，使得相绕组电流下降较慢。学习任务4开关磁阻电机的特点及应用问题1：开关磁阻电机的性能要求有哪些？1）相数和极数2）极弧3）定子直径和铁芯长度4）气隙长度和转子外径5）转子极高6）定子极高学习任务4开关磁阻电机的特点及应用问题2：开关磁阻电机的特点？开关磁阻电机结构简单