【文章內(nèi)容簡介】 雙凸極結(jié)構(gòu)就是要使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁路的磁阻要盡可能大地變化。 功率變換器向 SRM 提供運轉(zhuǎn)所需的能量，由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電。由于 SRM 繞組電流是單向的，使得其功率變換器主電路非常簡單，其結(jié)構(gòu)形式與 SR 電動機的相數(shù)、繞組形式有關(guān)，功率變換器的結(jié)構(gòu)和開關(guān)器件的選擇直接影響到 SRD 系統(tǒng)的性能和成本。其主要作用有： （ 1） 向 SR 電動機 傳輸電能，滿足機電能量轉(zhuǎn)換的需要； （ 2） 起開關(guān)作用，使 SR 電動機的各相繞組適時通斷； （ 3） 為 SR 電動機各相繞組的儲能提供回饋路徑。 控制器是系統(tǒng)的中樞，綜合處理速度指令、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對 SRM 運行狀態(tài)的控制。其性能好壞直接影響到電機的運行性能。 檢測單元由位置檢測和電流檢測環(huán)節(jié)組成。提供轉(zhuǎn)子的位置信息從而確定各相繞電源 主電路 SRM 給定指令 控制器 電流檢測 速度檢測 位置檢測 驅(qū)動電路 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 組的開通和關(guān)斷，提供電流信息來完成電流跟蹤控制或采取相應(yīng)的保護措施以防止過電流。 功率主開關(guān)器件 SR 電機的繞組只需要單方向電流，但應(yīng)能迅速從電源接受電能，又能迅速向電源回饋能量。由于 SRD 功率變換器只需要給電動機提供單方向電流，故它比異步電動機 PWM 變頻器簡單、可靠。然而， SR 電機的工作電流、電壓波形系統(tǒng)的運行條件及電動機設(shè)計參數(shù)的制約，很難準確預(yù)料。這就使得其主開關(guān)器件的定額計算較為復(fù)雜，主開關(guān)器件的選擇與電動機功率、供電電壓、峰值電流、成本等有關(guān)，還與主開關(guān)器件本身的開關(guān)速度、觸發(fā)難易、開關(guān)損耗、抗沖擊性、耐用性等有關(guān)。當前電力電子經(jīng)過多年的發(fā)展，可供選擇的功率器件主要有普通晶閘管、可關(guān) 斷晶閘管（ GTO）、功率晶體管（ GTR）、功率 MOS 場效應(yīng)管（ MOSFET）、 絕緣柵雙極晶體管（ IGBT） 。 功率變換拓撲電路 功率變換器應(yīng)與電動機結(jié)構(gòu)匹配，達到效率高、控制方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等基本要求，一個理想的功率變換器主電路結(jié)構(gòu)形式應(yīng)同時具備如下條件 ： (1） 最少數(shù)量的主開關(guān)元件； (2)可將全部電源電壓加給電動機相繞組； (3)主開關(guān)器件的電壓額定值與電動機接近； (4)具備迅速增加相繞組電流的能力； (5)可通過主開關(guān)器件調(diào)制，有效地控制相電流； (6)在繞組磁鏈減少的同時，能將能量迅速 地回饋給電源。 功率變換器的拓撲結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)逆變器有很大差異，具有多種形式，并且與開關(guān)磁阻電動機的相數(shù)、繞組連接形式有密切的關(guān)系。其中，最常見的拓撲結(jié)構(gòu)有：電機雙繞組型、電容裂相型、 H 橋型、不對稱半橋式、具有最少數(shù)量主開關(guān)器件的功率變換器電路等。下面扼要介紹開關(guān)磁阻電機幾種常見功率變換器的線路，進行對比分析 。 (1)電機雙繞組型 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 電機雙繞組型 圖 所示是早期使用的雙繞組結(jié)構(gòu)，通常主副繞組采用雙線并繞的形式， 以得到最大的互感系數(shù)，主繞組開關(guān)元件 S 斷開后，主繞組的能量通過互感傳到副繞組 ，再通過二極管續(xù)流。該電路主開關(guān)元件的額定工作電壓為 2(1+D)SV ，其中 SV 是整流橋輸出的峰值電壓， D 是開關(guān)元件關(guān)斷時的過電壓系數(shù)，功率變換器的伏安容量為 2m(1+D)mI ， m 為電動機的相數(shù)， mI 為電動機的峰值電流。雙繞組主電路十分簡單，每相繞組只有一只主開關(guān)及一只續(xù)流二極管。缺點是主副繞組之間不可能完全耦合，主 開關(guān)元件關(guān)斷時會產(chǎn)生較高的沖擊電壓，對主開關(guān)元件的額定工作電壓要求比較高，并需有良好的吸收網(wǎng)絡(luò)；同時由于電動機采用雙繞組結(jié)構(gòu)，繞組利用率下降，銅耗增加、體積增大。這種主電路可適用于任意相數(shù)的開關(guān)磁阻電機，尤其適宜于低壓直流電源。 (2)電容裂相型 圖 電路出現(xiàn)較早，在一個時期內(nèi)應(yīng)用比較廣，是一種比較成熟的主電路結(jié)構(gòu)。將整流橋輸出的電壓用雙電容裂相 (電容同時也起濾波、存儲繞組回饋能量的作用 )，采用這種電路，可對電動機的各相獨立控制，每相只需一個主開關(guān)元件和一個續(xù)流二極管。因為兩個裂相電容上的電壓需要保持 平衡，所以同兩個電容并聯(lián)的繞組數(shù)應(yīng)相等，且上下橋的電容只能輪流或者同時給電動機的繞組供電，因而這種主電路結(jié)構(gòu)只適用于偶數(shù)相的開關(guān)磁阻電機。主開關(guān)元件的額定工作電壓為 (1＋ D) SV ，采用電容裂相以后，電源電壓利用率降低，主開關(guān)元件的電流為圖 中的兩倍 (同功率情況下 )。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 電容裂相型 （資料來源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關(guān)磁阻電機的幾種功率變換器拓撲的性能分析 [J]電氣傳動自動化 , 1995.） 圖 H 橋型功率變換主電路 （資料來源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關(guān)磁阻電機的幾種功率變換器拓撲的性能分析 [J]電氣傳動自動化 , 1995.） (3) H 橋型 圖 H 橋型功率變換主電路，這一電路可認為是上述電容裂相型電路取消了電容器分壓構(gòu)成的雙電源，并將電動機四相繞組中點浮空而形成的。電機每相繞組的外施電壓為電源電壓的一半，因為任一相繞組電路必須以其它繞組為通路，換相相的磁能一部分回饋電源，另一部份注入導(dǎo)通相繞組，因此只能工作在兩相同時通電方式，從而缺少一些控制靈活性。但這一變化也給本電路帶來了特有的好處，即可以實現(xiàn)零壓續(xù) 流，提高系統(tǒng)控制性能。但它只適合于四相或者四的倍數(shù)相的 SR 電機 。 (4) 不對稱半橋型 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 為本系統(tǒng)所采用的不對稱半橋型三相 SR 電機功率變換器主電路。以 A 相為例，每相有兩個主開關(guān)管 S1 和 S5 及續(xù)流二極管 D1 和 D5。其中，上下兩只主開關(guān)管是同時導(dǎo)通和關(guān)斷的。當 S S5 導(dǎo)通時， D1 和 D5 截止，外加電源 SV 加至 A 相繞組的兩端，產(chǎn)生相電流 aI ；當 S S5 關(guān) 斷時， A 相繞組產(chǎn) 生的變壓器電壓勢極性如圖 所示 ，則 D D5 正向?qū)?，電流通過 D D5 及儲能電容 C 續(xù)流， C 將吸收 A 相繞組的部分磁場能量 。 圖 不對稱半橋功率變換主電路 （資料來源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關(guān)磁阻電機的幾種功率變換器拓撲的性能分析 [J]電氣傳動自動化 , 1995.） 這種不對稱半橋型線路具有如下的特點： (1)各主開關(guān)管的電壓定額為 Vs ； (2)由于主開關(guān)管的電壓定額與電動機繞組的電壓定額近似相等，用足了主開關(guān)管的額定電壓，有效的全部電源電壓可用來控制相繞組電 流； (3)由于每相繞組接至各自的不對稱半橋，每相需要兩個主開關(guān)管和兩個二極管，相與相之間是完全獨立的，故這種結(jié)構(gòu)對繞組相數(shù)沒有任何限制，適合任意相數(shù)電機，不存在上、下橋臂直通的故障隱患。 控制器 控制器是 SRD 系統(tǒng)的 主要 大腦，起決策和指揮作用。它綜合位置檢測器、電流檢測器提供的電動機轉(zhuǎn)子位置、速度和電流等反饋信息及外部輸入的命令，然后通過分析處理，決定控制器策略，向 SRD 系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器發(fā)出一系列執(zhí)行命令，進而控制SR 電動機運行，達到控制目的。控制器一般由單片機或者 DSP 芯片及外圍接口電路組成，在其中實現(xiàn)電機參數(shù)的比較分析以及控制運行算法的實現(xiàn)，在 SRD 系統(tǒng)中，要湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 求控制器實現(xiàn)下述性能： （ 1） 電流斬波控制； （ 2） 角度位置控制； （ 3） 啟動、控制、停車及四象限運行； （ 4） 速度調(diào)節(jié)。綜合采用有效的電機控制策略，減少轉(zhuǎn)矩脈動降低噪聲，實現(xiàn)電機優(yōu)良的調(diào)速性能。 位置檢測 根據(jù)所用光電傳感器個數(shù)的不同，位置檢測的方法可分為全數(shù)檢測和半數(shù)檢測兩種。前者所用的光電傳感器的個數(shù)與開關(guān)磁阻電機的相數(shù)相同，后者所用個數(shù)為相數(shù)的一半。半數(shù)檢測能節(jié)約成本，在本文位置檢測采用光電位置傳感器，它由裝在 軸上的轉(zhuǎn)盤和裝在定子上的光電傳感器件 01V 和 02V 組成。轉(zhuǎn)盤固定在轉(zhuǎn)子軸上，具有與轉(zhuǎn)子凸極和凹槽數(shù)相等的凸齒和凹槽，而且它們成均勻分布結(jié)構(gòu)都為 030 ，即外弧的弧長相等；光電傳感器件由光發(fā)生部件和光敏三極管接受電路組成，固定在定子或者機殼上轉(zhuǎn)盤與電機同步旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)盤的遮光、透光使光敏元件產(chǎn)生導(dǎo)通和關(guān)斷信號。對于四相 8/6極電機，只須在定子極上安裝兩個相距 1/4轉(zhuǎn)子齒距角，即相距 075 或 015的光電元件，見圖 。 圖 8/6 四相開關(guān)磁阻電機位置檢測圖 一般情況下，光電傳感器件在夾角為 075 時放置在 A 相軸線兩側(cè) 處，夾角 015情況下則其中一個光電傳感器件放在靠近 A 相軸線處與之成 角處。 A 相是處于和轉(zhuǎn)子極重合的位置，此時其相電感最大， 可以看出其與光電傳感器的齒盤是不重合的，而是由一個 的夾角。位置感器的輸出是由齒盤凸極遮擋光電器件的光線來實現(xiàn)的。當凸極遮住光線的時候，傳感器輸出低電平，沒有遮擋的時候輸出高電平，圖 表示的就是由傳感器產(chǎn)生的兩路輸出位置信號，并且給出它們與相繞組電感之間的對應(yīng)關(guān)系。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 一個轉(zhuǎn)子周期內(nèi)位置信號與相電感對應(yīng)變化 當電動機旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)被齒盤遮住與否，兩個光電傳感器通過外圍電路輸出兩路相位分別相差 015 的基本信號，經(jīng)過整 形、濾波可以獲得比較好的方波信號。通過分析兩路方波信號的位置狀態(tài)以及對兩路方波信號上升、下降沿的捕獲，可以得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的位置角度，可實現(xiàn)位置信號的反饋。同時，利用兩路信號上升、下降沿的捕獲，運用 T 方法 (測出相鄰的兩個捕獲信號之間的間隔時間來計算轉(zhuǎn)速的方法 )，進行電動機轉(zhuǎn)速的計算，可實現(xiàn)速度信號的反饋。 電流檢測 為了實現(xiàn)過電流保護，使電機安全運行 ，必須對繞組中的電流進行檢測，電流檢測電路一定要符合以下的條件： （ 1） 被測主電路 (強電部分 )與控制電路 (弱電部分 )間應(yīng)良好隔離，且有一定的抗干擾能 力。 （ 2） 靈敏度高，檢測頻帶范圍寬，可測含有多次諧波成分的直流電路。 （ 3） 單相電流檢測，在一定工作范圍內(nèi)具有良好的線性度。 SR 電機的工作原理 SRG 通常采用雙凸極結(jié)構(gòu)，如圖 所示，定、轉(zhuǎn)子均是由普通硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，定子上繞有集中繞組，由徑向相對的兩個繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組。從本質(zhì)上說 SRG 與一般的交流電機系統(tǒng)不同，其運行原理遵循“磁阻最小原則”， 即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，當轉(zhuǎn)子磁極軸線與定子磁極的軸線不重合時，便會有作用力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)距 ，從而使轉(zhuǎn)子向定子磁極的軸線方向運動或產(chǎn)生同方向的運動趨勢，直到定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合為止；若連續(xù)給各相定子繞組通電，則產(chǎn)生連續(xù)的脈振磁場，轉(zhuǎn)子將沿著與勵磁順序相反的方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。并且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向與電流方向無關(guān)，僅取決于勵磁順序。對于開關(guān)磁阻發(fā)電機來說，其一個通電周期可分為兩個階段，即勵磁階段和發(fā)電階段，且以發(fā)電階段為主。當主湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 開關(guān) K1 和 K2 導(dǎo)通時，定子繞組接受外電路的勵磁，外部供給的電能和機械能均轉(zhuǎn)化為磁場儲能； 當主開關(guān)關(guān)斷并通過二極管 D D2 續(xù)流時，磁場儲能和機械能都轉(zhuǎn)化成電能回饋電源或向負 載供電。正是開關(guān)磁阻電機這種分時勵磁的特性，使得其控制靈活，可控參數(shù)多，如開通角、關(guān)斷角、勵磁電壓以及控制方式等均對發(fā)電效果有重大影響。下面就以常用的四相 8/6 極開關(guān)磁阻發(fā)電機為例進一步闡釋其運行機理。 圖 開關(guān)磁阻發(fā)電機工作原理示意圖 如圖 ，圖中僅畫出 A 相繞組及其供電電路，其余各相與此相相同。設(shè)發(fā)電機在外力的驅(qū)動下，以逆時針方向旋轉(zhuǎn)。在圖示位置，定子 39。BB? 相繞組與轉(zhuǎn)子磁極 39。22?軸線重合，此時給定子 AA?’ 相繞組通電 ，即開關(guān) 1K 、 2K 閉合，該相通過直流電源 U進行勵磁。磁力線由定子 軛 經(jīng)定子極 A 、氣隙、轉(zhuǎn)子極 鐵心、轉(zhuǎn) 子極 1? ，再回經(jīng)定子極 A’ ，形成閉合回路。由于定子 AA?’ 相繞組軸線與轉(zhuǎn)子 極 11?? 不重合，根據(jù) “ 磁路最短原則 ” ，轉(zhuǎn)子極 11?? 將有向定子極 AA?’ 運動趨 勢，并受到該方向的力矩作用，即順時針方向，與驅(qū)動力矩相反，同時轉(zhuǎn)子上的機械能將轉(zhuǎn)化成磁能 貯藏在磁場中。當開關(guān) 1K 、 2K 斷開時 ， AA?’ 相電流通過二極 管 1D 、 2D 續(xù)流，繞組內(nèi)的電流方向不改變，電源 E 極性與原來相反，此時儲存在磁場中的磁能將釋放出來，并轉(zhuǎn)化成電能，回饋至電源，從而完成了機械能和電能之間以磁場為媒介的機電能量轉(zhuǎn)化過程。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 （ａ） A 相通電 （ b） B 相通電 （ c）Ｃ 相 通電 〔ｄ） D 相通電 圖 開關(guān)磁阻發(fā)電機各相順序通電的磁場情況 電機旋轉(zhuǎn)至 ?’CC繞組軸線與轉(zhuǎn)子極 ?’33軸線重合時，將勵磁切換至 ?’BB相，則?’BB相與轉(zhuǎn)子極 ?’22之間相互作用將和 ?’AA相與轉(zhuǎn)子極 ?’11之間相同。因此，連續(xù)不斷地按照 A B C D A? ? ? ?的順序給電機各相勵磁 ， 作用在轉(zhuǎn)子上的機械能將源源不斷地轉(zhuǎn)化成電能，實現(xiàn)發(fā)電運行 。 值得一提的是，若作用在開關(guān)磁阻發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的外力