【文章內(nèi)容簡介】 電動機的轉(zhuǎn)矩脈動減小，運行平穩(wěn)，但增加了電動機的復(fù)雜性和功率電路的成本；相數(shù)減少，有利于降低成本，但轉(zhuǎn)矩脈動增大，且兩相以下的SR 電動機沒有自起動能力（指電機轉(zhuǎn)子在任意位置下，繞組通電起動的能力）。所以，最常用的是三相和四相SR電動機。 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機的結(jié)構(gòu)（1） 單相開關(guān)磁阻電動機單相SR電動機的功率電路只需一個開關(guān)管和一個二極管，其功率變換器成本最低，且電機的繞組數(shù)和引線最少。因此，作為小功率電機它在家用電器和輕工設(shè)備等應(yīng)用中有很大的吸引力。單相SR電動機一般定、轉(zhuǎn)子采用相同的極數(shù)，常用的有2/2極、4/4極、6/6極、8/8極等，但值得注意的是，單相SR電動機不能自起動，需要采取一定的輔助起動措施。（2） 兩相開關(guān)磁阻電動機常規(guī)的兩相 SR 電動機在定、轉(zhuǎn)子磁極中心線對齊位置（對齊位置）和定子極中心與轉(zhuǎn)子槽中心對齊位置（不對齊位置）也不具備自起動能力，而且還存在較大的轉(zhuǎn)矩“死區(qū)”。為了可靠地自起動，兩相SR 電動機可采用不對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或不對稱定子結(jié)構(gòu)。兩相SR電動機結(jié)構(gòu)簡單、電機和控制器成本低、連接線少；槽空間大，為減小繞組銅損耗提供了便利；大的鐵心截面使定子具有較高的機械強度，有利于降低電機的噪聲；相對較低的換流頻率，也降低了鐵心損耗。此外，不對稱位置的大氣隙提高了電感比值，有利于產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩。因此，如果不要求同時具備正、反轉(zhuǎn)向，可優(yōu)先選擇具有自起動能力的兩相SR電動機。（3） 三相和四相開關(guān)磁阻電動機三相以上SR電動機都具備正、反方向自起動能力。目前應(yīng)用最多的SR電動機是三相6/4極和四相8/6極結(jié)構(gòu)。四相8/6極SR電動機是國內(nèi)絕大部分產(chǎn)品所采用的，其極數(shù)、相數(shù)適中，轉(zhuǎn)矩脈動不大，特別是起動較平穩(wěn)，經(jīng)濟(jì)性也較好。三相6/4極電機是極數(shù)最少，相數(shù)最少的可雙向自起動SR電動機，故經(jīng)濟(jì)性較好；與四相8/6極電機相比，同樣轉(zhuǎn)速時要求功率電路的開關(guān)頻率較低，因此適合于高速運行。但是其步距角較大（為30176。），轉(zhuǎn)矩脈動也較大。（4） 五相及更多相開關(guān)磁阻電動機采用五相以上SR電動機的目的多是為了獲得平滑的電磁轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)矩脈動，另一個優(yōu)點是在無位置傳感器控制中可獲得穩(wěn)定的開環(huán)工作狀態(tài)。但其缺點也很明顯，電機和控制器的成本和復(fù)雜性大大提高。鑒于以上分析，相比較而言，本論文研究的三相開關(guān)磁阻電機具有啟動性能好、低速和制動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬，適用于頻繁啟、制動等優(yōu)點，并且功率電路簡單可靠、電動機堅固耐用，是一種非常優(yōu)越的調(diào)速系統(tǒng)。 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機的工作原理SRM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(dāng)定子某相繞組通電時，所產(chǎn)生的磁場由于磁力線扭曲而產(chǎn)生切向磁拉力，試圖使相近的轉(zhuǎn)子極旋轉(zhuǎn)到其軸線與該定子極軸線對齊的位置，即磁阻最小位置。SRM在結(jié)構(gòu)上與反應(yīng)式大步距角步進(jìn)電機相似，定、轉(zhuǎn)子均為齒槽結(jié)構(gòu)，由硅鋼片疊壓而成，定子上有簡單的集中繞組，轉(zhuǎn)子無任何繞組，亦無永磁，定、轉(zhuǎn)子齒極數(shù) Ns、Nr不等，定子上每徑向相對的繞阻串聯(lián)構(gòu)成一相繞組，故相數(shù)m=Ns/2。SRM定子、轉(zhuǎn)子齒數(shù)有多種配合，但為了加大定子相繞組電感隨轉(zhuǎn)角的平均變化率以提高電機的出力，定子和轉(zhuǎn)子齒極數(shù)應(yīng)盡量接近，徑向必須對稱，所以雙凸極的Ns,Nr應(yīng)為偶數(shù)，并考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，故最常用的關(guān)系為其Ns=Nr+2，從自起動能力及能否正反轉(zhuǎn)考慮，應(yīng)選擇相數(shù)m≥3,一般來說，相數(shù)少則功率變換電路簡單，成本也低。目前常用的是8/6，6/4兩種結(jié)構(gòu)。:當(dāng)A相通電時，因磁通總要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，最終將使某轉(zhuǎn)子極軸線與定子極軸線對齊 。A 相斷電，C 相通電，則使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)，最終使某轉(zhuǎn)子極軸線與定子 極軸線對齊 。在一個通電周期內(nèi)，轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過330176。，即一個轉(zhuǎn)子齒極距（Tr）。如此循環(huán)往復(fù)，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)。 三相SR電動機的工作原理圖SRM電動機的轉(zhuǎn)動方向總是逆著磁場軸線的移動方向，改變SRM電動機定子繞組的通電順序，即可改變電機的轉(zhuǎn)向；而改變通電相電流的方向，并不影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向。由此可見：（1） SR電機的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，僅取決于相繞組通電的順序；（2） 需設(shè)置有轉(zhuǎn)子位置傳感器以確定定子每相繞組何時需要通電或斷電；（3）　轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由連續(xù)開閉定子極繞組的頻率所決定，輸出的扭矩由通過定子極繞組的電流來決定。這樣，就可以視負(fù)荷的性質(zhì)實現(xiàn)恒扭矩或恒功率調(diào)速系統(tǒng)。從理論分析上看，SR電機電動勢方程為： （）式中， 為變壓器電勢，用于建立磁場；中為運動電勢或旋轉(zhuǎn)電勢；ir為電機繞組壓降。當(dāng)0時，電機吸收電能輸出機械能，產(chǎn)生拖動轉(zhuǎn)矩；當(dāng)0時，電機放出電能吸收機械能 。可見，開關(guān)磁阻電機可實現(xiàn)四象限運行。在理想狀況下。，SR電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程為： （） 由上式可見，相繞組在恒定電流i作用下。因此，SR電機的轉(zhuǎn)矩方向不受電流方向的影響，僅取決于電感隨轉(zhuǎn)角的變化。 相電感、轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置的變化若0時，相繞組有電流通過，產(chǎn)生拖動轉(zhuǎn)矩（正轉(zhuǎn)矩）；若0，相繞組流過電流，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。因此，通過控制加到SR電機繞組中電流脈沖的幅值、寬度及其與轉(zhuǎn)子的相對位置，即可控制 SR電機轉(zhuǎn)矩的大小與方向，這就是開關(guān)磁阻調(diào)速電機控制的基本原理。 開關(guān)磁阻電動機的基本數(shù)學(xué)模型由于SRM鐵芯中磁場高度飽和，且相繞組為脈動電流，電機運行時，相繞組自感L不是常數(shù)，隨繞組電流i和轉(zhuǎn)子位置而改變，繞組電流和磁鏈變化亦不規(guī)則，均與有關(guān)，且控制電路也非線性，故SRD的參數(shù)和各個物理量的變化規(guī)律都很復(fù)雜。在忽略鐵芯損耗，假設(shè)各相結(jié)構(gòu)和參數(shù)對稱，且相間獨立的條件下，其主要方程為：（1） 電壓方程： u= +r?i （） 式中，u為繞組端電壓，r為相繞組電阻。（2） 磁鏈方程：=L?i （） （3）轉(zhuǎn)矩方程： （）式中，為磁共能（4） 機械運動方程： – =? （） 式中，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩GD2為轉(zhuǎn)子及負(fù)載的總的飛輪矩。以上幾式構(gòu)成了研究SRD的基本數(shù)學(xué)模型。電機調(diào)速的任務(wù)是控制轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)矩來改變，若能快速準(zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)矩，就能很好地控制轉(zhuǎn)速，因此調(diào)速的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩的控制。轉(zhuǎn)矩與繞組中流過的電流及其作用位置有關(guān)，對電流的控制實際就是對轉(zhuǎn)矩的控制。控制電流的方法有很多，SRD最為常用的控制方式有如下幾種：（1） 調(diào)壓控制調(diào)節(jié)電機繞組的供電電壓可實現(xiàn)對相繞組電流的控制，即可以對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，若忽略相繞組電阻r則（）式可寫為： u ==L+i=L+i （） 相繞組的一個導(dǎo)通周期 有正有負(fù)，L也有變化，在定性分析中，近似以為一個導(dǎo)通周期內(nèi)有： ，假設(shè)為常數(shù)，聯(lián)立（）與（）兩式有： =K 或 （）顯然調(diào)節(jié)電機繞組端電壓u，即可對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)其優(yōu)良的調(diào)速性能。目前常用的調(diào)壓控制方案主要有兩類：一是相控整流調(diào)壓方案，二是PWM斬波調(diào)壓控制方案。相控整流調(diào)壓利用晶閘管的移相延時導(dǎo)通來調(diào)節(jié)其輸出電壓，目前，晶閘管的開關(guān)功率可達(dá)5000V，5000A水平。故采用這種方案，其容量可做得很大，且晶閘管承受浪涌電流能力強，成本也較低，曾經(jīng)在直流調(diào)速等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，但其控制性能差，輸入、輸出關(guān)系復(fù)雜，開關(guān)速度低，開關(guān)損耗大，且空載或輕載功率因數(shù)低，對電網(wǎng)污染嚴(yán)重，調(diào)節(jié)周期受到電網(wǎng)頻率的限制。（2） 斬波限流控制低速運行時，繞組導(dǎo)通周期長，電流峰值大，故需限制其電流值，靠加大開通角，減少導(dǎo)通區(qū)，固然可以限流，但會降低電機出力，此時宜采用斬波限流。斬波限流控制的實現(xiàn)有兩種方案：一是對電流的上、下都控制，斬波時電流的峰值與谷值均可齊平。 所示，其優(yōu)點是電流波形比較平整，但開關(guān)頻率不容易控制。二是僅控制電流的峰值，電流一旦超限就關(guān)斷繞組一段很短的時間， 此方案的優(yōu)點是控制較為簡單。顯然無論采用哪種控制方案，通過調(diào)節(jié)斬波電流的限幅，即可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制，從而達(dá)到對速度的控制。滯環(huán)比較器電流上下限給定導(dǎo)通區(qū) 斬波限流控制圖（3） 單脈沖控制 隨著轉(zhuǎn)速的升高，運動反電勢增大，且各相繞組開關(guān)導(dǎo)通時間相對縮短，電流峰值受到有效抑制，此時，相繞組電流呈單脈沖形狀，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加而迅速下降，為抑制轉(zhuǎn)矩的快速下降，可對各相繞組進(jìn)行導(dǎo)通位置及導(dǎo)通區(qū)長短的控制（單脈沖控制），從而控制電流及轉(zhuǎn)矩，控制參數(shù)是開通角及關(guān)斷角，其中是主要控制參數(shù)，一般是優(yōu)選，控制。 本章小結(jié)本章通過介紹開關(guān)磁阻電機的組成，相數(shù)與結(jié)構(gòu)，工作原理，基本數(shù)學(xué)模型，使研究更加深入，為下面的進(jìn)一步研究做了必備的鋪墊。第3章 開關(guān)磁阻電動機起動方式與起動轉(zhuǎn)矩分析開關(guān)磁阻電動機(Switched Reluctance Drive以下簡稱為SRD)由于結(jié)構(gòu)簡單,運行可靠,控制靈活,效率高等優(yōu)點,、轉(zhuǎn)子鐵心均為凸極結(jié)構(gòu),磁路具有很高的飽和度,繞組又是單極性脈沖供電,運行機理與常規(guī)電動機有很大不同,國內(nèi)外電工界對此作了深入的探索。這里,我們對SR電動機起動轉(zhuǎn)矩大()。起動電流小(僅為額定電流的30%)這一優(yōu)良的起動特性進(jìn)行全面分析：首先分析了SR電動機的起動方式。其次,在論述相繞組電流為平頂波時的起動轉(zhuǎn)矩、起動電流及起動時的能量比率的基礎(chǔ)上,回答了SR電動機為什么起動電流小而起動轉(zhuǎn)矩大這一問題。最后給出了實驗數(shù)據(jù)。 SR電動機起動方式SR電動機由靜止到正常運轉(zhuǎn)須經(jīng)歷的起動過程與步進(jìn)電動機不同,SR電動機始終工作在有位置反饋的自同步狀態(tài),因此,SR電動機不存在起動過程中因轉(zhuǎn)速過高而引起失步導(dǎo)致起動失敗的問題，而且,SR電動機起動方便,無需輔助設(shè)備。下面以四相8/6極SR電動機為例,分析它的起動方式。四相8/6極SR電動機有兩種起動方式：一是單相通電起動方式,二是兩相繞組同時通電起動方式。 四相開關(guān)磁阻電動機單相通電合成啟動轉(zhuǎn)矩現(xiàn)將SR電動機A、B、C、D四相繞組的矩角特性T(i,H)。顯然,轉(zhuǎn)子處于不同位置,并且給不同的相通電,電動機所獲得的起動轉(zhuǎn)矩大小及方向都不同。,是D、A兩相轉(zhuǎn)矩曲線交點。為獲得盡可能大的起動轉(zhuǎn)矩,不同的轉(zhuǎn)子位置應(yīng)給不同的相通電：15176。+～區(qū)間D相通電；～+15176。區(qū)間A相通電；+15176?！?30176。區(qū)間B相通電；+30176?！?45176。區(qū)間C相通電；即一個轉(zhuǎn)子極距(60176。)內(nèi),SR電動機各相通電起動次序為DABCD。由上可知,單相通電起動的最小起動轉(zhuǎn)矩為相鄰兩相矩角特性交點處的轉(zhuǎn)矩,故加在SR電動機軸上的總負(fù)載必須小于最小起動轉(zhuǎn)矩,電動機才可能在任意位置起動,否則便會出現(xiàn)起動“死區(qū)”。因此,最小起動轉(zhuǎn)矩代表了電動機帶負(fù)載能力的極限。任一位置,有兩相同時通電起動,每相通電1/,若不計相繞組間磁耦合,兩相同時通電的合成起動轉(zhuǎn)矩可近似地由同時通電相的各矩角特性相加求得。這時,在一個轉(zhuǎn)子周期(60176。)內(nèi),SR電動機各相通電次序為AD、AB、CB、CD。,兩相通電起動方式的起動轉(zhuǎn)矩的最小值約為一相繞組轉(zhuǎn)矩最大值的70%左右,與單相起動方式相比,帶負(fù)載能力明顯增強,起動過程平穩(wěn)；再者,若負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定,兩相通電起動所需的起動電流幅值明顯低于單相起動所需電流幅值。因此,兩相通電起動優(yōu)于單相通電起動，四相8/6極或三相6/4極SR電動機均采用兩相通電起動。 兩相通電啟動轉(zhuǎn)矩曲線 起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和起動時的能量比率⑴基本關(guān)系和假設(shè)為分析方便,作以下假設(shè)：①相繞組電流為平頂波,，；②當(dāng)轉(zhuǎn)子極軸線與定子槽中心線重合時具有最小電感,且為常數(shù)；③當(dāng)定、轉(zhuǎn)子極軸線重合時,起始磁化曲線上升至D點,相應(yīng)的電感為以后則以的斜率變化,即DB平行于OA,且以固定的磁鏈為截距；定轉(zhuǎn)子極軸線重合位置的飽和電感為；定義：飽和因數(shù) （） 不飽和電感比 （）④平頂電流結(jié)束時,工作點至C,這就是換相點。相應(yīng)有：AC=c?AB=c。式中c1,AC表示A點和C點之間的磁鏈變化,它等于這兩點間的電壓時間積分換相開始后,工作點循CE移動,即假設(shè)與AO平行,然后沿EO由逆變器強制磁鏈下降(假設(shè)在C和O點之間有(U)電壓作用于繞組)。 開關(guān)磁阻電動機的平頂波電流及電感曲線 開關(guān)磁阻電動機一相磁鏈/電流特性在CE段,電動機在繼續(xù)輸出機械能的同時,將部分能量回饋電源；至E點(即定、轉(zhuǎn)子極軸線重合位置)后,電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)轉(zhuǎn)矩,電動機運行于發(fā)電狀態(tài),將能量回饋電源。故電動機每一步的電磁能量,即轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的有效能量,等于磁鏈/電流圖中各工作點所構(gòu)成的閉合曲線的面積,，反饋給電源的能量為面積OECGO。⑵轉(zhuǎn)矩表達(dá)式按上節(jié)假設(shè),圖4中的E點和B點的磁鏈分別為： E點： （） B點：