开关磁阻电机讲座

发表人：李珍国(韩国庆星大学)[Lizhenguo(Kyungsunguniv.)][e-mail]-目录–™开关磁阻电动机的工作原理™国内、外开关磁阻电机的研究现状及展望™开关磁阻电动机的最新控制技术新一代电动机的开发与应用前景开关磁阻电机的工作原理¾开关磁阻电机的结构原理图-定转子双凸极结构SRM的结构-定子各极上绕有集中线圈-转子上无绕组，无永磁铁，仅有叠片叠压而成-按照“磁阻最小化原理”，产生磁阻电磁转矩-按转子位置给定子绕组逐次供电，以便旋转A相B相C相12/8极SRM¾SwitchedReluctanceMotor（SRM）Page16/6极SRM开关磁阻电机的工作原理SRM的结构Page2开关磁阻电机的工作原理¾开关磁阻电机的特点-电气及机械结构简单、坚固，制造工艺简单（可媲美于感应电机）SRM的特点-需要专门的驱动电路，也因此容易实现多功能-损耗主要产生在定子端，因此驱动系统的效率高（相对于感应电机）-电机的制作成本低，因此其经济性能好-起动转矩大，低速性能好-调速范围宽(可工作于达几万rpm转速）)-在宽领域内的调速范围内，控制灵活，易于实现各种转矩－速度特性-可四象限运行，具有再生制动能力-噪音，振动大（缺点）Page3开关磁阻电机的工作原理¾开关磁阻电机的电感曲线（InductanceProfile）SRM的电感曲线Page43相6/4SRM的InductanceProfile一例①②③④开关磁阻电机的工作原理¾开关磁阻电机的理想情况下的电感、电流及转矩SRM的理想转矩Page5开关磁阻电机的工作原理¾考虑电流变化时间考虑电流变化时间Page6ad②①③：开通角：关断角领域①：确保电流领域②：产生转矩领域③：消磁：导通角（dwell角）：advance角开关磁阻电机的工作原理¾开关磁阻电机的驱动系统SRM的驱动系统Page7-SRM设计-SRM驱动电路-SRM控制算法-SRM位置检测开关磁阻电机的工作原理¾开关磁阻电机的数学模型SRM的数学模型Page8②ad①③领域①：领域③：与领域②相同dtdiLiRdtdiRVphoffphphphph+⋅=+⋅=λ领域②：phrmiphiphphiphiphphphphiLdtdiLiRidtdLdtdiLiRdtdiRVωθλθθθθ∂∂++⋅=++⋅=+⋅=),(),(),(),(-电压方程-转矩方程rmphiphiphphphiLiLdtdiRiVωθθθ2),(2),(22121∂∂+⎟⎠⎞⎜⎝⎛+⋅=⋅2),(21phiphiLTθθ∂∂=∑=phtotalTT开关磁阻电机的工作原理¾开关磁阻电机的驱动电路（功率转换器）SRM的驱动电路Page91.不对称桥式转换器（Asymmetricbridgeconverter）aibici开关磁阻电机的工作原理SRM的驱动电路Page10模式1模式分析：模式2模式3开关磁阻电机的工作原理SRM的驱动电路Page112.双绕线组转换器（Bifilar-windingconverter）模式1模式2开关磁阻电机的工作原理SRM的驱动电路Page123.电源分裂转换器（Split-sourceconverter）模式1模式2开关磁阻电机的工作原理SRM的驱动电路Page134.C-dump转换器（C-dumpconverter）模式1模式2Q1模式3模式4开关磁阻电机的工作原理¾开关磁阻电机的控制算法SRM的控制算法Page141.驱动系统一例开关磁阻电机的工作原理SRM的控制算法Page152.1单一脉冲方式（single－pulse）2.电压调节开关磁阻电机的工作原理SRM的控制算法Page162.2软斩波方式（Softchopping）开关磁阻电机的工作原理SRM的控制算法Page172.3硬斩波方式（hardchopping）开关磁阻电机的工作原理SRM的控制算法Page183.电流控制开关磁阻电机的工作原理SRM的控制算法Page193.角度控制正常运行时负载减小时负载增大时国内外开关磁阻电机的研究现状与展望¾开关磁阻电机的历史-开关磁阻电机的名称源于1969年Nasar教授（美国）所写的一篇论文SRM的历史-到了1980年，Lawrenson（英国）-它的发展得益于电力电子、微电脑及控制技术的迅猛发展-因具有结构简单、运行可靠及效率高，Page202个基本特征：连续的开关工作模式，磁阻性Nasar教授所提的SRM发表了系统化的研究结果，并以此开始有了现在的应用研究和实用化。所以成为交、直流电机调速系统的强有力的竞争者国内外开关磁阻电机的研究现状与展望¾开关磁阻电机的应用-广泛或开始应用于工业、航空业和家用电器各个领域SRM的应用Page21主要有：排风机、空调、洗衣机、电动车、各种搬运机器驱动洗衣机的磁阻电机（LG电子）用于油压泵的磁阻电机（智成精工）驱动冰箱线性压缩机的磁阻电机（三星）国内外开关磁阻电机的研究现状与展望¾开关磁阻电机的研究与趋势-从早期的针对驱动系统、控制方式及convertertopology的研究SRM的研究Page22到最近的针对高效率、低噪音化及应用性研究-具体为sensorless控制、为实现低噪音化的励磁方式、单相结构的应用、电动车方面的应用、利用新型磁路结构的SRM设计减小转矩脉动的控制方式和switchingtopology¾单相电机的功率因数改善（PowerFactorCorrection－PFC）PFCPage23因滤波电容的容量大，所以电容两端的电压变化小，而输出转矩脉动小，但电源侧电流流通时间少，而功率因数低，效率减小。1.研究背景开关磁阻电机的最新控制技术-1PFCPage24已有功率因数改善常用方法新提出的方法2.新旧方法SRMSourceEnergyEnergyCapacitorUQDQDDUD1D2D3D4Dsisv+−SRMCmiFQcv+−开关磁阻电机的最新控制技术-1PFCPage25放电电流励磁模式输入电流励磁模式能量回收模式电源充电模式3.模式分析sv+−si1D2D3D4DUQDQDDUDSRMmiCFQcv+−1isv+−2i1D2D3D4DUQDDDQUDFQmiSRMCcv+−sv+−si1D2D3D4DUQDDDQUDFQmiSRMCcv+−3isv+−4i1D2D3D4DUQDDDQUDFQmiSRMCcv+−开关磁阻电机的最新控制技术-1PFCPage264.只谋求改善功率因数tωtωtωtωonθoffθnmiθonθoffθnmiθ6000rpm,loadSwitchingtopology开关磁阻电机的最新控制技术-1PFCPage275.综合考虑功率因数和转矩脉动Switchingtopology开关磁阻电机的最新控制技术-1PFCPage286.仿真结果开关磁阻电机的最新控制技术-1PFCPage297.实验系统开关磁阻电机的最新控制技术-1PFCPage308.实验结果9000rpm6000rpm开关磁阻电机的最新控制技术-1PFCPage319.功率因数改善效果分析Loadandnoloadwithexperiment.][radonθ]10[3rpmrmω11cosϕssIIPF=电流中基波分量的有效值电流的有效值(含高次谐波)基波的功率因数开关磁阻电机的最新控制技术-1PFCPage3210.转矩脉动减小效果分析恒定速度恒定导通角恒定电容值开关磁阻电机的最新控制技术-1¾高速运行高速运行Page33因电机高速运行，而确保所需电流时间和消磁时间会减小。为此本研究提出了解决这个问题的新的驱动电路－4－levelconverter1.研究背景rmadphphLViωθmin=开关磁阻电机的最新控制技术-2Page342.新旧电路aibiciaibici提出的4－levelconverter高速运行开关磁阻电机的最新控制技术-2Page353.模式分析快速励磁模式一般励磁模式一般减磁模式快速减磁模式高速运行aiaiaiai开关磁阻电机的最新控制技术-2Page364.Switchingtopology高速运行一般励磁模式＋一般减磁模式快速励磁模式快速减磁模式开关磁阻电机的最新控制技术-2Page375.驱动系统方框图及实验装置高速运行开关磁阻电机的最新控制技术-2Page386.实验结果高速运行4－levelconverter非对称桥式converter开关磁阻电机的最新控制技术-2¾直接瞬时转矩控制（DITC）DITCPage39通过一般的控制方法驱动SRM时，转矩为离散或脉动大。为此本研究提出了从根本上解决这个问题的新的算法－DirectInstantaneousTorqueControl1.研究背景aibici（DITC）开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage402.DITC算法CBAtotTTTT++=合成转矩是连续且恒定的根据电感的变化特性根据电感的变化特性把每相导通区间分把每相导通区间分33个部分个部分理想的电流和转矩波形开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage413.DITC系统的方框图estTPhase(K-1)Phase(K)(1,1)(-1,0)10-1-11Phase(K-1)Phase(K)(1,1)(-1,-1)10-1-11Phase(K-1)Phase(K)(-1,1)10-1-11(0,-1)*refTθ00.20.40.60.811.21.41.6051015202530354045-3-2-10123RotorpositionindegreePhasecurrentinAPhasetorqueinNmreω开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage424.转矩的实时计算－通过查找相电流、转子位置、磁通与转矩的look－table－通过把电感Profile模型化后，利用转矩公式求取－通过自适应控制00.20.40.60.811.21.41.6051015202530354045-3-2-10123RotorpositionindegreePhasecurrentinAPhasetorqueinNmθ开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage435.相开关状态的设定aibici状态1状态0状态－1开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage446.利用二维磁滞环来实现随转矩偏差决定的相开关状态开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage457.DITC仿真结果开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage468.DITC实验系统开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage479.DITC实验结果开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage4810.DITC在4－levelconverter上的应用aiaiaiai状态1状态0状态－2状态2(1)相开关状态的设定开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage49(2)二维磁滞环开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage50(3)效率的提高开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage51(4)动态性能的提高开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage52(5)实验结果-1开关磁阻电机的最新控制技术-3DITCPage53(6)实验结果-2开关磁阻电机的最新控制技术-3¾使用TSF(转矩分配函数)实现高效率的瞬时转矩控制TSFPage54已有的TSF形状是按照电感变化曲线来事先给定的。而且on/off角的设定对转矩脉动的影响非常大。以及此方面研究一般不涉及效率。1.研究背景aibici*mT*)(AmT*)(BmT*)(CmT*)(BmI*)(AmI*)(CmI)(AmI)(BmI)(CmIrmθTSFGeneratorSignalGate)(kmIΔ)(kmS)(AmS)(CmS)(BmSInverterCTSRMEncoderInverter为此本研究提出了不局限于特定SRM,又能提高效率的新的TSF。SRM的瞬时转矩控制一般通过对各相的转矩分配函数(TSF)来实现。开