1、電力電子與電機系統控制研究所開關磁阻電動機原理開關磁阻電動機原理電力電子與電機系統控制研究所一、開關磁阻電動機的工作原一、開關磁阻電動機的工作原理理l 關磁阻電動機傳動系統(簡稱 SRD系統)是最近20年來開發成功的一種新型電氣傳動系統，它由開關磁阻電動機(簡稱 SR電機或 SRM)、功率變換器、轉子位置檢測器和控制器所組成，如圖 5-21所示。電力電子與電機系統控制研究所圖5-21 開關磁阻電動機傳動系統結構電力電子與電機系統控制研究所基本結構基本結構l定子和轉子均為凸極結構l定子和轉子的齒數不等，轉子齒數一般比定子少兩個l定子齒上套有集中線圈，兩個空間位置相對的定子齒線圈相串聯，形成一相繞

2、組l轉子由鐵心疊片而成，其上無繞組 如圖5-22所示電力電子與電機系統控制研究所圖5-22 開關磁阻電動機的基本結構電力電子與電機系統控制研究所工作機理工作機理l開關磁阻電機的工作機理與磁阻(反應)式步進電動機一樣，基于磁通總是沿磁導最大的路徑閉合的原理。l當定、轉子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就會產生磁拉力，形成磁阻轉矩，使轉子轉到磁導最大的位置。l當向定子各相繞組中依次通入電流時，電機轉子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉動。l如果改變定子各相的通電次序，電機將改變轉向。但相電流通流方向的改變是不會影響轉子的轉向的。電力電子與電機系統控制研究所轉速的計算轉速的計算設：定子繞組為m

3、相，定子齒數 Ns=2m，轉子齒數為Nr。 當定子繞組換流通電一次時，轉子轉過一個轉子齒距。這樣定子需切換通電 Nr次轉子才轉過一周，故電機轉速 n(r/min)與相繞組電壓的開關頻率 f之間的關系為 (5-10) (5-11) 給定子相繞組供電的功率變換器輸出電流脈動頻率 則為 (5-12) rNfn6060nNfr60nmNfrD電力電子與電機系統控制研究所優點優點l開關磁阻電機由于轉子上沒有繞組，定子線圈的端部又很短，不但制造方便，而且線圈的發熱量小且容易散熱，從而電磁負荷可以提高，電機利用系數可達異步電機利用系數的 1.4倍，電機制造成本大為降低。l由于轉子上無線圈，轉動慣量小，具有較

4、高的轉矩/慣量比，所以特別適合于高速運行。l由于開關磁阻電機的轉矩是靠定、轉子的凸極效應產生，與繞組中所通電流極性無關，因此每相繞組中通入的可以是單方向的電流(脈沖)，無須交變。這樣不但可使控制每相電流的功率開關元件數量減少一半，而且可以避免一般電壓型逆變器中最危險的上、下橋臂元件直通的故障，不但顯著降低控制裝置的成本，而且大大提高了系統的安全可靠性。電力電子與電機系統控制研究所不足不足l開關磁阻電機的主要問題是它產生的電磁轉矩脈動較大，振動與噪聲較嚴重，此外功率開關元件關斷時還會在電機定子繞組端部及開關器件上產生較高的電壓尖峰。l為了解決這些問題已設計出不同的控制方案，圖 5-23為一種較為

5、常用的四相開關磁阻電機功率電路形式。電力電子與電機系統控制研究所圖5-23 四相開關磁阻電動機原理接線圖電力電子與電機系統控制研究所二、開關磁阻電動機的運行分二、開關磁阻電動機的運行分析析l開關磁阻電動機依靠定轉子的凸極效應產生電磁轉矩，其機理可以用相繞組電感 L隨轉子位置變化的關系來說明。l如果忽略電機磁路飽和的影響，則相繞組電感與電流大小無關；如不計磁場邊緣擴散效應，則相繞組電感隨轉子位置 的變化規律 L()將如圖 5-24所示，近似為一梯形波。圖5-24 相繞組電感變化規律電力電子與電機系統控制研究所轉矩特性轉矩特性l當開關磁阻電機由圖 5-23所示的電源供電時，如果電動機勻速旋轉，可得

6、 (5-15)式中，等號右邊第一項為平衡繞組中變壓器電勢的壓降； 第二項為電阻壓降； 第三項為旋轉電勢所引起的壓降，它只有在電感隨轉子位置而變時才存在，其方向與電感隨轉子位置 的變化率有關：當電感隨 角的增大而增大時為正，當電感隨 角的增大而減小時為負。LiiRdtdiLUrs電力電子與電機系統控制研究所l旋轉電勢引起的壓降為正表示吸收電功率，產生驅動轉矩，輸出機械功l當旋轉電勢引起的壓降為負則表示是發出電功率，產生制動轉矩l所以在開關磁阻電機中，為獲得較大的有效轉矩應避免產生制動轉矩，在繞組電感開始隨轉子位置角 的增大而減少時應盡快使繞組中電流衰減到零，這點十分重要。電力電子與電機系統控制研

7、究所l在開關磁阻電機中，電磁轉矩的調節主要是通過控制功率開關的開、關時刻，即開關元件的導通角 1和截止角2 來實現的l設在圖 5-24中 的 I 區 內 觸 發 導 通 功 率 開 關 (11)；在 II 區內關斷功率開關 (113)。在這種情況下，相電流的波形將如圖 5-25所示，它可以分為五段。電力電子與電機系統控制研究所圖5-25 電動機工作時的相電流波形電力電子與電機系統控制研究所電流特性電流特性(1)第一段 在t=0(=1 )時，功率開關導通，相繞組開始通電。但在這段區間由于電感小且 ，故無旋轉電勢，所以在這階段中相電流作線性增長，上升速率較快。如不計電阻影響，由式5-15可得 通過

8、合理選擇導通角 1使相電流在進入有效工作段時就達到足夠大的數值，這是開關磁阻電機控制電磁轉矩的主要辦法。)(0111tt0/LtLUismin電力電子與電機系統控制研究所(2)第二段第二段l這段期間 L在不斷增大，因而相繞組中出現了旋轉電勢壓降，繞組中電流不能繼續直線上升，甚至可能出現下降。求得這段期間電流關系式為： (5-19)式中 這時的電流主要用于產生電磁轉矩，因此這一段電流的大小直接影響電動機的出力。)(2121ttt)0(i tLLtUirks)(11minLLLK電力電子與電機系統控制研究所l從5-19可以看出，開關磁阻電機的負載電流與許多參數有關，其中屬于可控的因素是導通角1，不

9、 同 1的可能形成不同的電流波形。如圖 5-26所示。圖5-26 不同 1 時相電流波形電力電子與電機系統控制研究所(3)第三段第三段l在反向電壓Us的作 用 下 繞 組 磁 鏈 開 始 線 性 下 降，電 流 也 逐 漸 減小。l由于在這一區間仍是 ，續流電流仍產生電動轉矩，說明在這一階段電機中的磁場儲能有一部分轉化為有用的機械能從電機軸上輸出，而另一部分轉化為電能回饋給了電容器。l這時在反壓及旋轉電勢的作用下相電流以較快的速率下降，其規律可表達為 (5-22)(3232ttt0/LtLLtUirKsmax2電力電子與電機系統控制研究所(4)第四段第四段l在這個區段由于 ，而沒有旋轉電勢存在

10、，相電流不產生電磁轉矩，只在外界反向電壓Us作用下繼續衰減，其規律為 (5-24) 在這段區間電機中的磁場儲能進一步轉換成電能回饋給電容器，軸上無機械功輸出。)(4313ttt0/L)0( 2maxmaxiLtUis電力電子與電機系統控制研究所(5)第五段第五段l如相電流在這一區段中還沒有衰減到零，則由于 ,使相繞組中電流所產生的將是制動轉矩，電機進入再生制動狀態，旋轉電勢將起與外加反向電壓相抵消的作用，使電流的下降速度變慢。這時電流的表達式為 (5-25) 式中)(44 tt0/L)0( 2maxitLLtUirBs)(14maxLLLB電力電子與電機系統控制研究所l開關磁阻電機要實現再生制

11、動非常方便，只要加大1 使相電流主要出現在 ,的區段即可，其電流、磁鏈、電感、轉矩和轉子位置角的關系如圖 5-27所示。圖5-27 制動時的 L、i、T與關系0/L電力電子與電機系統控制研究所開關磁阻電動機的控制開關磁阻電動機的控制電力電子與電機系統控制研究所一、開關磁阻電動機運行特性一、開關磁阻電動機運行特性和控制方式和控制方式1.1.電流控制電流控制 從圖 5-28可見，功率開關的導通角對電機電流的影響很大，它是控制開關磁阻電機電流和轉矩的主要手段。 隨著 1的減小，電流直線上升階段的時間 電流就顯著增大，電機轉矩相應增加。 功率開關的關斷角 2 則影響電源對電機相繞組的供電時間的長短和續

12、流的過程，它對電機的轉矩有直接的影響。實用中多采用保持 2恒定而改變1角的辦法來控制開關磁阻電機的電流和轉矩。rt/ )(111電力電子與電機系統控制研究所圖5-28定子相電流有效值與1 、2 的關系電力電子與電機系統控制研究所l在開關角 1 、2一定條件下電源電壓Us一定時,電流的標么值與電機轉速無關,但實際相電流和電流基值均正比于工作周期,反比于電機的轉速,因此電機低速運行時電流的峰值將顯著增大。為了限制低速運行時的過大電流，通常需采用斬波 (PWM)實現恒流控制，圖 5-29示出了斬波控制下的相電流波形。圖5-29 斬波控制下的相電流波形電力電子與電機系統控制研究所2.轉矩控制轉矩控制l

13、在實際電機中，當定、轉子齒相互對齊氣隙比較小時磁路較飽和，需要將電機飽和磁化特性曲線作分段線性化，用所謂準線性化模型來計算電感，據此可較準確地求得開關磁阻電機的平均轉矩 (5-28) 及電機輸出功率 (5-29)()(21)(minmax12min111222LLLUmTrrsav)()(21)(minmax12min111222LLLUmPrrs電力電子與電機系統控制研究所 式(5-28)說明：l在開關角 1 、2不變的情況下，開關磁阻電機的轉矩和輸入電壓Us 的平方成正比，和轉速的平方成反比，具有與串激直流電動機相仿的機械特性l在一定轉 速 下 提 前 導 通 功 率 開 關，即 減 小

14、1 角，可 增 加 相 電 流 直 線 上 升 時 間 ，增大了電機的轉矩l在 1一定的情況下，增加2 ，使產生電磁轉矩的區間增加， 也可以使平均轉矩增大。但是 2過大時續流階段可能會產生制動轉矩，這是不利的一面。電力電子與電機系統控制研究所3.轉矩脈動和噪聲控制轉矩脈動和噪聲控制 開關磁阻電機 A、B、C、D 各相繞組通電時所產生 的 電 磁 轉 矩 TA、TB、TC、TD 如圖5-30所示，其波形因電機結構、磁路飽和程度、特別是通電時間長短不同而異。圖5-30 各相電流產生的轉矩電力電子與電機系統控制研究所振動、噪聲產生原因振動、噪聲產生原因l當定子各相繞組依 序 輪流通電時電機產生的合成

15、轉矩具有明 顯 的 脈 動，這是引起開關磁阻電機振動與噪聲的一個原因。l開關磁阻電機產生噪聲的更重要原因是齒極所受徑向磁拉力的變化，引起了定子鐵心的變形和振動。電力電子與電機系統控制研究所抑制噪聲的辦法抑制噪聲的辦法l一般采用適當增加氣隙長度，適當減小 2角以減小相繞組斷電時的齒極磁場強度。l近年又提出了采用所謂二步關斷的辦法來有效抑制電磁噪聲。電力電子與電機系統控制研究所4.開關磁阻電機的控制方式開關磁阻電機的控制方式l單四 拍 運 行(每相通電 1/4周 期) 在這種運行方式中，電源向繞組供電的時間在 1/4周期左右，再加上續流時間，整個通電過程中相繞組有可能均處在電感隨轉角而增長的環境中

16、，電流能有效地產生電磁轉矩。 電力電子與電機系統控制研究所雙四雙四 拍拍 運運 行行( (每相通電每相通電1/21/2周期周期) )l缺點：電流產生轉矩的有效性將降低，而電流在繞組中的損耗卻隨著通流時間的增長而增加。此外，在雙四拍工作方式下由于有兩相同時通電，電機磁路飽和加劇，會進一步降低電機的輸出轉矩，影響運行的效果及性能。l優點：可以減小轉矩的脈動當開關磁阻電機由圖 5-23所示的電容分壓雙極性電源供電時，采用雙四拍運行還具有減小電容電壓波動的作用。結論結論：實用中電機高速運行時都采用單四拍方式，低速運：實用中電機高速運行時都采用單四拍方式，低速運行時常采用雙四拍方式。行時常采用雙四拍方式

17、。電力電子與電機系統控制研究所圖5-32 開關磁阻電動機的轉矩脈動電力電子與電機系統控制研究所5.開關磁阻電機的機械特性開關磁阻電機的機械特性l開關磁阻電機低速運行時通電周期比較長，通常采用斬波 (PWM)控制，通過改變設定電流的大小來控制輸出轉矩，實現恒轉矩運行。l當電機進入較高速度后，功率開關導通時間縮短，電機達不到限流值，此時主要靠控制 1 角實現恒功率特性。l當電機轉速進一步升高后1 和2已達到極限值，電機就進入恒定 1 和2的運行方式，電動機的轉矩與轉速平方成反比，呈現出串勵電動機的機械特性。開關磁阻電動機完整的機械特性如圖 5-33所示。電力電子與電機系統控制研究所圖5-33 開關

18、磁阻電動機機械特性電力電子與電機系統控制研究所二、開關磁阻電動機的控制系統二、開關磁阻電動機的控制系統l開關磁阻電動機由于運行模式比較復雜，一般多采用微機數字控制，其結構框圖如圖 5-34所示，其中較為特殊的部分是它的位置檢測系統和功率變換器。圖5-34開關磁阻電機控制系統結構框圖電力電子與電機系統控制研究所1.位置檢測系統位置檢測系統l開關磁阻電動機中為準確地控制定子繞組通電時刻(相位)，需要在電機軸端安裝一個轉子位置檢測器，作為相位控制的定位基準信號。l圖5-35是A、B、C、D四相繞組的功率開關正、反序通電時P、Q兩個轉子位置傳感元件的輸出信號波形電力電子與電機系統控制研究所圖5-35 位置檢測信號及組合邏輯電力電子與電機系統控制研究所2.功率變換器功率變換器作用：l起開關作用使相繞組及時通、斷，保證電機產生預期的轉矩l為電機系統提供能源l為繞組儲能提供回饋路徑電力電子與電機系統控制研究所主電