這是一個關(guān)于開關(guān)磁阻電動機的應(yīng)用PPT，包括了開關(guān)磁阻電動機的工作原理，開關(guān)磁阻電動機的運行分析，開關(guān)磁阻電動機運行特性和控制方式，開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)等內(nèi)容，7.2.1 開關(guān)磁阻電動機原理一、開關(guān)磁阻電動機的工作原理 關(guān)磁阻電動機傳動系統(tǒng)(簡稱 SRD系統(tǒng)) 是最近20年來開發(fā)成功的一種新型電氣傳動系統(tǒng)，它由開關(guān)磁阻電動機(簡稱 SR電機或 SRM)、功率變換器、轉(zhuǎn)子位置檢測器和控制器所組成，如圖 5-21所示。 基本結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)不等，轉(zhuǎn)子齒數(shù)一般比定子少兩個定子齒上套有集中線圈，兩個空間位置相對的定子齒線圈相串聯(lián)，形成一相繞組轉(zhuǎn)子由鐵心疊片而成，其上無繞組 如圖5-22所示 工作機理開關(guān)磁阻電機的工作機理與磁阻(反應(yīng))式步進電動機一樣，基于磁通總是沿磁導最大的路徑閉合的原理。當定、轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就會產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁導最大的位置。當向定子各相繞組中依次通入電流時，電機轉(zhuǎn)子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉(zhuǎn)動。如果改變定子各相的通電次序，電機將改變轉(zhuǎn)向。但相電流通流方向的改變是不會影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向的。轉(zhuǎn)速的計算設(shè)：定子繞組為m相，定子齒數(shù) Ns=2m，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Nr。 當定子繞組換流通電一次時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距。這樣定子需切換通電 Nr次轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過一周，故電機轉(zhuǎn)速 n(r/min)與相繞組電壓的開關(guān)頻率 f之間的關(guān)系為 (5-10) (5-11) 給定子相繞組供電的功率變換器輸出電流脈動頻率 則為 (5-12) 優(yōu)點開關(guān)磁阻電機由于轉(zhuǎn)子上沒有繞組，定子線圈的端部又很短，不但制造方便，而且線圈的發(fā)熱量小且容易散熱，從而電磁負荷可以提高，電機利用系數(shù)可達異步電機利用系數(shù)的 1.4倍，電機制造成本大為降低，歡迎點擊下載開關(guān)磁阻電動機的應(yīng)用PPT。

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7.2.1 開關(guān)磁阻電動機原理一、開關(guān)磁阻電動機的工作原理 關(guān)磁阻電動機傳動系統(tǒng)(簡稱 SRD系統(tǒng)) 是最近20年來開發(fā)成功的一種新型電氣傳動系統(tǒng)，它由開關(guān)磁阻電動機(簡稱 SR電機或 SRM)、功率變換器、轉(zhuǎn)子位置檢測器和控制器所組成，如圖 5-21所示。 基本結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)不等，轉(zhuǎn)子齒數(shù)一般比定子少兩個定子齒上套有集中線圈，兩個空間位置相對的定子齒線圈相串聯(lián)，形成一相繞組轉(zhuǎn)子由鐵心疊片而成，其上無繞組 如圖5-22所示 工作機理開關(guān)磁阻電機的工作機理與磁阻(反應(yīng))式步進電動機一樣，基于磁通總是沿磁導最大的路徑閉合的原理。當定、轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就會產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁導最大的位置。當向定子各相繞組中依次通入電流時，電機轉(zhuǎn)子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉(zhuǎn)動。如果改變定子各相的通電次序，電機將改變轉(zhuǎn)向。但相電流通流方向的改變是不會影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向的。轉(zhuǎn)速的計算設(shè)：定子繞組為m相，定子齒數(shù) Ns=2m，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Nr。 當定子繞組換流通電一次時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距。這樣定子需切換通電 Nr次轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過一周，故電機轉(zhuǎn)速 n(r/min)與相繞組電壓的開關(guān)頻率 f之間的關(guān)系為 (5-10) (5-11) 給定子相繞組供電的功率變換器輸出電流脈動頻率 則為 (5-12) 優(yōu)點開關(guān)磁阻電機由于轉(zhuǎn)子上沒有繞組，定子線圈的端部又很短，不但制造方便，而且線圈的發(fā)熱量小且容易散熱，從而電磁負荷可以提高，電機利用系數(shù)可達異步電機利用系數(shù)的 1.4倍，電機制造成本大為降低。由于轉(zhuǎn)子上無線圈，轉(zhuǎn)動慣量小，具有較高的轉(zhuǎn)矩/慣量比，所以特別適合于高速運行。由于開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩是靠定、轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)產(chǎn)生，與繞組中所通電流極性無關(guān)，因此每相繞組中通入的可以是單方向的電流(脈沖)，無須交變。這樣不但可使控制每相電流的功率開關(guān)元件數(shù)量減少一半，而且可以避免一般電壓型逆變器中最危險的上、下橋臂元件直通的故障，不但顯著降低控制裝置的成本，而且大大提高了系統(tǒng)的安全可靠性。不足開關(guān)磁阻電機的主要問題是它產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩脈動較大，振動與噪聲較嚴重，此外功率開關(guān)元件關(guān)斷時還會在電機定子繞組端部及開關(guān)器件上產(chǎn)生較高的電壓尖峰。為了解決這些問題已設(shè)計出不同的控制方案，圖 5-23為一種較為常用的四相開關(guān)磁阻電機功率電路形式。 二、開關(guān)磁阻電動機的運行分析開關(guān)磁阻電動機依靠定轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其機理可以用相繞組電感 L隨轉(zhuǎn)子位置變化的關(guān)系來說明。如果忽略電機磁路飽和的影響，則相繞組電感與電流大小無關(guān)；如不計磁場邊緣擴散效應(yīng)，則相繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置 θ的變化規(guī)律 L(θ)將如圖 5-24所示，近似為一梯形波。轉(zhuǎn)矩特性當開關(guān)磁阻電機由圖 5-23所示的電源供電時，如果電動機勻速旋轉(zhuǎn)，可得 (5-15) 式中，等號右邊第一項為平衡繞組中變壓器電勢的壓降； 第二項為電阻壓降； 第三項為旋轉(zhuǎn)電勢所引起的壓降，它只有在電感隨轉(zhuǎn)子位置而變時才存在，其方向與電感隨轉(zhuǎn)子位置 θ的變化率有關(guān)：當電感隨 θ角的增大而增大時為正，當電感隨 θ角的增大而減小時為負。 旋轉(zhuǎn)電勢引起的壓降為正表示吸收電功率，產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，輸出機械功當旋轉(zhuǎn)電勢引起的壓降為負則表示是發(fā)出電功率，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩所以在開關(guān)磁阻電機中，為獲得較大的有效轉(zhuǎn)矩應(yīng)避免產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，在繞組電感開始隨轉(zhuǎn)子位置角 θ的增大而減少時應(yīng)盡快使繞組中電流衰減到零，這點十分重要。 在開關(guān)磁阻電機中，電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)主要是通過控制功率開關(guān)的開、關(guān)時刻，即開關(guān)元件的導通角 α1和截止角α2 來實現(xiàn)的設(shè)在圖 5-24中 的 I 區(qū) 內(nèi) 觸 發(fā) 導 通 功 率 開 關(guān) (α1<θ1)；在 II 區(qū)內(nèi)關(guān)斷功率開關(guān) (θ1<α1<θ3)。在這種情況下，相電流的波形將如圖 5-25所示，它可以分為五段。 電流特性 (1)第一段 在t=0(θ=α1 )時，功率開關(guān)導通，相繞組開始通電。但在這段區(qū)間由于電感小且 ，故無旋轉(zhuǎn)電勢，所以在這階段中相電流作線性增長，上升速率較快。如不計電阻影響，由式5-15可得 通過合理選擇導通角 α1使相電流在進入有效工作段時就達到足夠大的數(shù)值，這是開關(guān)磁阻電機控制電磁轉(zhuǎn)矩的主要辦法。 (2)第二段這段期間 L在不斷增大，因而相繞組中出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)電勢壓降，繞組中電流不能繼續(xù)直線上升，甚至可能出現(xiàn)下降。求得這段期間電流關(guān)系式為： (5-19) 式中 這時的電流主要用于產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此這一段電流的大小直接影響電動機的出力。 從5-19可以看出，開關(guān)磁阻電機的負載電流與許多參數(shù)有關(guān)，其中屬于可控的因素是導通角α1，不 同 α1的可能形成不同的電流波形。如圖 5-26所示。 (3)第三段在反向電壓－Us的作 用 下 繞 組 磁 鏈 開 始 線 性 下 降，電 流 也 逐 漸 減小。由于在這一區(qū)間仍是 ，續(xù)流電流仍產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩，說明在這一階段電機中的磁場儲能有一部分轉(zhuǎn)化為有用的機械能從電機軸上輸出，而另一部分轉(zhuǎn)化為電能回饋給了電容器。這時在反壓及旋轉(zhuǎn)電勢的作用下相電流以較快的速率下降，其規(guī)律可表達為 (5-22) (4)第四段在這個區(qū)段由于 ，而沒有旋轉(zhuǎn)電勢存在，相電流不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，只在外界反向電壓－Us作用下繼續(xù)衰減，其規(guī)律為 (5-24) 在這段區(qū)間電機中的磁場儲能進一步轉(zhuǎn)換成電能回饋給電容器，軸上無機械功輸出。 (5)第五段如相電流在這一區(qū)段中還沒有衰減到零，則由于 ，使相繞組中電流所產(chǎn)生的將是制動轉(zhuǎn)矩，電機進入再生制動狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)電勢將起與外加反向電壓相抵消的作用，使電流的下降速度變慢。這時電流的表達式為 (5-25) 式中 開關(guān)磁阻電機要實現(xiàn)再生制動非常方便，只要加大α1 使相電流主要出現(xiàn)在 ，的區(qū)段即可，其電流、磁鏈、電感、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子位置角θ的關(guān)系如圖 5-27所示。 7.2.2 開關(guān)磁阻電動機的控制一、開關(guān)磁阻電動機運行特性和控制方式 1.電流控制 從圖 5-28可見，功率開關(guān)的導通角對電機電流的影響很大，它是控制開關(guān)磁阻電機電流和轉(zhuǎn)矩的主要手段。 隨著 α1的減小，電流直線上升階段的時間 電流就顯著增大，電機轉(zhuǎn)矩相應(yīng)增加。 功率開關(guān)的關(guān)斷角 α2 則影響電源對電機相繞組的供電時間的長短和續(xù)流的過程，它對電機的轉(zhuǎn)矩有直接的影響。實用中多采用保持 α2恒定而改變α1角的辦法來控制開關(guān)磁阻電機的電流和轉(zhuǎn)矩。 在開關(guān)角 α1 、α2一定條件下電源電壓Us一定時，電流的標么值與電機轉(zhuǎn)速無關(guān)，但實際相電流和電流基值均正比于工作周期，反比于電機的轉(zhuǎn)速，因此電機低速運行時電流的峰值將顯著增大。為了限制低速運行時的過大電流，通常需采用斬波 (PWM)實現(xiàn)恒流控制，圖 5-29示出了斬波控制下的相電流波形。 2.轉(zhuǎn)矩控制在實際電機中，當定、轉(zhuǎn)子齒相互對齊氣隙比較小時磁路較飽和，需要將電機飽和磁化特性曲線作分段線性化，用所謂準線性化模型來計算電感，據(jù)此可較準確地求得開關(guān)磁阻電機的平均轉(zhuǎn)矩 (5-28) 及電機輸出功率 (5-29) 式(5-28)說明：在開關(guān)角 α1 、α2不變的情況下，開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩和輸入電壓Us 的平方成正比，和轉(zhuǎn)速的平方成反比，具有與串激直流電動機相仿的機械特性在一定轉(zhuǎn) 速 下 提 前 導 通 功 率 開 關(guān)，即 減 小 α1 角，可 增 加 相 電 流 直 線 上 升 時 間 ，增大了電機的轉(zhuǎn)矩在 α1一定的情況下，增加α2 ，使產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的區(qū)間增加， 也可以使平均轉(zhuǎn)矩增大。但是 α2過大時續(xù)流階段可能會產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，這是不利的一面。 3.轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲控制 開關(guān)磁阻電機 A、B、C、D 各相繞組通電時所產(chǎn)生 的 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 TA、TB、TC、TD 如圖5-30所示，其波形因電機結(jié)構(gòu)、磁路飽和程度、特別是通電時間長短不同而異。 振動、噪聲產(chǎn)生原因當定子各相繞組依 序 輪流通電時電機產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩具有明 顯 的 脈 動，這是引起開關(guān)磁阻電機振動與噪聲的一個原因。開關(guān)磁阻電機產(chǎn)生噪聲的更重要原因是齒極所受徑向磁拉力的變化，引起了定子鐵心的變形和振動。抑制噪聲的辦法一般采用適當增加氣隙長度，適當減小 α2角以減小相繞組斷電時的齒極磁場強度。近年又提出了采用所謂二步關(guān)斷的辦法來有效抑制電磁噪聲。 4.開關(guān)磁阻電機的控制方式單四 拍 運 行(每相通電 1/4周 期) 在這種運行方式中，電源向繞組供電的時間在 1/4周期左右，再加上續(xù)流時間，整個通電過程中相繞組有可能均處在電感隨轉(zhuǎn)角而增長的環(huán)境中，電流能有效地產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 雙四 拍 運 行(每相通電1/2周期) 缺點：電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的有效性將降低，而電流在繞組中的損耗卻隨著通流時間的增長而增加。此外，在雙四拍工作方式下由于有兩相同時通電，電機磁路飽和加劇，會進一步降低電機的輸出轉(zhuǎn)矩，影響運行的效果及性能。優(yōu)點：可以減小轉(zhuǎn)矩的脈動當開關(guān)磁阻電機由圖 5-23所示的電容分壓雙極性電源供電時，采用雙四拍運行還具有減小電容電壓波動的作用。結(jié)論：實用中電機高速運行時都采用單四拍方式，低速運行時常采用雙四拍方式。 5.開關(guān)磁阻電機的機械特性開關(guān)磁阻電機低速運行時通電周期比較長，通常采用斬波 (PWM)控制，通過改變設(shè)定電流的大小來控制輸出轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運行。當電機進入較高速度后，功率開關(guān)導通時間縮短，電機達不到限流值，此時主要靠控制 α1 角實現(xiàn)恒功率特性。當電機轉(zhuǎn)速進一步升高后α1 和α2已達到極限值，電機就進入恒定 α1 和α2的運行方式，電動機的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成反比，呈現(xiàn)出串勵電動機的機械特性。開關(guān)磁阻電動機完整的機械特性如圖 5-33所示。 二、開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)開關(guān)磁阻電動機由于運行模式比較復雜，一般多采用微機數(shù)字控制，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 5-34所示，其中較為特殊的部分是它的位置檢測系統(tǒng)和功率變換器。 1.位置檢測系統(tǒng)開關(guān)磁阻電動機中為準確地控制定子繞組通電時刻(相位)，需要在電機軸端安裝一個轉(zhuǎn)子位置檢測器，作為相位控制的定位基準信號。圖5-35是A、B、C、D四相繞組的功率開關(guān)正、反序通電時P、Q兩個轉(zhuǎn)子位置傳感元件的輸出信號波形 2.功率變換器作用：起開關(guān)作用使相繞組及時通、斷，保證電機產(chǎn)生預期的轉(zhuǎn)矩為電機系統(tǒng)提供能源為繞組儲能提供回饋路徑主電路一這個電路結(jié)構(gòu)簡單，每相繞組只用一個功率開關(guān)和一個續(xù)流二極管，但它的電源電壓為電機相電壓的二倍，致使開關(guān)元件的電壓定額成倍提高。主電路二提高能量利用率只增加了一個斬波器用功率開關(guān)元件 VT0，比較簡單電容器和斬波器的容量都不大主電路三功率開關(guān)和二極管承受的反壓均為電機相電壓 Us，耐壓要求比較低由于能實現(xiàn)分步關(guān)斷，有利于電機噪聲的控制缺點是開關(guān)元件數(shù)目多69J紅軟基地