第七章開關磁阻電動機7-1SRM結構與基本原理7-2SRM的簡單分析及控制策略7-3SRD功率變換器基礎7-4SRD位置傳感器7-5SRD控制器簡介7-6SRD研究概況

7-1SR電機結構與原理結構特點：1、雙凸極結構2、定子集中繞組、繞組為單方向通電3、轉子無繞組運行原理：磁阻最小原理磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必定使自己的軸線與主磁場的軸線重合A-A’通電?1-1‘與A-A’重合B-B’通電?2-2‘與B-B’重合C-C’通電?3-3‘與C-C’重合D-D’通電?1-1‘與D-D’重合依次給A-B-C-D繞組通電，轉子逆勵磁順序方向連續旋轉12/8極三相開關磁阻電動機結論：1、依次給A-B-C-A繞組通電，轉子逆勵磁順序方向連續旋轉。改變繞組導通順序，就可改變電機的轉向2、通電一周期，轉過一個轉子極距tr=360/Nr3、步距角qb=tr/m=360/(mNr)4、轉矩方向與電流無關,但轉矩存在脈動。5、需要根據定、轉子相對位置投勵。不能像普通異步電機一樣直接投入電網運行，需要與控制器一同使用。SR電機：實現機電能量轉換，可以為單相、兩相、三相、四相，…….功率變換器：向電機提供所需電能，由蓄電池或整流電源供電。SR電機的功率變換器不僅簡單，且是與相繞阻串聯的，可以防止短路；可以選擇具有最少開關器件的電路，降低成本。控制器——調速系統的中樞1根據轉子位置信號確定導通相，給出觸發信號，控制功率變換器開關2比較給定與反饋信號(I,n)，采取一定的控制方式，調節轉矩、轉速SR電機調速系統的構成電流檢測：斬波控制、過流保護位置檢測：確定定、轉子相對位置，然后將位置信號反饋到控制電路，決定對應相繞組的通斷。SR電機極數與相數的限制：1、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，所以雙凸極的定子和轉子齒槽數Zs和Zr應為偶數。2、Zs≠Zr，但應盡量接近。因為當定子和轉子齒槽數相近時，就可能加大定子相繞組電感隨轉角的平均變化率，這是提高電機出力的重要因素。常用極數關系：Zs=Zr+2相數關系：m=Zs/2相數3456789定子極數681012141618轉子極數46810121416步進角(度)3015964.283.212.5SR電機常用方案相數與轉矩、性能關系：相數越多，轉矩脈動越小，但成本越高，故常用三相、四相，還有人在研究兩相、單相SRM低于三相的SRM沒有自起動能力SRD特點：1)電動機結構簡單、成本低、適用于高速,開關磁阻電動機的結構比通常認為最簡單的鼠籠式感應電動機還要簡單。2)功率電路簡單可靠因為電動機轉矩方向與繞組電流方向無關，即只需單方向繞組電流，故功率電路可以做到每相一個功率開關。SRD特點：3)各相獨立工作，可構成極高可靠性系統

從電動機的電磁結構上看，各相繞組和磁路相互獨立，各自在一定軸角范圍內產生電磁轉矩。而不像在一般電動機中必須在各相繞組和磁路共同作用下產生一個圓形旋轉磁場，電動機才能正常運轉。4)高起動轉矩，低起動電流

控制器從電源側吸收較少的電流，在電機側得到較大的起動轉矩是本系統的一大特點。

（SR:0.4IN,1.4TNIM:6-7IN,2-3TN）SRD特點：5)適用于頻繁起停及正反向轉運行SRD系統具有的高起動轉矩，低起動電流的特點，使之在起動過程中電流沖擊小，電動機和控制器發熱較連續額定運行時還小。6)可控參數多，調速性能好控制開關磁阻電動機的主要運行參數和常用方法至少有四種:相開通角,相關斷角,相電流幅值,相繞組電壓。7)效率高，損耗小SRD系統是一種非常高效的調速系統。8)可通過機和電的統一協調設計滿足各種特殊使用要求。9)缺點：轉矩脈動、振動、噪聲但可通過特殊設計克服SRD特點：

7-2SRM的分析及其控制策略

7-2-1SR電機基本方程不計磁滯、渦流及繞組間互感時，m相SR電機系統示意圖J—轉子與負載的轉動慣量D—粘性摩擦系數TL—負載轉矩電路方程第k相繞組的相電壓平衡方程:電路方程所以：電阻壓降變壓器電動勢運動電動勢(轉子位置改變)機械方程：電磁轉矩：磁共能的表達式為：Y-iSR電機的瞬時電磁轉矩Te可由磁共能Wc導出：SR電機的平均電磁轉矩Tav7-2-2簡化線性模型線性模型：不計磁路飽和，假定繞組電感與電流無關，此時電感只與轉子位置有關1023045

SR電機相電感隨轉子位置變化stator=1位置rotor轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置1stator=0o位置rotor定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合=0ostator=2位置rotor轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置2stator=3位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置rotor3stator=4位置rotor轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置4stator=5位置rotor轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置51023045

=0定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合1(5)轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置2轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置3轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置4轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置SR電機繞組電感的分段線性解析式：K=(Lmax-Lmin)/(3-2)=(Lmax-Lmin)/s特征：隨定、轉子磁極重疊的增加和減少，相電感在Lmax和Lmin之間線性地變化。Lmin為定子磁極軸線對轉子凹槽中心時的電感,Lmax定子磁極軸線對轉子磁極軸線的電感。相電流解析分析第k相繞組模型續流結束角on<2:在電感上升前開通，迅速建立電流，以獲得足夠轉矩>2:電感上升，使繞組電流下降off<3:在電感達最大之前，繞組關斷，繞組續流。3<z<4(θz=2θoff-θon)在電感下降之前，續流結束。否則會產生反向轉矩典型電流波形為避免繁瑣計算，又近似考慮磁路的飽和效應，常借助準線性模型：將實際非線性磁化曲線分段線性，且不考慮磁耦合兩段線性處理：一段為飽和段，視為與=0的位置的磁化曲線平行,斜率為Lmin；一段為非飽和段，為L(,i)的不飽和段。7-2-3準線性模型分析實際磁化曲線分段線性磁化曲線i1SR電機控制策略：*基速以下，電流斬波控制(CCC)，輸出恒轉矩可控量為：Us、on、off控制法1：固定on,off，通過電流斬波限制電流，得到恒轉矩控制法2：固定on,off，由速度設定值和實際值之差調制Us，進而改變轉矩*基速以上，角度位置控制(APC)，輸出恒功率SR電機的典型轉矩-轉速特性7-3功率開關電路功率變換器是直流電源和SRM的接口，起著將電能分配到SRM繞組中的作用，同時接受控制器的控制。

由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因此只需要單極性供電的功率變換器。功率變換器應能迅速從電源接受電能，又能迅速向電源回饋能量。對功率變換器主電路的要求

（1）較少數量的主開關元件；（2）可將全部電源電壓加給電動機相繞組；（3）主開關器件的電壓額定值與電動機接近；（4）具備迅速增加相繞組電流的能力；（5）可通過主開關器件調制，有效地控制相電流；（6）能將能量回饋給電源。7-3-1主電路常見形式1、雙開關型每相有兩只主開關和兩只續流二極管。當S和S1同時導通時，電源Us向電機相繞組A供電；當S和S1同時關斷時，電流經VD1和VD2續流，將磁場儲能以電能形式迅速回饋電源，實現強迫換相。雙開關型電路特點：1）適用于任意相數SR電機2）相控獨立性：獨立3）相電壓=電源電壓4）器件數量多

三相SR電機常采用雙開關型主電路雙開關型主電路又稱為不對稱半橋型主電路雙繞組型電路特點主開關S1導通時，電源對主繞組A供電；當其關斷時，靠磁耦合將主繞組A的電流轉移到副繞組，通過二極管D1續流，向電源回饋電能，實現強迫換相。早期使用的雙繞組結構，每相有主、副兩個繞組，主、副繞組雙線并繞，同名端反接，其匝數比為1：1。2、雙繞組型

缺點：1）由于主、副繞組之間不可能完全耦合，在S1關斷的瞬間，因漏磁及漏感作用，其上會形成較高的尖峰電壓，故S1需要有良好的吸收回路。2）由于采用主、副兩個繞組，因而電機槽及銅線利用率低。銅耗增加、體積增大。優點：適用于任何相數的SRM，尤其適宜于低壓直流電源供電場合3、電容分壓型（電源分裂式）兩個相串聯的電容C1和C2將電源電壓一分為二,構成中點電位。每相只有一個主開關S和一只續流二極管D。

當S1導通時，上側電容C1對A相繞組放電，電源對A相供電，經下側電容C2構成回路；當S1關斷時，A相電流經D1續流，向下側電容C2充電。

電容分壓型電路的特點1）只適用于偶數相SR電機2）主開關數較少3）相控獨立性：不獨立4）電源利用率低，每相電壓為電源電壓的1/2。5）需限制中點電位漂移4、H橋型

該變換器比四相電容分壓型功率變換器主電路少了兩個串聯的分壓電容，換相相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導通相繞組，引起中點電位的較大浮動。它要求每一瞬間必須上、下各有一相導通。工作制：AB-BC-CD-DAH橋型電路的特點1）只適用于4的倍數相SR電機2）主開關數較少3）相控獨立性：不獨立4）相繞組電壓浮動5）本電路特有的優點:可以實現零壓續流，提高系統的控制性能。H橋型電路為4相SR電機最常用的主電路形式7-3-24相SR電機主電路工作方式4相8/6極SR電機主電路7-4位置檢測與換相邏輯7-4-14相8/6極SR電機光電傳感器靜止部分運動部分紅外發光二極管、光敏三極管、輔助電路與SRM轉子同軸安裝的遮光盤、遮光盤有6個30o間隔的齒位置檢測4相SR電機位置傳感器安裝示意圖定子上安裝兩個相距75o的光敏器件S、P,分別與定子極中心線成37.5o夾角。可輸出兩路相差15o、占空比為50%的方波信號將其組合為4種不同狀態，代表定子繞組4種不同參考位置位置信號檢測電路原理圖VG為光耦，R1、R2限流電阻，兩個非門對輸出信號進行整形，以消除毛刺和上升沿、下降沿。光電耦合器件位置1：0o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為A、B兩相導通位置傳感器信號：S未遮，輸出高電平，持續15o。P被遮，輸出低電平，持續30o。位置2：轉過15o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為B、C兩相導通位置傳感器信號：S被遮，輸出低電平，持續30o。P被遮，輸出低電平，持續15o。位置3：轉過30o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為C、D兩相導通位置傳感器信號：S被遮，輸出低電平，持續15o。P未遮，輸出高電平，持續30o。位置4：轉過45o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為D、A兩相導通位置傳感器信號：S未遮，輸出高電平，持續30o。P未遮，輸出高電平，持續15o。位置5：轉過60o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為A、B兩相導通位置傳感器信號：S未遮，輸出高電平，持續15o。P被遮，輸出低電平，持續30o。定、轉子相對位置同位置1，60o一周期。正轉邏輯關系逆時針旋轉SP導通相10AB00BC01CD11DA10AB反轉邏輯關系SP導通相00AD10DC11CB01BA00AD7-4-23相12/8極SR電機3相12/8極SR電機位置傳感器示意圖三個光耦，依次相隔15o安裝產生占空比為50%、依次相差15的三個信號合成六個不同狀態，代表電動機繞組不同參考位置光耦輸出信號與轉子位置關系7-5SRD控制器簡介7-5-1SRD系統組成SRD系統組成部分:SR電機、功率電路、控制電路、檢測電路在工程上控制器指功率電路+控制電路+檢測電路7-5-2功率電路SR電機可由蓄電池或整流電源供電，一般SR電機的功率電路包括：整流電路+逆變電路電源選擇：一般1.5kW及以下采用單相電源供電，2.2kW以上為三相電源整流電路：單相橋式、三相半波、三相橋式整流電路的直流側：加電解電容（低通濾波）和高頻無感電容濾波。1）整流電路2）常見逆變電路類型三相SR:不對稱半橋型（雙開關型）四相SR:H橋型功率開關器件：IGBT（中小容量）3）功率開關器件及其驅動常見驅動電路：Exb840/841、Exb850/851、TLP2507-5-3控制電路至功率電路輸入接口1輸入接口2輸出接