开关磁阻电机的基本了解.docx
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开关磁阻电机的基本了解
开关磁阻电机的基本了解
开关磁阻电机的基本学习内容
1开关磁阻电机的基本原理以及结构
开关磁阻电动机(SwitchedReluctanceMotor,简称SRM)定转子为双凸极结构,铁心均由普通硅钢片叠压而成,其定子极上有集中绕组,径向相对的两个绕组串联构成一相,转子非永磁体,其上也无绕组[1,3]。
SRM的定转子极数必须满足如下约束关系:
(1-1)
其中,Ns,Nr分别为电机定、转子数;m为电机相数值减1;k为一常数。
以下图1-1所示一个典型四相8/6极SRM为例,相数为4,因而m=3,取k=1,则Ns=6,Nr=8。
m及k值越高,越利于高控制性能控制,但相应成本越高,结构越复杂。
目前技术较为成熟,发展较为迅速的产品多为三、四相SRM[2]。
图1-1即为一典型四相8/6结构的SRM电机本体及其不对称功率变换器主电路的示意图(图1-1在末尾手画)。
为表述清晰,图中仅画出不对称半桥电路的一相,其他各相均与该相相同,并省略了相应的驱动及检测电路。
完整的开关磁阻电机调速系统(SwitchedReluctanceMotorDrive,简称SRD)则由SRM、功率变换器、控制器、位置检测器等四大部分组成,如下图1-2示。
SRM可以认为是同步电机的一个分支,它运行时遵循磁阻最小原理,同步进电机较为类似[2,30]。
其具体运行原理如下:
首先要保证励磁相的定子凸极和最近的转子凹极中心线不重合,也即初始位移不能位于磁阻最小位置。
通以交流电后,经过一个整流桥变为直流电源,当开关S1和S2开通时,AA’相通电励磁,产生一个磁拉力。
在该电磁力的轴向分量作用下,产生电磁转矩,凸极转子铁心趋向于旋转到定转子极轴线B-B’与A-A’重合的位置;而电磁力的径向力分量则造成定子的“变形”,这也是产生转矩脉动和电机噪声的根本原因之一。
在该过程中电机吸收电能。
关断S1和S2,开通BB’相,此时AA’相经续流二极管VD1、VD2将电能回馈给电源,同时BB’相趋向运行到定转子极轴线C-C’与B-B’重合的位置。
以此类推,顺次给A→B→C→D相循环励磁,在惯性和轴向力的作用下,转子将一直逆着励磁顺序旋转,从而完成自同步运行。
同理若改变励磁顺序为C→B→A→D,则转子沿顺时针方向转动。
由此可以看出,SRM与直流电机不同,其运行方向与相电流方向无关,而仅与相绕组通电顺序有关。
图1-2开关磁阻电机调速系统构成
初次以外,我还搜集了几种不同结构的SR电机,分别有涡轮转子两相SR电机,可控饱和两相SR电机、常规结构三相6/4级SR电机、三相6/8SR电机、三相12/10级SR电机、三相6/2级SR电机、三相12/8级SR电机、三相24/32极外转子SR电机、五项10/8级短磁SR电机、七相14/12极短磁路SR电机,具体配图见报告末尾备注。
二.SRD的物理方程与控制分析
SRM的双凸极结构及整个磁路的脉振性、高饱和、涡流、磁滞等非线性因素的存在,加上运行时的开关性,使得的SRM精确分析极为困难【41,44】。
在此问题上,适度的简化模型显示了强大的优势。
首先,基于简化模型的假设如下【28,102】:
主开关电源的直流电压(±Us)不变;
忽略铁耗及相间互感;
忽略功率开关自身的功耗,视为理想开关器件;
认为电机各相参数完全对称;
磁场不饱和。
在此基础上,我们可以得到SRM运行的本质电磁和力学关系,写出其严密的物理方程[1,2,3,7]。
1.电路方程
(1-2)
式中,Uk:
第k相绕组端电压;Rk、ik、k:
第k相绕组的电阻、电流和磁链。
2.磁链方程
相绕组磁链可用相电感和相电流表示,即:
(1-3)
式中,:
转子位置角。
3.机械方程
(1-4)
其中:
(1-5)
(1-6)
式中,
:
角速度;Te:
电磁转矩;
:
负载转矩;J:
转动惯量;D:
摩擦系数。
4.机电联系方程
单相单独工作时电机产生的电磁转矩为:
(1-7)
且:
(1-8)
式中,
:
相绕组磁共能。
由电路方程,可求得简化模型下的相电流解析式为:
(1-9)
其中,f(
)为电机本体参数、开通范围及转子位置角的函数。
因此,可得到m相电机的平均电磁转矩为:
(1-10)
5.机械特性方程
如果开通区间和给定电压固定,则式(1-10)中积分部分为定值,由此得到SRM固有机械特性为:
(1-11)
式中,k为比例系数。
将式1-11变形可得:
(1-12)
由此可明显看出,SRM可调速参数较多,分别为:
相绕组电压Us、开通角
和关断角
。
根据调节参数的不同,可将SRD常见调速方式分为三种[1,53,58,59]
斩波控制方式(CurrentChoppingControl,简称CCC);角度位置控制方式(AngularPositionControl,简称APC);和电压控制(VoltageControl,简称VC),其中VC常采用电压PWM(PulseWidthModulation,简称PWM)方式,如图1-3所示。
三种调速方式中,CCC常用于基速以下的恒转矩区,通过电流斩波限来限制其启动电流。
APC则适用于基速以上的恒功率区,因旋转电动势较大,开关器件导通的时间较短,电流较小,可通过APC方式增大
来补偿电磁转矩。
电压PWM方式通过调节绕组电压平均值,间接调节并限制绕组电流,适用于整个调速范围。
下图1-4a)-c)分别为各调速方式的控制框图。
图1-3SRD常见调速方式应用
为使SRD工作于最佳状态,需结合不同的调速方式选择合适的控制策略。
目前较常用的有传统PI控制[17]、模糊控制【4,30】、滑模控制【33】及其组合控制【34,35】等。
由于其电机的强耦合和非线性等特性,传统控制无法满足系统高性能的要求,智能控制正逐步应用于SR电机控制领域,很多学者致力于该方面的研究,如自适应控制【27,28,31】、反馈线性化控制【59】、人工神经网络控制【43,45】等。
三.SRD的控制方式以及运行状态
开关磁阻电机在运行时,有三种物理状态:
1.起动
2.稳态运行
3.制动控制
开关磁阻电机稳态运行时,控制方式有三种,分别是电流限制CCC控制/电流PWM控制、电压PWM控制,其三种手画图分别为图a、图b、图c。
图a
图b
图c
四.SRD电机的优缺点
优点:
1.SRD有较大的电机利用系数,可以是感应电机利用系数的1.2~1.4倍
2.电机结构简单,转子上没有绕组;定子上只有简单的集中绕组,没有相间跨接线。
3.转矩与电流极性无关,单向电流激励。
4.对转速限制小,可以制成高速电动机
5.通过对电流的通段、幅值控制,满足不同服在要求的机械特性
6.SRD系统效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都较高
缺点:
1.有转矩脉动
转矩由一系列脉冲转矩叠加而成,切有双凸级结构和磁路非线性,合成转矩不是恒定转矩,有一定的谐波分量
2.噪声与振动大
3.出线头多
五.SRD电机性能、应用以及研究现状与发展前景
自1842年,英国的Aberdeen和Davidson的开关磁阻电机运行理念诞生以来,经过100多年的技术准备,1967-1970年出现了世界上第一台SRM的雏形[28]与传统交直流电机相比,整体效率高10%以上;功率因数空载时可达0.995,满载时可达0.98,结构简单、性价比高、性能可靠、调速范围宽、运行效率高、可控参数多,控制灵活方便,允许频繁起停,起停次数可达1000次/小时,转速不受负载大小变化的影响,具有很高的效率[17,18]。
因而上世纪80年代以后,开关磁阻电机得到迅速发展,日新月异【5~8,10~11】。
目前国内外已有许多公司分别推出了其商品化的开关磁阻电机产品,代表性产品如下表1-1所示【28,36,60,73,87,88】。
表1-1SRD代表性产品或样机
Table1-1RepresentativeProductsoftheSRD
研制单位
相关产品
技术参数
优势优点
美国GE
高速SRD样机
90kw,105r/min
有效材料仅10kg,5MW,1*106N.m
中国
SRM采煤机,牵引电机
100kw,180kw
防爆,适用于恶劣工作环境,可频繁起制动
南京航空航天大学
高速SRD样机
1kW,1.5kW,105r/min
可超高速运行,工作转速可达130,000r/min;
英国SRDLtd.
第二代SRD通用产品
100w~100Kw50~5000r/min
效率比第一代OULTON电机高2%以上
英国ALLENWEST
SRD产品通用系列
7.5~22KW
功率范围大
英国BJD公司
密闭水冷式SRD
35KW
防爆,耐高温
意SICMEMOTOR和英国SRDLtd.
XMC、XMP、XME3系列SRD
80~180m,4Kw~140Kw,3000rpm,
转速的60~140%范围内的效率都高于90%,即使在20%额定转速的低速下,其效率仍可达40%.
英国Nottingham
开关磁阻风力发电机
可变速风力发电机
加拿大semifusion
开关磁阻伺服系统
双轴、四象限,调速平稳
中国于1984年跟踪英国的研究成果,在借鉴国外经验的基础上,开关磁阻电机的研究进展很快【13,14】。
目前华中科技大学在“九五”项目中研制出了SRD电动车,“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车,南京调速电机厂已与与北京纺织机械研究所合作研制成功3kW的SRM。
近年来,我国已研制了50W-50KW、20多个规格的工业产品样机,应用于刨床、煤矿牵引、纺织、冶金、机械、运输、电动车驱动、航空、和家用电器等领域【5~8,10~11】。
现已开始新型SRM电机的研究【101】如DSPM电机、电励磁双凸极发电机、磁浮开关磁阻电机【22】、无轴承开关磁阻电机【93】等,并取得了一定研究成果。
在SR电机的理论研究上,主要集中于控制、仿真、设计理论和电磁数值分析等方面,代表单位有南京航空航天大学、华中科技大学,华中理工大学、华南理工大学、东南大学、西安交通大学、浙江大学、清华大学、中国矿业大学、北京纺织机械研究所,上海电科院、西安微电机研究所等[39,42,47,52,57]。
作为一新型电机调速系统,SRD涵盖了电力电子、电机、微机、控制工程、控制机械等知识领域。
目前SRD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【55,56】,在理论和应用上仍需进行深入研究,主要有以下方面:
SRM仿真模型的建立【52】;SRD现代控制理论及控制参数优化研究【29,41,81,102,106】;转矩脉动及振动噪声问题研究【15,50,69,82】;实用无位置传感器方案的研究【65,66,97】;新型电机结构的研究【85,86】;电机优化设计【37,67,68,107】;电机铁耗、效率分析【70,71,96】;SRD中电机、功率变换器及控制器三者之间的总体优化设计等【72,99】。
由此可见开关磁阻电机的发展前景还是十分广阔的。
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