最新2019-开关磁阻电机课件-PPT课件

开关磁阻电机课件作者：蔡维伦日期：2019.4.15课件的内容一、MOTOR的种类二、SRD的特点及应用三、SRD的驱动原理四、SRD控制策略#note1.PMSM:PermanentMagnetSynchronousMotor2.BLDC:BrushlessDC3.BLAC:BrushlessAC4.SRM:SwitchedReluctanceMotor5.SynRm:SynchronousReluctanceMotor电机交流电机直流电机感应式电机同步电机通用电机磁极电机w单相w三相w永磁同步电机(BLDC,BLAC)w开关磁阻电机w同步磁阻电机旋转式直线式1、电机的种类1.1两类不同原理的电动机电机可以根据转矩产生的原理划分电磁作用原理产生转矩的电机磁阻变化原理产生转矩的电机运动是定、转子两个磁场相互作用的结果相互作用产生使两个磁场趋于同向的电磁转矩，这类似于两个磁铁的同极性相排斥、异极性相吸引的现象目前大部分电机都是遵循这一原理，例如一般的直流电机和交流电机。运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的当定子绕组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循“磁阻最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位置。即两轴线重合位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象开关磁阻电机就是属于这一类型的电机。1.2交流永磁同步电机1.2.1交流永磁同步电机控制结构1.2.2交流永磁同步电机控制原理电磁场1.2.3交流永磁同步电机控制要求2开关磁阻电机发展历史2.1SRD的应用开关磁阻电动机（SwitchedReluctanceDrive：SRD）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数w直到数百kw，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。2.22.3总体影响2.4SRD机械结构下面通过一个开关磁阻电动机原理模型来介绍工作原理电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。电机的转子铁芯有四个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），用来向电机提供工作磁场。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。2.5电动机定、转子实际结构2.62.6.12.6.12.7开关磁阻电机的优缺点1.SRD电机转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，绕组端部较短，没有相间跨接线，因此SR电机的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。2.SR电机的材料利用系数高，与直流电机甚至感应电机相比，体积小、坚固、维护量小。3.由于SR电机的转矩与电流极性无关，只需要单方向的电流激励，因此在理论上功率变换器电路中每相可以只用一个可控开关元件，而且每个可控开关元件都与电机绕组串联，不会出现像交流电机PWM逆变器那样有电源直通短路的危险，所以功率变换器电路简单，可靠性高。4.SR电机转子上无绕组，系统在低速运行时，不仅转矩大，而且转子发热不严重。5.SRD系统可以通过对电流的导通、断开以及电流幅值等的控制，易于实现系统的软启动，四象限运行和宽广的恒功率范围。6.SRD系统的容错能力强，在缺相的情况下仍然能可靠运行。7.SR电机原有的转矩脉动大、噪声大的缺点通过技术的进步也已经可以解决。192.7.1SRD的特点2.82.8.1电动汽车用开关磁阻电机三相SRM五相SRM2.8.32.9SRD的研究方向SR电机设计研究：1、减小转矩脉动及噪声,电机的振动的研究2、相数的研究与选择3、电机铁耗、效率分析SR电机的控制策略研究：•最优控制，减小转矩脉动、降低噪声•具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰的新型控制策略•智能控制策略•SR电机的无位置传感器控制•SR电机的振动、噪声研究•SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等•变换器方案确定和主开关元器件选择•微处理器和专用集成电路的应用工作原理结构特点3开关磁阻电机原理在讲电动机工作原理时常用通电导线在磁场中受力来解释电动机旋转的道理，磁阻电机转子上没有绕组，那是靠什么力推动转子转动呢？磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转。下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈是连接在一起的，组成一“相”，该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6/4结构。在下图标注的A、B、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接三相交流电。在下面有一组磁阻电动机运转原理动画的截图，从中我们将看到磁阻电动机是如何转动起来的，图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电流通过；通过定子与转子的深蓝色线是磁力线；把转子启动前的转角定为0度。从左面图起，A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针转动；中间图是转子转了10度的图，右面图是转到20度的图，磁力一直牵引转子转到30度为止，到了30度转子不再转动，此时磁路最短。3.1、开关磁阻电机原理为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断A相电源在30度接通B相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图，于是转子继续转动。中间图是转子转到40度的图，右面图是转到50度的图，磁力一直牵引转子转到60度为止。在转子转到60度前切断B相电源在60度时接通C相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图。转子继续转动，中间图是转子转到70度的图，右面图是转到80度的图，磁力一直牵引转子转到90度为止。当转子转到90度前切断C相电源，转子在90度的状态与前面0度开始时一样，重复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。这就是磁阻电动机的工作原理。由于是运用了利用磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制，故称为开关磁阻电动机。3.1.1开关磁阻电机原理向线圈供电的开关是用开关晶体管进行的，下面就是三相线圈与开关晶体管的连接示意图，BG1、BG2、BG3是三个开关晶体管，分别控制三相线圈A、B、C的电流通断，三极管旁边并联的二极管是用来续流的。由于电机靠磁阻工作，跟磁通方向无关，即跟电流方向无关，故在上面运行图中没有标明磁力线的方向。A、B、C各相线圈轮流通电似乎简单，实际情况要复杂些，线圈切断电源后产生的自感电流不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流的时间会有部分重合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通与关断时间与转子定子间的相对位置直接相关，故电机还装有转子位置检测装置为准时开关各相线圈电流提供依据，何相线圈何时通断必须根据转子转到的位置与控制参数决定。3.1.2开关磁阻电机原理3.1.3开关磁阻电机的非线性特性以上分析都是在线性条件下进行的。实际电机磁路为非线性。磁场分布3.2SRD交流电机控制原理位置检测功率变换器SR电动机电流检测控制信号控制器电源负载3.2.1SRM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，同时接受控制器的控制。•由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因此只需要单极性供电的功率变换器。功率变换器应能迅速从电源接受电能，又能迅速向电源回馈能量。对功率变换器主电路的要求：（1）较少数量的主开关元件；（2）可将全部电源电压加给电动机相绕组；（3）主开关器件的电压额定值与电动机接近；（4）具备迅速增加相绕组电流的能力；（5）可通过主开关器件调制，有效地控制相电流；（6）能将能量回馈给电源。3.3主电路常见形式1、双开关型每相有两只主开关和两只续流二极管。当两只主开关VT1和VT2同时导通时，电源US向电机相绕组供电；当VT1和VT2同时关断时，将电机的磁场储能以电能形式迅速回馈电源，实现强迫换相。+US-VD1VD2VT1VT2双开关型电路特点：1）适用于任意相数SR电机2）相控独立性：独立3）相电压=电源电压4）器件数量多我司三相SRD12/8极电机常采用双开关型主电路双开关型主电路又称为不对称半桥型主电路+US-VD1VD4VT1VT4VD2VD5VT2VT5VD3VD6VT3VT6ABC3.3主电路常见形式2双绕组型电路特点主开关S1导通时，电源对主绕组A供电；当其关断时，靠磁耦合将主绕组A的电流转移到副绕组，通过二极管D1续流，向电源回馈电能，实现强迫换相。早期使用的双绕组结构，每相有主、副两个绕组，主、副绕组双线并绕，同名端反接，其匝数比为1：1。3.3主电路常见形式双绕组型缺点：1）由于主、副绕组之间不可能完全耦合，在S1关断的瞬间，因漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰电压，故S1需要有良好的吸收回路。2）由于采用主、副两个绕组，因而电机槽及铜线利用率低。铜耗增加、体积增大。优点：适用于任何相数的SRM，尤其适宜于低压直流电源供电场合3.3主电路常见形式3电容分压型（电源分裂式）两个相串联的电容C1和C2将电源电压一分为二,构成中点电位。每相只有一个主开关S和一只续流二极管D。当S1导通时，上侧电容C1对A相绕组放电，电源对A相供电，经下侧电容C2构成回路；当S1关断时，A相电流经D1续流，向下侧电容C2充电。3.3主电路常见形式电容分压型电路的特点1）只适用于偶数相SR电机2）主开关数较少3）相控独立性：不独立4）电源利用率低，每相电压为电源电压的1/2。5）需限制中点电位漂移3.3主电路常见形式H桥型该变换器比四相电容分压型功率变换器主电路少了两个串联的分压电容，换相相的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。它要求每一瞬间必须上、下各有一相导通。工作制：AB-BC-CD-DA3.3主电路常见形式H桥型电路的特点1）只适用于4的倍数相SR电机2）主开关数较少3）相控独立性：不独立4）相绕组电压浮动5）本电路特有的优点:可以实现零压续流，提高系统的控制性能。H桥型电路为4相SR电机最常用的主电路形式3.3主电路常见形式3.4开关磁阻电动机的相数与结构相数与级数关系)22kNNkmNsrs1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。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，这是提高电机出力的重要因素。SR电动机常用的相数与极数组合相数3456789定子极数681012141618转子极数46810121416步进角(度)3015964.283.212.53.5SR电机常用方案相数与转矩、性能关系：相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM低于三相的SRM没有自起动能力（4）5-phase10statorpole/8rotorpolePMPM利用永磁体辅助起动的单相SR电动机3.6SR电机基本方程与性能分析不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相SR电机系统示意图J—转子与负载的转动惯量TL—负载转矩TeKJTLR1d1/dtt1u1+-...Rmdm/dtum+-耦合磁场i1im电路方程第k相绕组的相电压平衡方程:3.6.1磁链方程所以：电阻压降变压器电动势运动电动势(转子位置改变)dtdLidtdiiLiLiRdtddtdiiiRUkkkkkkkkkkkkkkkkddidLuLidtdtdt22212222112211112222r