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图3磁阻电机结构图
1.3工作原理
开关磁阻电机的工作机理与磁阻(反应)式步进电动机一样,基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原理。
当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时,磁场就会产生磁拉力,形成磁阻转矩,使转子转到磁导最大的位置。
当向定子各相绕组中依次通入电流时,电机转子将一步一步地沿着通电相序相反的方向转动。
如果改变定子各相的通电次序,电机将改变转向。
但相电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。
1.4转速的计算
定子绕组为m相,定子齿数Ns=2m,转子齿数为Nr。
当定子绕组换流通电一次时,转子转过一个转子齿距。
这样定子需切换通电Nr次转子才转过一周,故电机转速n(r/min)与相绕组电压的开关频率f之间的关系为
(1)
(2)
给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率则为
(3)
1.5磁阻电机的优点
开关磁阻电机由于转子上没有绕组,定子线圈的端部又很短,不但制造方便,而且线圈的发热量小且容易散热,从而电磁负荷可以提高,电机利用系数可达异步电机利用系数的1.4倍,电机制造成本大为降低。
由于转子上无线圈,转动惯量小,具有较高的转矩/惯量比,所以特别适合于高速运行。
由于开关磁阻电机的转矩是靠定、转子的凸极效应产生,与绕组中所通电流极性无关,因此每相绕组中通入的可以是单方向的电流(脉冲),无须交变。
这样不但可使控制每相电流的功率开关元件数量减少一半,而且可以避免一般电压型逆变器中最危险的上、下桥臂元件直通的故障,不但显著降低控制装置的成本,而且大大提高了系统的安全可靠性。
1.6运行分析
开关磁阻电动机依靠定转子的凸极效应产生电磁转矩,其机理可以用相绕组电感L随转子位置变化的关系来说明。
如果忽略电机磁路饱和的影响,则相绕组电感与电流大小无关;
如不计磁场边缘扩散效应,则相绕组电感随转子位置θ的变化规律L(θ)将如图5-24所示,近似为一梯形波。
图4相绕组电感变化规律
1.7转矩特性
当开关磁阻电机由图5-23所示的电源供电时,如果电动机匀速旋转,可得
(4)
式中,等号右边第一项为平衡绕组中变压器电势的压降;
第二项为电阻压降;
第三项为旋转电势所引起的压降,它只有在电感随转子位置而变时才存在,其方向与电感随转子位置θ的变化率有关:
当电感随θ角的增大而增大时为正,当电感随θ角的增大而减小时为负。
旋转电势引起的压降为正表示吸收电功率,产生驱动转矩,输出机械功当旋转电势引起的压降为负则表示是发出电功率,产生制动转矩所以在开关磁阻电机中,为获得较大的有效转矩应避免产生制动转矩,在绕组电感开始随转子位置角θ的增大而减少时应尽快使绕组中电流衰减到零。
2开关磁阻电机的基本控制
2.1电流控制
从图5-28可见,功率开关的导通角对电机电流的影响很大,它是控制开关磁阻电机电流和转矩的主要手段。
随着α1的减小,电流直线上升阶段的时间
电流就显著增大,电机转矩相应增加。
功率开关的关断角α2则影响电源对电机相绕组的供电时间的长短和续流的过程,它对电机的转矩有直接的影响。
实用中多采用保持α2恒定而改变α1角的办法来控制开关磁阻电机的电流和转矩。
图5定子相电流有效值与α1、α2的关系
2.2转矩控制
在实际电机中,当定、转子齿相互对齐气隙比较小时磁路较饱和,需要将电机饱和磁化特性曲线作分段线性化,用所谓准线性化模型来计算电感,据此可较准确地求得开关磁阻电机的平均转矩
(5)
及电机输出功率
(6)
在开关角α1、α2不变的情况下,开关磁阻电机的转矩和输入电压Us的平方成正比,和转速的平方成反比,具有与串激直流电动机相仿的机械特性
在一定转速下提前导通功率开关,即减小α1角,可增加相电流直线上升时间,增大了电机的转矩
在α1一定的情况下,增加α2,使产生电磁转矩的区间增加,也可以使平均转矩增大。
但是α2过大时续流阶段可能会产生制动转矩,这是不利的一面。
2.3单四拍运行(每相通电
周期)
在这种运行方式中,电源向绕组供电的时间在1/4周期左右,再加上续流时间,整个通电过程中相绕组有可能均处在电感随转角而增长的环境中,电流能有效地产生电磁转矩。
图6开关磁阻电动机单四拍运行转矩脉动
2.3机械特性
开关磁阻电机低速运行时通电周期比较长,通常采用斩波(PWM)控制,通过改变设定电流的大小来控制输出转矩,实现恒转矩运行。
当电机进入较高速度后,功率开关导通时间缩短,电机达不到限流值,此时主要靠控制α1角实现恒功率特性。
当电机转速进一步升高后α1和α2已达到极限值,电机就进入恒定α1和α2的运行方式,电动机的转矩与转速平方成反比,呈现出串励电动机的机械特性。
开关磁阻电动机完整的机械特性如图所示
图7开关磁阻电动机机械特性
3.开关磁阻电动机的控制系统
开关磁阻电动机由于运行模式比较复杂,一般多采用微机数字控制,其结构框图如图5-34所示,其中较为特殊的部分是它的位置检测系统和功率变换器。
图8开关磁阻电机控制系统结构框图
3.1位置检测系统
开关磁阻电动机中为准确地控制定子绕组通电时刻(相位),需要在电机轴端安装一个转子位置检测器,作为相位控制的定位基准信号。
图是A、B、C、D四相绕组的功率开关正、反序通电时P、Q两个转子位置传感元件的输出信号波形
图9位置检测信号及组合逻辑
3.2功率变换器
功率变换器在系统中的作用主要有:
(1)起开关作用使相绕组及时通、断,保证电机产生预期的转矩
(2)为电机系统提供能源
(3)组储能提供回馈路径
3.3主电路
主电路每组只用一个功率开关和一个续流二极管,但它的电源电压为电机相电压的二倍,致使开关元件的电压定额成倍提高。
图10四相开关磁阻电动机原理接线图
4.开关磁阻电机的特点及应用前景
开关磁组电动机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突起,主要是因为它卓越的系统性能,主要表现在:
●结构简单;
电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。
●电路可靠;
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,即只需单方相绕组电流,故功率电路可以做到每相一个功率开关。
对比异步电动机绕组需流过双向电流,向其供电的PWM变频器功率电路每相需两个功率器件。
因此,开关磁阻电动机调速系统较PWM变频器功率电路中所需的功率元件少,电路结构简单。
●系统可靠性高;
系统可靠性高。
从电动机的电磁结构上看,各项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旋转磁场,电动机才能正常运转。
●起动优点;
起动转矩大,起动电流低。
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。
●频繁起停;
适用于频繁起停及正反向转换运行。
本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要小。
●性能好;
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:
相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。
●效率高损耗小;
效率高,损耗小。
本系统是一种非常高效的调速系统。
这是因为一方面电动机绕组无铜损;
另一方面电动机可控参数多,灵活方便,易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。
由于SR电动机的调速性能好、调速范围宽、效率高、成本低等优点,性能上可以与变频调速感应电动机媲美,在性能价格比上可以与无刷电流调速电动机竞争。
因此,开关磁阻电动机可以当通用调速电机使用,诸如在纺织、染整、食品机械、鼓风机、机床及自动生产线等行业应用[5]。
此外,开关磁阻电动机还可以应用于电动车驱动、家用电器。
在船只驱动上使用开关磁阻电动机可以避免机油、汽油、柴油对水域的污染,还可以减少噪声污染。
开关磁阻电动机及其调速系统正处于快速发展阶段,虽然在一些理论和实践问题上还有待深化,但随着电子、微电子技术的发展,开关磁阻电动机一定会展现越来越强大的生命力,应用在更多的领域。
5.仿真
图11MATLAB仿真图
位置-时间曲线(θ*=0)转速-时间曲线(θ*=0)
位置-时间曲线(θ*=0.2)转速-时间曲线(θ*=0.2)
位置-时间曲线(θ*=0.5)转速-时间曲线(θ*=0.5)
位置-时间曲线(θ*=1)转速-时间曲线(θ*=1)
位置-时间曲线(θ*=2)转速-时间曲线(θ*=2)
位置-时间曲线(θ*=3)转速-时间曲线(θ*=3)
位置-时间曲线(θ*=4)转速-时间曲线(θ*=4)
位置-时间曲线(θ*=5)转速-时间曲线(θ*=5)
位置-时间曲线(θ*=6)转速-时间曲线(θ*=6)
位置-时间曲线(θ*=7)转速-时间曲线(θ*=7)
位置-时间曲线(θ*=10)转速-时间曲线(θ*=10)
6.结论
通过以上MATLAB对电机得仿真研究,我们可以知道,开关磁阻电机的反应速度较快,最终能达到我们需要的转速,可靠性较高。
参考文献
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