第2章srd(二版).ppt

特种电机及其控制,第2章开关磁阻电机及其驱动 控制系统 (SRD),2.1 SRM 传动系统 2.2 SRM 基本方程与性能分析 2.3 SRD的 控制原理 2.4 SRD 的功率变换器 2.5 SRD 传动系统的信号检测 2.6 基于DSP的SRD控制系统硬件 2.7 基于DSP的SRD控制系统软件 2.8 SRM电磁计算 2.9 开关磁阻发电机,特种电机及其控制,,2.1 SRD传动系统,2.1.1 SRD传动系统的组成,特种电机及其控制,SR电动机定、转子实际结构,特种电机及其控制,SR电机结构与原理,结构特点： 1、双凸极结构 2、定子集中绕组，单方向通电 3、转子无绕组,特种电机及其控制,2.1.2 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,特种电机及其控制,,特种电机及其控制,,特种电机及其控制,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°/Nr 3、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特点：,特种电机及其控制,2.1.3 开关磁阻电动机的相数与结构,相数与级数关系,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特种电机及其控制,SR电动机常用的相数与极数组合,特种电机及其控制,相数 3 4 5 6 7 8 9 定子极数 6 8 10 12 14 16 18 转子极数 4 6 8 10 12 14 16 步进角(度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5,SR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,特种电机及其控制,利用永磁体辅助起动的单相SR电动机,特种电机及其控制,,常规两相SR 电动机 定子磁极偏移的两相SR 电动机,在定、转子磁极中心线对齐位置(对齐位置)和定子极中心与转子槽中心对齐位置(不对齐位置)也不具备自起动能力，而且还存在较大的转矩“死区”,为了可靠地自起动，两相SR 电动机可采用不对称转子结构或不对称定子结构。

特种电机及其控制,转子不对称两相SR电机,特种电机及其控制,,常见三相和四相SR电机,特种电机及其控制,2.1.4 SRD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特种电机及其控制,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,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）,特种电机及其控制,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。

特种电机及其控制,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：,特种电机及其控制,2.1.5 SRD发展概况,7.5 kW 、1500 r/min几种调速系统性能比较,特种电机及其控制,,航空工业 ：F-16战斗机，SR起动/发电机系统，技术指标为：0~13400r/min 恒转矩177Nm起动，13400~26000r/min恒电压270VDC、3125kW发电，系统效率为90％，功率/重量比为2.5kW/kgF-35,工业节能：SR电动机良好的起动性能使它特别适合于需要起动转矩大、低速性能好、频繁正反转等场合，如在龙门刨床、平网印花机、可逆轧机等应用中都取得了良好的效果同时，在采煤机械、油田抽油机等领域有很好的应用前景，特别是应用于抽油机替代异步电动机，可取得10~30％以上的节电效果电动车——电动车驱动的最佳选择之一 ，采用和大力发展该方案的公司有奔驰公司、沃尔沃公司、菲压特公司、通用汽车公司等如，在2010 年9 月的巴黎车展上，捷豹推出了使用开关磁阻电机和微燃机技术的C-X75 插电增程式超跑概念车。

应用,2.1.6 SRD的应用与研究动向,特种电机及其控制,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(DITC、TSF、ANN) 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,特种电机及其控制,2.2 SR电机基本方程与性能分析,J—转子与负载的转动惯量 K—粘性摩擦系数 TL—负载转矩,不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相SR电机系统示意图,特种电机及其控制,电路方程,第k相绕组的相电压平衡方程:,,式中 uk——第k相绕组的端电压； ik ——第k相绕组的电流； Rk——第k相绕组的电阻； k——第k相绕组的磁链特种电机及其控制,磁链方程,所以：,,特种电机及其控制,机械运动方程：,式中Te ——电磁转矩； J ——系统的转动惯量； K——摩擦系数； TL——负载转矩特种电机及其控制,电磁转矩：,磁共能的表达式为：,SR电机的瞬时电磁转矩Te可由磁共能Wm′导出：,SR电机的平均电磁转矩Tav,特种电机及其控制,2.2.2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,1 0 2 3 0 4 5,SR电机相电感随转子位置变化,特种电机及其控制,, = 1位置,,,,,,rotor,,转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置,,,,,1,特种电机及其控制,,=0o位置,定子磁极轴线与转子凹槽中心重合,,,,,,=0o,特种电机及其控制,, =2位置,转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置,,,,,,2,特种电机及其控制,, = 3位置,转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置,,,,,,,rotor,,,,,,,3,特种电机及其控制,, =4位置,转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置,,,,,,4,特种电机及其控制,, =5位置,,,,,,,rotor,,,转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置,,,,,,5,特种电机及其控制,1 0 2 3 0 4 5,=0 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合 1(5) 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 2 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 3 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置 4 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置,特种电机及其控制,SR电机绕组电感的分段线性解析式：,K=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (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 特种电机及其控制,相电流解析分析,第k相绕组模型,特种电机及其控制,忽略电阻，相绕组电压方程：,所以：,而： =L i,相电流解析分析,,特种电机及其控制,1) 当12,L=Lmin ,Us为+,因： L=Lmin , Us取+, 则：,又： i(on)=0, 所以，,当12时，,特种电机及其控制,2) 当2off,L=Lmin+K(-2)，Us为+,积分得：,特种电机及其控制,由初始条件： i(2)=Us(2-on)/( Lmin) 确定 C=Uson/，所以,,2) 当2  off时,在2off 期间,特种电机及其控制,3) 当off3,L=Lmin+K(-2)，Us为-,4) 当34,L=Lmax，Us为-,5) 当42off- on5,L=Lmax-K(-4)，Us为-,特种电机及其控制,特种电机及其控制,on2 : 在电感上升前开通，迅速建立电流，以获得足够转矩,2 :电感上升，使绕组电流下降,off3 : 在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。

3z4 (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,特种电机及其控制,特点： 开通角越小，电流幅值越大，续流时间越长特种电机及其控制,不同关断角下电流波形,特种电机及其控制,线性模式下，磁路不饱和：,所以，可导出：,电磁转矩：,,,特种电机及其控制,1) on 是控制转矩的重要参数：一定时，若开通角on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on一定时，增大off,平均转矩也相应增大但导通角c= off- on有一个最佳值，超过此值， c 增大，平均转矩反而减小讨论：,特种电机及其控制,(3) SR电动机的电磁转矩是由于转子转动时气隙磁导变化产生的，电感对位置角的变化率越大，转矩越大选择SR电机的转子齿极数少于定子齿极数，有利于增大电感对位置角的变化率，因此有利于增大电机的出力 (4) 电磁转矩的大小与电流的平方成正比考虑实际电机中磁路的饱和影响后，虽然转矩不再与电流的平方成正比，但仍随电流的增大而增大因此，可以通过增大电流有效地增大电磁转矩特种电机及其控制,(5) 在电感曲线的上升阶段，绕组电流产生正向转矩；在电感曲线的下降阶段，绕组电流产生反向转矩(制动转矩)。

因此，可以通过改变绕组的通电时刻，改变转矩的方向，而改变电流的方向不会改变转矩的方向 (6) 在电感的下降阶段( 4)，绕组电流将产生制动转矩，因此，主开关的关断不能太迟但关断过早也会由于电流有效值不够而导致转矩减小，且在最大电感期间，绕组也不产生转矩，因此取关断角off =(2+3)/2，即电感上升区的中间位置，是比较好的选择特种电机及其控制,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、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、转矩的因素特种电机及其控制,为避免繁琐计算，又近似考虑磁。