§5.3开关磁阻电动机原理

5.3开关磁阻电动机原理一、开关磁阻电动机的工作原理关磁阻电动机传动系统(简称SRD系统)是最近20年来开发成功的一种新型电气传动系统，它由开关磁阻电动机(简称SR电机或SRM)、功率变换器、转子位置检测器和控制器所组成，如图5-21所示。图5-21开关磁阻电动机传动系统结构基本结构定子和转子均为凸极结构定子和转子的齿数不等，转子齿数一般比定子少两个定子齿上套有集中线圈，两个空间位置相对的定子齿线圈相串联，形成一相绕组转子由铁心叠片而成，其上无绕组如图5-22所示图5-22开关磁阻电动机的基本结构工作机理开关磁阻电机的工作机理与磁阻(反应)式步进电动机一样，基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原理。当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置。当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步一步地沿着通电相序相反的方向转动。如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。转速的计算设：定子绕组为m相，定子齿数Ns=2m，转子齿数为Nr。当定子绕组换流通电一次时，转子转过一个转子齿距。这样定子需切换通电Nr次转子才转过一周，故电机转速n(r/min)与相绕组电压的开关频率f之间的关系为(5-10)(5-11)给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率则为(5-12)rNfn6060nNfr60nmNfrD优点开关磁阻电机由于转子上没有绕组，定子线圈的端部又很短，不但制造方便，而且线圈的发热量小且容易散热，从而电磁负荷可以提高，电机利用系数可达异步电机利用系数的1.4倍，电机制造成本大为降低。由于转子上无线圈，转动惯量小，具有较高的转矩/惯量比，所以特别适合于高速运行。由于开关磁阻电机的转矩是靠定、转子的凸极效应产生，与绕组中所通电流极性无关，因此每相绕组中通入的可以是单方向的电流(脉冲)，无须交变。这样不但可使控制每相电流的功率开关元件数量减少一半，而且可以避免一般电压型逆变器中最危险的上、下桥臂元件直通的故障，不但显著降低控制装置的成本，而且大大提高了系统的安全可靠性。不足开关磁阻电机的主要问题是它产生的电磁转矩脉动较大，振动与噪声较严重，此外功率开关元件关断时还会在电机定子绕组端部及开关器件上产生较高的电压尖峰。为了解决这些问题已设计出不同的控制方案，图5-23为一种较为常用的四相开关磁阻电机功率电路形式。图5-23四相开关磁阻电动机原理接线图二、开关磁阻电动机的运行分析开关磁阻电动机依靠定转子的凸极效应产生电磁转矩，其机理可以用相绕组电感L随转子位置变化的关系来说明。如果忽略电机磁路饱和的影响，则相绕组电感与电流大小无关；如不计磁场边缘扩散效应，则相绕组电感随转子位置θ的变化规律L(θ)将如图5-24所示，近似为一梯形波。图5-24相绕组电感变化规律转矩特性当开关磁阻电机由图5-23所示的电源供电时，如果电动机匀速旋转，可得(5-15)式中，等号右边第一项为平衡绕组中变压器电势的压降；第二项为电阻压降；第三项为旋转电势所引起的压降，它只有在电感随转子位置而变时才存在，其方向与电感随转子位置θ的变化率有关：当电感随θ角的增大而增大时为正，当电感随θ角的增大而减小时为负。LiiRdtdiLUrs旋转电势引起的压降为正表示吸收电功率，产生驱动转矩，输出机械功率当旋转电势引起的压降为负则表示是发出电功率，产生制动转矩所以在开关磁阻电机中，为获得较大的有效转矩应避免产生制动转矩，在绕组电感开始随转子位置角θ的增大而减少时应尽快使绕组中电流衰减到零，这点十分重要。在开关磁阻电机中，电磁转矩的调节主要是通过控制功率开关的开、关时刻，即开关元件的导通角α1和截止角α2来实现的设在图5-24中的I区内触发导通功率开关(α1θ1)；在II区内关断功率开关(θ1α1θ3)。在这种情况下，相电流的波形将如图5-25所示，它可以分为五段。图5-25电动机工作时的相电流波形电流特性(1)第一段在t=0(θ=α1)时，功率开关导通，相绕组开始通电。但在这段区间由于电感小且，故无旋转电势，所以在这阶段中相电流作线性增长，上升速率较快。如不计电阻影响，由式5-15可得通过合理选择导通角α1使相电流在进入有效工作段时就达到足够大的数值，这是开关磁阻电机控制电磁转矩的主要办法。)(0111tt0/LtLUismin(2)第二段这段期间L在不断增大，因而相绕组中出现了旋转电势压降，绕组中电流不能继续直线上升，甚至可能出现下降。求得这段期间电流关系式为：(5-19)式中这时的电流主要用于产生电磁转矩，因此这一段电流的大小直接影响电动机的出力。)(2121ttt)0(itLLtUirks)(11minLLLK从5-19可以看出，开关磁阻电机的负载电流与许多参数有关，其中属于可控的因素是导通角α1，不同α1的可能形成不同的电流波形。如图5-26所示。图5-26不同α1时相电流波形(3)第三段在反向电压－Us的作用下绕组磁链开始线性下降，电流也逐渐减小。由于在这一区间仍是，续流电流仍产生电动转矩，说明在这一阶段电机中的磁场储能有一部分转化为有用的机械能从电机轴上输出，而另一部分转化为电能回馈给了电容器。这时在反压及旋转电势的作用下相电流以较快的速率下降，其规律可表达为(5-22))(3232ttt0/LtLLtUirKsmax2(4)第四段在这个区段由于，而没有旋转电势存在，相电流不产生电磁转矩，只在外界反向电压－Us作用下继续衰减，其规律为(5-24)在这段区间电机中的磁场储能进一步转换成电能回馈给电容器，轴上无机械功输出。)(4313ttt0/L)0(2maxmaxiLtUis(5)第五段如相电流在这一区段中还没有衰减到零，则由于,使相绕组中电流所产生的将是制动转矩，电机进入再生制动状态，旋转电势将起与外加反向电压相抵消的作用，使电流的下降速度变慢。这时电流的表达式为(5-25)式中)(44tt0/L)0(2maxitLLtUirBs)(14maxLLLB开关磁阻电机要实现再生制动非常方便，只要加大α1使相电流主要出现在,的区段即可，其电流、磁链、电感、转矩和转子位置角θ的关系如图5-27所示。图5-27制动时的L、ψ、i、T与θ关系0/L5.4开关磁阻电动机的控制一、开关磁阻电动机运行特性和控制方式1.电流控制从图5-28可见，功率开关的导通角对电机电流的影响很大，它是控制开关磁阻电机电流和转矩的主要手段。随着α1的减小，电流直线上升阶段的时间电流就显著增大，电机转矩相应增加。功率开关的关断角α2则影响电源对电机相绕组的供电时间的长短和续流的过程，它对电机的转矩有直接的影响。实用中多采用保持α2恒定而改变α1角的办法来控制开关磁阻电机的电流和转矩。rt/)(111图5-28定子相电流有效值与α1、α2的关系在开关角α1、α2一定条件下电源电压Us一定时,电流的标么值与电机转速无关,但实际相电流和电流基值均正比于工作周期,反比于电机的转速,因此电机低速运行时电流的峰值将显著增大。为了限制低速运行时的过大电流，通常需采用斩波(PWM)实现恒流控制，图5-29示出了斩波控制下的相电流波形。图5-29斩波控制下的相电流波形2.转矩控制在实际电机中，当定、转子齿相互对齐气隙比较小时磁路较饱和，需要将电机饱和磁化特性曲线作分段线性化，用所谓准线性化模型来计算电感，据此可较准确地求得开关磁阻电机的平均转矩(5-28)及电机输出功率(5-29)])()(21[)(minmax12min111222LLLUmTrrsav])()(21[)(minmax12min111222LLLUmPrrs式(5-28)说明：在开关角α1、α2不变的情况下，开关磁阻电机的转矩和输入电压Us的平方成正比，和转速的平方成反比，具有与串激直流电动机相仿的机械特性在一定转速下提前导通功率开关，即减小α1角，可增加相电流直线上升时间，增大了电机的转矩在α1一定的情况下，增加α2，使产生电磁转矩的区间增加，也可以使平均转矩增大。但是α2过大时续流阶段可能会产生制动转矩，这是不利的一面。3.转矩脉动和噪声控制开关磁阻电机A、B、C、D各相绕组通电时所产生的电磁转矩TA、TB、TC、TD如图5-30所示，其波形因电机结构、磁路饱和程度、特别是通电时间长短不同而异。图5-30各相电流产生的转矩振动、噪声产生原因当定子各相绕组依序轮流通电时电机产生的合成转矩具有明显的脉动，这是引起开关磁阻电机振动与噪声的一个原因。开关磁阻电机产生噪声的更重要原因是齿极所受径向磁拉力的变化，引起了定子铁心的变形和振动。抑制噪声的办法一般采用适当增加气隙长度，适当减小α2角以减小相绕组断电时的齿极磁场强度。近年又提出了采用所谓二步关断的办法来有效抑制电磁噪声。4.开关磁阻电机的控制方式单四拍运行(每相通电1/4周期)在这种运行方式中，电源向绕组供电的时间在1/4周期左右，再加上续流时间，整个通电过程中相绕组有可能均处在电感随转角而增长的环境中，电流能有效地产生电磁转矩。双四拍运行(每相通电1/2周期)缺点：电流产生转矩的有效性将降低，而电流在绕组中的损耗却随着通流时间的增长而增加。此外，在双四拍工作方式下由于有两相同时通电，电机磁路饱和加剧，会进一步降低电机的输出转矩，影响运行的效果及性能。优点：可以减小转矩的脉动当开关磁阻电机由图5-23所示的电容分压双极性电源供电时，采用双四拍运行还具有减小电容电压波动的作用。结论：实用中电机高速运行时都采用单四拍方式，低速运行时常采用双四拍方式。图5-32开关磁阻电动机的转矩脉动5.开关磁阻电机的机械特性开关磁阻电机低速运行时通电周期比较长，通常采用斩波(PWM)控制，通过改变设定电流的大小来控制输出转矩，实现恒转矩运行。当电机进入较高速度后，功率开关导通时间缩短，电机达不到限流值，此时主要靠控制α1角实现恒功率特性。当电机转速进一步升高后α1和α2已达到极限值，电机就进入恒定α1和α2的运行方式，电动机的转矩与转速平方成反比，呈现出串励电动机的机械特性。开关磁阻电动机完整的机械特性如图5-33所示。图5-33开关磁阻电动机机械特性二、开关磁阻电动机的控制系统开关磁阻电动机由于运行模式比较复杂，一般多采用微机数字控制，其结构框图如图5-34所示，其中较为特殊的部分是它的位置检测系统和功率变换器。图5-34开关磁阻电机控制系统结构框图1.位置检测系统开关磁阻电动机中为准确地控制定子绕组通电时刻(相位)，需要在电机轴端安装一个转子位置检测器，作为相位控制的定位基准信号。图5-35是A、B、C、D四相绕组的功率开关正、反序通电时P、Q两个转子位置传感元件的输出信号波形图5-35位置检测信号及组合逻辑2.功率变换器作用：起开关作用使相绕组及时通、断，保证电机产生预期的转矩为电机系统提供能源为绕组储能提供回馈路径主电路一这个电路结构简单，每相绕组只用一个功率开关和一个续流二极管，但它的电源电压为电机相电压的二倍，致使开关元件的电压定额成倍提高。图5-23四相开关磁阻电动机原理接线图主电路二提高能量利用率只增加了一个斩波器用功率开关元件VT0，比较简单电容器和斩波器的容量都不大图5-36带公共贮能电容的变换器电路主电路三功率开关和二极管承受的反压均为电机相电压Us，耐压要求比较低由于能实现分步关断，有利于电机噪声的控制缺点是开关元件数目多图5-37两个开关串联的变换器电路