开关磁阻电机及其调速系统Word格式.docx
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开关磁阻电机及其调速系统Word格式.docx
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然而目前SRM还存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性等缺点,所以,它的广泛应用还受到限制。
2.2开关磁阻电机的基本结构与特点
开关磁阻电机为定、转子双凸极可变磁阻电机。
其定、转子铁心均由硅钢片
叠压而成,定、转子冲片上均冲有齿槽,构成双凸极结构。
按照定、转子的齿槽的多少,形成不同极数的开关磁阻电机。
为避免单相磁拉力,径向必须对称,故定子极数和转子极数应该为偶数。
一般来说,极数和相数越多,电机转矩脉动越小,运行更平稳,但同时也增加了电机的复杂性,特别是功率电路的成本提高。
图2.1是三相(6/4)SR电机结构原理图。
转子无绕组,也无永磁体,定子极上有集中绕组,并根据对应磁极的绕组相互串联,形成A、B、C三相绕组。
其运行原理遵循“磁阻最小原理”一一磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合,而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时,必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。
当某相绕组通电时,就产生一个使邻近转子极与该相绕组轴线重合的电磁转矩,顺序对三相绕组通电(如A-B-C-A),则转子可连续转动,改变通电的次序,可改变电机的转向,控制通电电流的大小和通断时间,则可改变电机的转矩和速度。
可见,SR电动机的转向与相绕组的电流方向无关,而仅取决于相绕组通电的顺序。
因此,如果发动机采用开关磁阻电机驱动,我们只需加一些简单的电路设备和控制SR电机相绕组通电的顺序、相绕组通电电流的大小和通断时间,就可以完成对发动机的起动、助力、减震和制动的控制。
从图2.1所示的三相(6/4)结构SR电机,我们可以知道该电机转子极距角齐
为90°
。
由于有三相绕组,故每相通电断电一次转子对应的转角:
p(称为步距角)应为30°
每转步数Np为12。
对任意极数相数的开关磁阻电机,这一关系通常表示为:
(Nr是转子极数,m为相数)
Nr
(2-1)
ot
由于SR电机每转过转角:
-p,对应绕组通电切换一次,所以电机每转过一转,绕组通断切换Np次。
当电机以转速n(r/min)转动时,电机绕组的总通断切换频率为
fnmNr(2-4)
60
每相绕组通断切换频率为
fnNr(2-5)
「•也是对应功率电路每个功率器件的开关频率。
由于三相6/4极开关磁阻电机是可双向自起动、最少极数、最少相数的电机,故经济性较好,但转矩脉动较大。
由于同样转速时要求功率电路开关频率最低,因此特别适合用作高速电机。
我们这里也主要以这种结构的SR电机作为研究对象。
开关磁阻电机综合了交流电机和直流电机的优点,由它构成的驱动系统在电机本体结构、变换器型式以及控制方式上都与众不同[10]。
开关磁阻电机的主要特点如下:
(1)转子上无任何绕组,结构简单,可高速旋转而不致变形;
电动机转子转动惯量小,易于加、减速。
定子上只有集中绕组,端部较短,没有相间跨接线,因而具有制造工序少、成本低、工作可靠、维修量小等优点。
(2)转矩方向与相电流极性无关,只需单向电流励磁。
只要控制主开关器件的导通角度,即可改变电动机的工作状态,实现四象限运行。
故可减少SR电机功率变换器的开关器件数,降低系统成本,提高了系统的可靠性。
(3)定子线圈嵌装容易,端部短而牢固,热耗大部分在定子,易于冷却;
转子无永磁体,可有较高的最大允许温升,能适应恶劣的工作环境。
(4)调速范围宽,控制参数多、控制方式灵活,在宽广的转速和功率范围内均具有咼输出和咼效率。
(5)电机的振动和噪声大于一般电机,且电机和功率器件的连线较多,这是SR
电机较为突出的缺点
但应该指出,与转矩脉动达100%的单相异步电动机相比,SR电动机的转矩脉动并不算很大。
只要根据SR电机的动态性能,采取合适的控制技术,SR电机调速系统转矩脉动的大幅减小是可能的。
至于噪声问题,据有关文献报道,SR电动机采用合适的定子压装技术,加上适当的控制,其在满载和空载情况下,整个转速范围内的噪声水平可以做到比具有代表性的、高质量的PWM异步电动机在满载下的噪声水平更优良。
2.3开关磁阻电机的数学模型
建立SR电机数学模型的主要困难在于,电机的磁路饱和、涡流、磁滞效应等产生的严重非线性,加上运行时的开关性和受控性,使电机内部的电磁关系十分复杂,难以建立与常规电机那样规范的数学关系。
考虑到列出一个精确的数学模型,计算相当繁琐,但其所有电磁过程仍然符合电工理论中的基本定律,因此,在如下假设的基础上我们以准线性模型为主进行分析:
(1)主电路电源的直流电压(土Us)不变;
(2)半导体开关器件为理想开关,即导通时压降为零,关断时电流为零;
(3)忽略铁心的磁滞和涡流效应,即忽略铁耗;
(4)电机各相参数对称,每相的两个线圈作正相串联,忽略相间互感;
(5)在一个电流脉动周期内,认为转速恒定。
准线性模型是为了近似考虑铁心磁阻以及饱和效应、边缘效应的影响,将非线性特性分段线性化,用解析式来计算和分析SR电机的性能,确定其控制方案[11]。
SR电机的数学模型等式如下:
d:
j/dt=-rijvj
(2-6)
d,/dt二(Te-「)/J
(2-7)
d^/dt=■
(2-8)
'
■j=L^,ij)ij
(2-9)
Te
(2-10)
上式J=1、2、3代表了图2.1中SRM的三相,r是每相的相电阻,Vj,ij,j
代表j相的相电压、相电流、相磁链。
Te是电机的电磁扭矩,T|是负载扭矩。
在任意时刻,电机扭矩是所有三相扭矩之和:
Te八TjG,ij)(2-11)
2.3.1开关磁阻电机的转矩分析
图2.2磁共能与电流、转子位置变化关系
如图2.2所示,当A相单独通电时,设相电流为iA,转子位置为二,则磁共
ia
能为W=(Wdt(2-12)
其中*-iL(二i),则根据电磁场的基本理论可知,开关磁阻电机的电磁转矩
的数学表达式为:
|i±
onst
(2-13)
定义电磁转矩方向与转子运动方向一致时为正,如图2.2所示,电机从当
前磁状态出发,当转子有虚位移时,由(2-13)式可以得到电磁转矩如下:
此时电机输出的电磁转矩为正值,即电磁转矩方向与转子运动方向一致,电
机工作在电动状态[12]。
当电机从当前磁状态出发,当转子有虚位移-「宀时,由
(2-13)式可以得到电磁转矩如下:
式中负号表示此时电磁转矩方向与转子运动方向相反,即电机工作在再生制
动状态,机械能转换为电能通过续流电路反馈给电源。
假设开关磁阻电机的电感
为线性的,即电感值不随电流大小变化仅为转子位置的函数:
L(n)i。
磁
共能和电磁转矩可以分别表示为:
12
WLi2(2-16)
2
Ter》2丄(2-17)
从式(2-17)我们可以知道,随转子位置而变化的相电感是产生扭矩的重要因素。
磁路电感随着转子极逐渐与定子极重叠而相应增加;
电感随着转子极移出
重叠区而减小。
由以上分析可得如下结论:
(1)电机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化BL/渕产生的,当磁导
变化:
:
L/门大时,转矩也大。
若磁导的变化率为零,则转矩也为零。
(2)电磁转矩的大小同绕组电流i的平方成正比,因此,可以通过增大电流有效地增大转矩。
(3)在电感曲线的上升段,通入绕组电流产生正向电磁转矩;
在电感曲线的下降段,通入绕组电流产生反向电磁转矩。
在电机向不同方向转动时,仅通过改变绕组通电时刻便能实现正向电动、反向电动、正向制动和反向制动状态的全部四象限运行。
上述转矩的大小与方向均与绕组电流方向无关。
(4)电机的平均扭矩Tav为正、反向转矩的平均值:
1t
Tav匚[Td日(2-18)
当正向扭矩为主时,平均转矩为正,反之为负。
(5)虽然上述分析是在一系列假设条件下得出,但它对了解电机的基本工作原理,对定性分析电机的工作状态及转矩产生是十分有益的。
2.3.2开关磁阻电机的电流分析
由于SR电机存在严重的饱和效应和边缘效应,'
■j作为电流i和转子位置角二的非线性函数,一般没有解析式,故为非线性模型。
由图2.3,当SR电机由恒定直流电源Us供电时,由于绕组电阻压降rij与
d「/dt相比很小,否则电机的效率就不会很高,故可忽略电阻压降,并且由此
相绕组电感随角位置变化曲线及对应的电动、制动运行相电流波形
图2.3开关磁阻电机驱动系统构成原理图
引起的误差不会超过线性化假设带来的误差。
根据式(2-6),整理可得
Us=d'
,/dt=L—i—=L—■:
i—(2-19)
dtdtdt二
根据图2-4,我们可以将式(2-19)分别写成电动和发电模式[13]:
图2.4
(2-20)
电动:
U
其中丄裁<0,Nr代表转子极数。
对式(2-20)、(2-21)进行求解,设
ri
刑)=警],电流可大致表示为:
-d°
一
im(t)=(Us)(1—尸)
mdLG)
©
dr
这个等式清楚地告诉我们,对于给定转速和电压,电动状态下和发电状态下的电流波形是对称的。
电动状态即SRM下反电动势限制相电流的上升;
而在发电状态即SRG下反电动势在关断以后反而会促进电流的上升。
因而,电动状态下
仅仅通过开通角就可以决定相电流的最大值,而发电时相电流的最大值与开通角和关断角都有关系。
2.4开关磁阻电机的基本控制原理
对于给定的开关磁阻电机,在最高外施电压Us、允许的最大磁链max与最
大电流imax条件下,存在一个临界角速度b,它是SF电动机能得到最大转矩的最
高角速度。
这一临界角速度--b称为“基速”。
显然,基速■-b也就是SR电动机能得到最大电磁功率的最低角速度。
根据SR电机的基本运行原理可知,通过控
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- 开关 磁阻 电机 及其 调速 系统