chater4--开关磁阻电动机及其驱动技术(SRD)

第4章开关磁阻电机及其驱动控制系统(SRD)4.1SRM传动系统4.4SRM基本方程与性能分析4.3SRD的控制原理4.4SRD的功率变换器4.5SRD传动系统的反馈信号检测4.6SRD控制系统原理及其实现4.1SRD传动系统4.1.1SRD传动系统的组成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SR电动机定、转子实际结构SR电机结构与原理结构特点：1、双凸极结构2、定子集中绕阻、绕组为单方向通电3、转子无绕阻4.1.4运行原理：磁阻最小原理磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主磁场的轴线重合A-A’通电⃗1-1‘与A-A’重合B-B’通电⃗2-2‘与B-B’重合C-C’通电⃗3-3‘与C-C’重合D-D’通电⃗1-1‘与D-D’重合依次给A-B-C-D绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转12/8极三相开关磁阻电动机以不同的颜色表示磁场强弱，蓝色磁场最弱，绿色强当某一相通电时，磁极极尖处磁场强1、依次给A-B-C-A绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机的转向2、通电一周期，转过一个转子极距tr=360/Nr3、步距角qb=tr/m=360/(mNr)4、转矩方向与电流无关,但转矩存在脉动。5、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器一同使用。结论：4.1.3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)3015964.483.414.5SR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4.1.4SRD特点1)电动机结构简单、成本低、适用于高速,开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。2)功率电路简单可靠因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。SRD特点：3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，电动机才能正常运转。4)高起动转矩，低起动电流控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。（SR:0.4IN,1.4TNIM:6-7IN,4-3TN）SRD特点：5)适用于频繁起停及正反向转运行SRD系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。6)可控参数多，调速性能好控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种:相开通角,相关断角,相电流幅值,相绕组电压。7)效率高，损耗小SRD系统是一种非常高效的调速系统。8)可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。9)缺点：转矩脉动、振动、噪声但可通过特殊设计克服SRD特点：4.1.5SRD发展概况7.5kW、1500r/min几种调速系统性能比较航空工业家用电器机械传动精密伺服系统电动车4.1.6SRD的应用与研究动向应用SRD的研究方向SR电机设计研究：铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论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无轴承SR电机研究（磁悬浮）SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等4.4SR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D—粘性摩擦系数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: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)dtdLidtdiiLiLiRdtddtdiiiRUkkkkkkkkkkkkkkkkqqqq机械运动方程：LeTdtdDdtdJTqq22式中Te——电磁转矩；J——系统的转动惯量；K——摩擦系数；TL——负载转矩。电磁转矩：diiWci0),(q磁共能的表达式为：-iSR电机的瞬时电磁转矩Te可由磁共能Wc导出：qq),(iWTceqqdiTmNTrNerav/20),(2SR电机的平均电磁转矩Tav4.4.4基于理想线性模型的SR电动机分析线性模型：不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关，此时电感只与转子位置有关q10q2q3q0q4q5SR电机相电感随转子位置变化电工技术statorq=q1位置rotor转子凹槽后沿与定子磁极前沿相遇位置q1statorq=0o位置rotor定子磁极轴线与转子凹槽中心重合q=0ostatorq=q2位置rotor转子磁极前沿与定子磁极后沿相遇位置q2statorq=q3位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置rotorq3statorq=q4位置rotor转子凹槽后沿与定子磁极后沿重合位置q4statorq=q5位置rotor转子凹槽后沿与定子磁极前沿相遇位置q5q10q2q3q0q4q5q=0定子磁极轴线与转子凹槽中心重合q1(q5)转子凹槽后沿与定子磁极前沿相遇位置q2转子磁极前沿与定子磁极后沿相遇位置q3转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置q4转子凹槽后沿与定子磁极后沿重合位置SR电机绕组电感的分段线性解析式：---544max43max32min221min)()()(qqqqqqqqqqqqqqqqqKLLLKLLK=(Lmax-Lmin)/(q3-q2)=(Lmax-Lmin)/s特征：随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感在Lmax和Lmin之间线性地变化。Lmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感,Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感。相电流解析分析-zonzoffsoffonsUUqqqqqqqqqq,0uk第k相绕组模型续流结束角忽略电阻，相绕组电压方程：所以：而：=LidtdUSdidLdidLUsLiLidtdtdtdq相电流解析分析同时可以导出：-54243322200000qqqqqqqqqiKiKTTTKT为常数1)当q1qq2,L=Lmin,Us为+sdidLULidtdqsUdidLLiddqq因：L=Lmin,Us取+,则：minsUdiLdq又：i(qon)=0,所以，min()sonUiLqqq-当q1qq2时，2)当q2qqoff,L=Lmin+K(q-q2)，Us为+min2[()]sUCLKiqqq-积分得：min2min2min2[()]()()()sUdidLdiLiLKiKddddidiLKKiKdddidKiLKddqqqqqqqqqqqqq---由初始条件：i(q2)=Us(q2-qon)/(Lmin)确定C=Usqon/，所以,2)当q2qqoff时min2()()[()]sonUiLKqqqqq--在q2qqoff期间3)当qoffqq3,L=Lmin+K(q-q2)，Us为-min2(2)()[()]soffonUiLKqqqqqq---4)当q3qq4,L=Lmax，Us为-max(2)()soffonUiLqqqq--5)当q44qoff-qonq5,L=Lmax-K(q-q4)，Us为-max4(2)()[()]soffonUiLKqqqqqq----12min2min23min234max45max4()[()](2)()[()](2)(2)[()]sonsonoffsoffonoffsoffonsoffonULULKUiLKULULKqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqq------------开通角qonq2:在电感上升前开通，迅速建立电流，以获得足够转矩qq2:电感上升，使绕组电流下降qoffq3:在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。q3qzq4(θz=2θoff-θon)在电感下降之前，续流结束。否则会产生反向转矩典型电流波形不同开通角下电流波形特点：开通角越小，电流幅值越大，续流时间越长。不同关断角下电流波形变化趋势：结构一定，在θon和θoff不变时，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通过调整开关角和关断角也可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机的电磁转矩增大。影响绕组电流的因素：外加电源电压Us、角速度ωr、开通角θon、关断角θoff、最大电感Lmax、最小电感Lmin、定子极弧βs等。线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常借助准线性模型：将实际非线性磁化曲线分段线性，且不考虑磁耦合两段线性处理：一段为饱和段，视为与q=0的位置的磁化曲线平行,斜率为Lmin；一段为非饱和段，为L(q,i)的不饱和段。准线性模型分析实际磁化曲线分段线性磁化曲线i1准线性模型绕阻电感L(i,q):基于准线性模型，L(i,q)是可解析的，可以分别求出绕阻磁链与磁共能的分段解析式，由此得到SR电机的瞬时转矩的分段解析式：)21)((2minmax2min2222LLLUNmToffonoffSrav-----qqqqqq在相电流为理想平顶波的情况下，SR电机平均电磁转矩Tav的解析式当SR电动机运行在电流值很小的情况下，磁路不饱和，电磁转矩与电流平方成正比；当运行在饱和情况下，电磁转矩与电流的一次方成正比。这个结论可以作为制定控制策略的依据。1)qon是控制转矩的重要参数：一定时，若开通角qon较小，相电流直线上升时间较长，从而增大电流，提高转矩。2)在qon一定时，增大qoff,平均转矩也相应增大。但导通角qc=qoff-qon有一个最佳值，超过此值，qc增大，平均转矩反而减小。讨论：4.3SR电机的控制原理SR电机固有机械特性：F为以电机结构参数(m，Nr，q2，Lmax，Lmin)和控制参数(qon,qoff)为变量的函数/savUFT整理得：对一定电机，结构参数一定。如Us、qon、qoff一定，则电机的固有机械特性为：Tav=k/2P=k/恒转矩区恒功率区串励特性区CCC方式APC方式12qc固定oTSR电动机的基本机械特性SR电机的基速SR电机的固有机械特性类似与直流电机的串励特性。对给定SR电机，在最高电压Us和最大允许电流条件下，存在一个临界角速度。即SR电机得到最大转矩的最高角速度，称为基速。SR电机控制策略：*基速以下，电流斩波控制(CCC)，输出恒转矩可控量为：Us、qon、qoff控制法1：固定qon,qoff，通过电流斩波限制电流，得到恒转矩控制法2：固定qon,qoff，由速度设定值和实际值之差调制Us，进而改变转矩*基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率OiqIminImax设定电流上、下幅值的斩波图OiqImax设定电流上限和关断时间斩波图OiqPWM斩波调压控制的电流波