【正文】 組的主開關(guān)器件，這樣既提高了電機控制的靈活 性，也增加了電機運行控制的復雜性，顯然，如果不采用軟件與硬件相結(jié)合的數(shù)字控制系統(tǒng)對 SR 電機進行控制， SRD 性能的提高必然受到一定的限制，同時控制器的硬件 電路亦將過于復雜和龐大。因此，為了簡化控制電路，充分利用 SR 電機控制方式靈活多變的優(yōu)點，完善系統(tǒng)的功能，有必要使用數(shù)字控制系統(tǒng)對 SR 電機進行控制。一方面，采用直接數(shù)字控制簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性，另 外 一方面，直接數(shù)字控制符合 SRD 系統(tǒng)的特點，現(xiàn)代計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展為直接數(shù)字控制提供了強大的物質(zhì)和技術(shù)支持，目前開關(guān)磁阻電動機已開始廣泛應用 于工，航空業(yè)和家用電器等各個領(lǐng)域，隨著對開關(guān)磁阻電動機認識的深入，應用必將更為普遍。 開關(guān) 磁阻電動機的發(fā)展狀況 現(xiàn)代 SR 電動機的發(fā)展 開始 于 20 世紀 60 年代，電子工業(yè)的發(fā)展 給 電氣傳動領(lǐng)域提供了可靠、低廉、多功能的控制器件。 60 年代末， 提出了增加飽和度有利提高磁阻電動機出力的觀點， 從而 SR 電機得到迅速的發(fā)展。在相當長的一段時期內(nèi)，磁阻電機的研究處于對其運行原理和性能特性的探索和論證。 在 國外， 70 年代初，美國 FORDMOTOR 公司研制出了最早的開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng) (Switched Reluctance Drive)。 它的 機構(gòu)為軸向氣隙電動機。晶閘管功率電路，具有電動機和發(fā)電機運行狀態(tài)和較寬范圍調(diào)速的能力，適合于作蓄電池供電的電動車輛傳動。 1981 年，英國 TASC 公司 (TASC Drives Ltd.)獲準制造該系統(tǒng)， 在 1983 年推出開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng) (Switched Reluctance motor Drive System，簡稱 SRD 系統(tǒng) )的系列產(chǎn)品，取名為 OULTON，調(diào)速范圍為 30—中北大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁 共 48 頁 3000/rmin，容量范圍為 4— 22kW。 這一 產(chǎn)品的出現(xiàn)在電氣傳動界引起了不小的反響。因為 它在很多性能指標上達到了出人意料的高水平，整個系統(tǒng)的綜合性能價格指標達到或 著 超過了工業(yè)中長期廣泛應用的一些變速傳動系統(tǒng)。 1985年研制成 200kW 的樣機，最大轉(zhuǎn)速為 10000r/min，美國開發(fā)了用于航空航天方面的 SRD 系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速可達 25000r/min。 在 國內(nèi)，從 1984 年開始 ， 許多單位先后開展了 SR 電機的研究工作，如北京紡織機電研究所、南京航空航天大學、東南大學、福州大學、華中理工大學、華南理工大學、河海大學、哈爾濱電工學院， 并且 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的研究被列為中小型電機 “七五科研規(guī)劃項目 ”。 1985 年華中理工大學研制以 SCR 為功率開關(guān)器件的 kW 的 SRD 系統(tǒng)；1987 年，北京紡織機械研究所 和 南京調(diào)速電機廠合作開發(fā)了 3kW 的 8/6 極、以BJT 為功率開關(guān)器件和以單片機 8751 為核心芯片的控制器的 SRD 系統(tǒng)產(chǎn)品；1993 年， 30kW 級別的 SR 電機在山東淄博電機二廠通過鑒定； 20xx 年，國內(nèi)10kW 以上的 SR 電機已應用于煤礦的采煤機，并 且 開始進行 180kw 的 SR 電機在地鐵機車上的應用研制。 近 20 年來， SR 電機的研究在國內(nèi)外取得了很大的發(fā)展，作為一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，研究的歷史較短，技術(shù)涉及到電 機、微電子、電力電子、微機、控制、機械及工程應用等眾多學科領(lǐng)域的新技術(shù)，變頻調(diào)速感應電機、無換向器直流電機等經(jīng)歷幾個年代的開發(fā)推廣，目前領(lǐng)先一步， 其 有著極其廣闊的市場前景。 開關(guān)磁阻電動機的組成 開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)主要 是 由開關(guān)磁阻電動機、功率驅(qū)動器、控制器和檢測器四部分組成如圖 。 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 共 48 頁 圖 SRD 系統(tǒng)基礎(chǔ)構(gòu)成 從 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)看，系統(tǒng)通常由 SR 電機和驅(qū)動器兩部分組成，電動機部分包含位 置傳感器，驅(qū)動器部分包含功率驅(qū)動器和控制電路 。 1．開關(guān)磁阻電動機 開關(guān)磁阻電動機（簡稱 SRM） SRD 中實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的部件也是 SRD 有別于其他電動機驅(qū)動系統(tǒng) 其 主要標志它遵循磁通總是要沿著磁導最大的路徑閉合的原理 是 由磁拉力作用產(chǎn)生具有磁阻性質(zhì)電磁轉(zhuǎn)矩采用雙凸極結(jié)構(gòu)是要使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁路的磁阻要盡可能大地變化。 2．功率驅(qū)動器 功率驅(qū)動器是開關(guān)磁阻電動機運行時所需能量的供給者，是連接電源和電動機繞組的開關(guān)部件。 所以 功率驅(qū)動器包括由整流器所產(chǎn)生直流電源和開關(guān)元件等。功率驅(qū)動器有三個作用：起開關(guān)作用，使繞組 與電源接通或斷開；為繞組的儲能提供回饋路徑；為 SRM 提供電能量，以滿足所需機械能的轉(zhuǎn)換。 SRD 的分類主要取決功率驅(qū)動器。 3．控制器 控制器是整個調(diào)速系統(tǒng)的核心，起 著 決策和指揮作用。根據(jù)控制器中設(shè)定好的控制策略及其相應的算法， 把 外部反饋的電流、位置等檢測輸入量與內(nèi)部程序中計算得出的給定量進行比較判斷，決定電機的控制方式，并在合理的轉(zhuǎn)子位置控制功率驅(qū)動器中各相主開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)機電能量合理、有效的轉(zhuǎn)化?？刂破饔删哂休^強的信息處理功能的微機構(gòu)成。微機信息處理功能大部分是由軟電源 指令輸入 功率 變 動器 開關(guān)磁阻電動機 負載 電流檢測器 位置檢測器 控制器 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁 共 48 頁 件完成， 所以 軟件也是控制 器的一個重要組成部分。 4．位置檢測器 開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)是位置閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電機各相繞組必須與轉(zhuǎn)子位置同步激勵，并且轉(zhuǎn)子位置測量的精度和分辨率直接影響到調(diào)速性能的好壞。位置檢測的目的是確定定子與轉(zhuǎn)子的相對位置，即要用位置傳感器檢測定轉(zhuǎn)子相對位置，然后位置信號反饋至邏輯控制電路， 從而 確定對應相繞組的通斷。 5．電流檢測器 相電流檢測是開關(guān)磁阻電機電流斬波控制方式（ CCC 方式）運行的需要，是系統(tǒng)過流保護的需要。單向、脈動以及波形隨運行方式、運行條件不同而變化很大是開關(guān)磁阻電機相電流的基本特 點。因此開關(guān)磁阻電機的電流檢測器應 該 具有快速性好，靈敏度高，單向電流檢測，線性度好，抗干擾的優(yōu)點。 開關(guān)磁阻電動機的性能特點 SRD 系統(tǒng)具有十分突出的性能優(yōu)點： 、成本低、適用于高速場合 SR 電機的結(jié)構(gòu)甚至比通常被認為是最簡單的鼠籠式感應電機還要簡單。其顯著的優(yōu)點是轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組，只有定子邊有集中繞組，因此制造簡單，維護起來方便，絕緣容易。同時其轉(zhuǎn)子機械強度很高，可用于超高速運轉(zhuǎn)(10000r/min)。一般來說，中小 SRD，成本可以低于同功率和類似性能的其他現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng) 。 ，有很高的運行可靠性 SR 電機的運轉(zhuǎn)不同于傳統(tǒng)的電機運轉(zhuǎn)機理。從電磁結(jié)構(gòu)上看，一般電機要正常運轉(zhuǎn)就必須在各相繞組和磁路共同作用下產(chǎn)生一個圓旋轉(zhuǎn)磁場。而 SR 電機各相繞組和磁路相互獨立，在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 在 控制結(jié)構(gòu)上看，SR 電機各相電路各自給一相繞組供電，也是相互獨立工作，由此可知，當 SR電機一相繞組或控制器一相電路發(fā)生故障時，只需停止該相的工作，在控制方面并不需要對其他相做任何變動。本系統(tǒng)可以構(gòu)成可靠性很高的系統(tǒng)。 ，只與通電順序有關(guān)。從而可使 每相繞組只需中北大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁 共 48 頁 一個主開關(guān)，降低功率驅(qū)動器成本。 ，可靠性高。 傳統(tǒng)的 PWM 變頻器功率電路中每橋臂兩個功率開關(guān)直接跨在直流電源側(cè)，容易發(fā)生直通短路燒毀功率元件。而 SR 電機調(diào)速系統(tǒng)中每個功率開關(guān)元件均直接與電機繞組相聯(lián)，根本上避免了直通短路現(xiàn)象。 ，低起動電流。 控制器從電源側(cè)吸收較少的電流，在電機側(cè)得到較大的起動轉(zhuǎn)矩是 SRD 的一大特點。一般典型產(chǎn)品的數(shù)據(jù)是 :起動電流為 10%額定電流時，獲得的起動轉(zhuǎn)矩為 100%額定轉(zhuǎn)矩；起動電流為額定值的 30%時，起動轉(zhuǎn)矩可 達到其額定值的150%。對比其它調(diào)速系統(tǒng)的起動特性，本系統(tǒng)十分適合那些需要重載起動和較長時間低速重載運行的機械，如電動車輛等。 ，調(diào)速范圍寬。 由于 SR 電機控制參數(shù)多，所以控制器的控制方式也有多種，并不是僅僅依靠控制開關(guān)管的開通，關(guān)斷順序來進行控制。目前， SR 電機轉(zhuǎn)速的控制模式主要有以下幾種 : (1) 角度位置控制 APC 方式。電壓保持不變，通過改變開通角和關(guān)斷角兩個控制參數(shù)來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。關(guān)鍵在于將角度量轉(zhuǎn)化為相應速度時的時間可控量。適合于電機較高速運行區(qū)。 (2) 電流斬波控制。電壓 不變，電機低速運行時，反電勢較小，電流變化率大，為避免電流上升過快，超過允許的最大電流，可采取斬波方式來限制電流。一般用于電機低速區(qū)。 (3) 電壓斬波控制方式。開關(guān)角固定不變，繞組不同的外施電壓對應不同的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線，因此可以通過調(diào)節(jié)加在繞組上的電壓來控制電機轉(zhuǎn)速。 ，損耗小。 SR 電機的轉(zhuǎn)子不存在勵磁及轉(zhuǎn)差損耗，功率變換器開關(guān)器件少，相應的損耗也小。其次，可控參數(shù)多，控制靈活，易于在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)高效優(yōu)化控制。 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁 共 48 頁 2 開關(guān)磁阻電動機的原理與控制 開關(guān)磁阻電動機的結(jié)構(gòu)原理 SR 電機在結(jié)構(gòu)上與步進電機相似，運行原理遵循 “磁阻最小原理 ”，即磁通總是要沿著磁阻最小的路徑閉合，當鐵心與磁場的軸線不重合時，便會有作用力將鐵心拉到磁場的軸線上來。這個作用力就是磁阻電機運行的原動力 —切向磁拉力。這是 SR 電機與步進電機的相似之處，但是在以下兩方面 SR 電機不同于步進電機。 第一，步進電機是一般位置開環(huán)控制，而 SR 電機是位置閉環(huán)控制。有位置閉環(huán)控制就不會失步。 第二，一般步進電機是作為信息傳 輸從而實現(xiàn)角位移精密傳動，而 SR 電機是典型的功率型電氣傳動裝置。因此， SR 電機要突出速度控制和實現(xiàn)系統(tǒng)高效率，故其設(shè)計思路大不相同。 SR 電機可以設(shè)計成單相、兩相、三相、四相以及多相等不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，相數(shù)越多，則步進角越小，這樣有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動，但結(jié)構(gòu)復雜，且主開關(guān)器件多，成本高。通常轉(zhuǎn)子的極數(shù)比定子極數(shù)少 2 個，少于三相的 SR電機沒有自起動能力，因此，對于要求自起動、四象限運行的驅(qū)動場合，應優(yōu)選表 21 所示的結(jié)構(gòu)類型。目前應用較多的是 三相 6/4 極結(jié)構(gòu)、 四相 8/6 極 結(jié)構(gòu)和三相 12/8極機構(gòu)。 電 動機相數(shù)定轉(zhuǎn)子極數(shù)與步進角之間關(guān)系如下表 所示。 表 SR 電機的結(jié)構(gòu)類型 相數(shù) 3 4 5 6 7 8 9 定子極數(shù) 6 8 10 12 14 16 18 轉(zhuǎn)子極數(shù) 4 6 8 10 12 14 16 步進角（度） 30 15 9 6 SR 電動機的運行遵循“磁阻最小原理” 磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合。當定子某相繞組通電時，所產(chǎn)生的磁阻由于慈利縣扭曲而產(chǎn)生切向磁拉力，試圖使相近的轉(zhuǎn)子極旋轉(zhuǎn)到其軸線與該定子及軸線對齊的位置，即磁阻最小位置。 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7 頁 共 48 頁 圖 三相 6/4 極 SR 點攻擊的結(jié)構(gòu)原理圖 下面以圖 所示的三相 6/4 極 SR 電動機為例說明 SR電動機的工作原理。 當 A 相通電時 ,因磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，扭曲磁力線產(chǎn)生的切向力帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，最總將使轉(zhuǎn)子 13極軸線與定子 AA1極軸線對其， A相斷電， C相通電，則使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)，最終使轉(zhuǎn)子 24級軸線與定子 CC1極軸線對齊，轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過 30176。 。 C 相斷電， B 相通電，則使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過 30176。 ，最終使轉(zhuǎn)子 13 極軸線與定子 BB1極軸線對齊。在一個通電周期內(nèi)，轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過 30x30176。 ，即一個轉(zhuǎn)子齒極距。 如此循環(huán)往復，定子按 A→ C→ B→ A...的順序通電，電機便沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。如定子按 A→ B→ C→ A...的順序通電，電機便沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。 開關(guān)磁阻電動機的基本方程 SR 電機的工作原理和結(jié)構(gòu)都比較簡單，但其雙凸極的結(jié)構(gòu)特點、磁路和電路的非線性、開關(guān)性，使得電機的各個物理量隨 轉(zhuǎn)子位置作周期性變化，定子繞組電流和磁通波形極不規(guī)則，傳統(tǒng)電機的性能分析方法難以簡單地用于 SR 電機計算，不過 SR 電機內(nèi)部的電磁過程仍然建立在電磁感應定律、全電流定律、能量守恒定率等基本的電磁關(guān)系上，并可由此寫出 SR 電機的基本平 衡方程式。 一臺 q 相 SR 電機，假設(shè)各相結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)對稱，根據(jù)電路定律可以寫出 SR 電機第 j 相的電動勢平衡方程式： dtdIRU jjjj ??? 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁 共 48 頁 在 SR 電機中