【文章內(nèi)容簡介】 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(dāng) 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。因此本系統(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一個主開關(guān)，降低 功率驅(qū)動器 成本。 器不會發(fā)生直通短路故障，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。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 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(yīng)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(yīng)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(yīng)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。 開關(guān)磁阻電動機的應(yīng)用場合 由其性能特點，開關(guān)磁阻電動機可以在許多場合得到應(yīng)用： 在要求快速正反轉(zhuǎn)的一些工業(yè)應(yīng)用中，如紡織印染業(yè)，要求電動機反應(yīng)速度要快，其反應(yīng)時間不得大于 秒，電動機要能長期地、連續(xù)地、頻繁地處于正、 反轉(zhuǎn)交替變換的工作 狀態(tài)，電動機要有能在較寬廣的范圍內(nèi)無級調(diào)速的性能，電動機能長期地在濕、熱的環(huán)境中 工作。這時候，使用開關(guān)磁阻電機能收到意想不到的良好效果。 還有在要求轉(zhuǎn)速高度穩(wěn)定的一些工業(yè)應(yīng)用中，如化纖行業(yè)，開關(guān)磁阻調(diào)速電動機具有良 好的同步性能，而且不存在電刷磨損（如直流電動機）或恒磁體退化（如永磁同步電動機）的問題，可長期可靠工作。 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機良好的調(diào)速性能、寬廣的調(diào)速范圍、比較小的起動電流獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩、對稱的四象限運行特性等一系列突出優(yōu)點，對于滿 足龍門刨主傳動的高技術(shù)要求 提供了完全的可行性。 開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計 6 利用開關(guān)磁阻調(diào)速電動機恒轉(zhuǎn)矩特性好、動態(tài)響應(yīng)特性好的優(yōu)點，將其應(yīng)用于數(shù)控機床主軸直驅(qū)系統(tǒng)，取得了成功。這為我國普及型小型數(shù)控機床的主軸驅(qū)動提供了一種性價比很高的新動力。 空調(diào)、冰箱、洗衣機等家電發(fā)展的總趨勢是采用具有現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的電動機來取代 無 調(diào)速的電動機。這里最具資格的當(dāng)數(shù)無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)和開關(guān)磁阻調(diào)速電動機系統(tǒng)。而在性價比上開關(guān)磁阻調(diào)速電動機系統(tǒng)還占有一定的優(yōu)勢。 、船 驅(qū)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機高效、節(jié)能、調(diào)速范圍寬、啟、制動特性卓越，顯然是電動車驅(qū)動與控制系統(tǒng)的理想動力。國外已將 SRD 在電瓶車、鏟車、無軌電車、電動轎車、城市輕軌列車等方面進行廣泛應(yīng)用，其優(yōu)勢已經(jīng)明顯凸現(xiàn)出來，國內(nèi)這方面的研究開發(fā)也已取得了顯著的成效。將開關(guān)磁阻調(diào)速電動機應(yīng)用于水域的船只驅(qū)動上，可以避免機油、汽油、柴油對水域的污染，還可以大大減少噪 聲污染，這同樣是一個很有前途的應(yīng)用領(lǐng)域。 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機還可以用在其他許多領(lǐng)域，這需要相關(guān)人士更多的努力。相信開關(guān)磁阻調(diào)速電動機技術(shù)一旦普 及和推廣，一定會取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 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(dāng)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(fù)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(yīng)優(yōu)選表 21 所示的結(jié)構(gòu)類型。目前應(yīng)用較多的是四相 8/6 級結(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 21 所示。 表 21 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 電機可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機理粗略的分為兩大類 :一類是由電磁作用原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；另一類則是由磁阻變化原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 在第一類電機中，運動是定、轉(zhuǎn)子兩個磁場相互作用的結(jié)果。這種相互作用產(chǎn) 生開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計 8 使兩個磁場趨于同向的電磁轉(zhuǎn)矩。類似于兩個磁鐵的同極相斥、異極相吸 的現(xiàn)象。目前大部分電機都遵循這一原理，如一般的直流電機和交流電機 (包括永磁類電機 )。而 在第二類電機中，運動是由定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的。當(dāng)定子繞組通電時，產(chǎn)生一個單相磁場，其分布要遵循 “磁阻最小原則 ”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線與定子磁極的軸線不重合時，便會有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)距使其趨向于磁阻最小的位置，即兩軸線重合位置。類似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物體的現(xiàn)象。開關(guān)磁阻電機就屬于這一類型的電機。下面就以常用的三相 12/8 極開關(guān)磁阻電機為例進一步闡釋其運行機理。如圖 21 所示，具 體工作過程如下 : 圖 21 開關(guān)磁阻電機的典型結(jié)構(gòu)原理圖 圖 21 畫出了 A 相繞組及其供電電路，其余各相與此相相同。結(jié)構(gòu)上與步進電動機相似的 SR 電動機的運行原理亦遵循 “磁阻最小原理 ”一一磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必須使自己的主軸線與磁場的軸線重合。在圖 22 示位置，當(dāng)定子一極受到勵磁時，電機內(nèi)建立以定子對角線為軸線的磁場，其磁通經(jīng)過定子扼、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛閉合。此時穿過氣隙的磁力線是彎曲的，磁阻大于定、轉(zhuǎn)子軸線重合時 的磁阻，因此轉(zhuǎn)子將受到彎曲磁力線切向分力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的作用，而沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子極軸線與定子極軸線重合時，此相勵磁繞組的電感達到最大值，轉(zhuǎn)子達到穩(wěn)定平衡位置，切向磁力消失，如果轉(zhuǎn)子上無外部驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，則需要將下一相導(dǎo)通，以維持轉(zhuǎn)距，如此逐相導(dǎo)通，電機將連續(xù)轉(zhuǎn)動作電動機運行。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 22 開關(guān)磁阻電機一相通電的磁場情況 由通電磁場情況得出開關(guān)磁阻電動機的正反轉(zhuǎn)與定子極的通電順有關(guān)，而與相繞組的電 流方向無關(guān)。 為了更加清楚地理解開關(guān)磁阻電機的基本原理，本文將開關(guān)磁阻電機與步進電機和自整步同步電機作了比較，見表 22。由此可見，開關(guān)磁阻電機是現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。 表 22 開關(guān)磁阻電機與三種類似電動機比較 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(yīng)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 類比 第一組 步進電機 不同點 開關(guān)磁阻電機 第二組 開環(huán)控制會丟失步，角度精密傳動 轉(zhuǎn)子無需勵磁，定子繞組采用直流脈沖供電 均為雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子無勵磁。都各相的通電順序得到正反轉(zhuǎn) 位置和速度的閉環(huán)控制，不單是功率型驅(qū)動電機 相同點 開關(guān)磁阻電機 自整步電機 都采用轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制的自控變頻器供電 轉(zhuǎn)子需勵磁定子多組交流電勵磁 開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計 10 電機第 j 相的電動勢平衡方程式： dtdIRU jjjj ??? 在 SR 電機中，各相繞組的磁鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)子位移角和各相繞組電流的函數(shù)，故磁鏈為： )。.. .,( 321 ?qj iiii??? 進一步考察 SR 電機能量流，有 ??? ?ddLIILdtdIU jjJjjj 2)21( 22 上式表明，輸出功率的一部分轉(zhuǎn)為磁場儲能增量，另一部分則為輸出的機械功率，可以說 SR 電機正是利用其不斷的能量儲存，轉(zhuǎn)換而獲得高效、大功率的性能。 當(dāng)電動機電磁轉(zhuǎn)矩 T 與作用于電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩不相符時，轉(zhuǎn)速就會發(fā)生變化 產(chǎn)生角加速度 dtd? ，根據(jù)力學(xué)原理，可以寫出這時的轉(zhuǎn)矩平衡方程式 LTKdtdJT ????? ? 由于電路、磁路的非線性和開關(guān)性，使得上述方程組很難計算，通常需要根據(jù)具體運行狀態(tài)和研 究目的進行必要的簡化，一般都采用線性模型進行簡化，線性模型有利于 對 SR 電 機的定性分析了解其運行的物理狀況、內(nèi)部各物理量的基本特點和相互關(guān)系。 在線性模型中作如下假設(shè)； (1) 忽略磁通邊緣效應(yīng)和磁路非線性，且磁通率，因此繞組電感 L 是轉(zhuǎn)子位置的分段線性函數(shù)。 (2) 忽略所有功率損耗。 (3) 功率管開關(guān)動作瞬時完成。 (4) 電機恒速運轉(zhuǎn)。 在上述假設(shè)條件下的電機模型為理想線性模型，繞組電感 L 與轉(zhuǎn)子位移角θ的關(guān)系如圖 23 所示。圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角 (機械角 )，它的基準(zhǔn)點即坐標(biāo)原點 θ =0 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 的位置，對應(yīng)于定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置，這時相電感為最小值， 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過半個極距時，該相定、轉(zhuǎn)子凸極中心完全對齊，電感為最大值，隨著定、轉(zhuǎn)子磁極重疊的增加和減少，相電感則在和線性地上升和下降 。 圖 23 繞組電感 L 與轉(zhuǎn)子位移角θ的關(guān)系 開關(guān)磁阻電動機的調(diào)速控制方式 開關(guān)磁阻電動機是一種典型的機電一體化裝置。雙凸極磁阻電動機的正常運行離不開可控的開關(guān)電路控制器。而每個控制器功能的實現(xiàn)都離不開合理的控制策略，本節(jié)著重研究開關(guān)磁阻電機的控制原理，介紹各種調(diào)速控制方案。該系統(tǒng)的控制具有兩個 層面 :一是，電機控制層面，即通過調(diào)節(jié)電機自身的參數(shù)改變電機的運行特性，這一層關(guān)系是直接的；二是，系統(tǒng)控制層面，這個層面是將控制策略應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機及其外圍的設(shè)備 (控制器、信號檢測裝置等 )，并使之為達到某一控制目標(biāo)協(xié)同運作，這種控制是通過功率變換器間接作用在電機之上的。這個層面上的控制是種通用技術(shù)， 能夠應(yīng)用在其它電機上的控制理論基本上都可以應(yīng)用在開關(guān)磁阻電機上，比如最常見的 PI 或 PID 調(diào)節(jié)、模糊控制等；而電機層面上的控制則是開關(guān)磁阻電機所特有的，下文將對其具體控制策略加以總結(jié)和討論 。 SR 電機的可控變 量一般有施加于相繞組兩端的電壓 U、相電流 I、開通角和關(guān)通角等。開關(guān)磁阻電機的控制簡單的說就是對上述參數(shù)進行調(diào)節(jié)，根據(jù)上述控制參量的不同，主要可分為以下三種控制方式 :角度位置控制 (APC，又叫單脈沖控制 )、電流斬波控制 (CCC，又叫電流 PWM 控制 )、電壓斬波控制 (CVC，又叫電壓 PWM 控制 )。 開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計 12 電流斬波控 制（ CCC）方式 開關(guān)磁 阻電機在基速 b? 以下運 行時，由于轉(zhuǎn)速較慢，旋轉(zhuǎn)電動勢較小，繞組電 流上升率較大，為避免過大的電流和磁鏈峰值，獲得恒轉(zhuǎn)矩機械特性，采用電流斬波控制（ CCC） 方式。電流斬波控制是通過固定開通角 on? 、關(guān)斷角 off? ，通過主開關(guān)器件的多次導(dǎo)通關(guān)斷將電流限制在給定范圍內(nèi)實現(xiàn)電機恒轉(zhuǎn)矩控制。 CCC 控制方式下的相電流波形見圖 24。顯然，當(dāng)固定開通、關(guān)斷角時，調(diào)節(jié)斬波就相當(dāng)于調(diào)節(jié)關(guān)斷角，或者說是電流開通區(qū)間的長度。但是它們之間也有