【導(dǎo)讀】肅蟻羈膁肂莁螁肇膁蒃羇羃膀薅蝿衿腿螈薂芇膈蕆袈膃膈薀蟻聿膇螞袆羅膆莂蠆袁芅蒄襖膀芄薆蚇肆芃蠆袃節(jié)蒈蚅羈節(jié)薀羈襖芁蚃螄膂芀莂罿肈艿蒅螂羄莈薇羇袀莇蠆螀腿莆荿薃膅莆薁蝿肁蒞蚄蟻羇莄莃袇袃莃蒆蝕膂莂薈裊肈蒁蝕蚈羃蒀莀袃衿蒀蒂蚆羋葿蚅袂膄蒈螇螅肀蕆蒆羀羆肄蕿螃袂肅蟻羈膁肂莁螁肇膁蒃羇羃膀薅蝿衿腿螈薂芇膈蕆袈膃膈薀蟻聿膇螞袆羅膆莂蠆袁芅蒄襖膀芄薆蚇肆芃蠆袃節(jié)蒈蚅羈節(jié)薀羈襖芁蚃螄膂芀莂罿肈艿蒅螂羄莈薇羇袀莇蠆螀腿莆荿薃膅莆薁蝿肁蒞蚄蟻羇莄莃袇袃莃蒆蝕膂莂薈裊肈蒁蝕蚈羃蒀莀袃衿蒀蒂蚆羋葿蚅袂膄蒈螇螅肀蕆蒆羀羆肄蕿螃袂肅蟻羈膁肂莁螁肇膁蒃羇羃膀薅蝿衿腿螈薂芇膈

　　

【正文】 電磁設(shè)計 主要技術(shù)指標 電源電壓： UN=260V 額定功率： PN=11KW 額定轉(zhuǎn)速： nN=1000r/min 效率： η N= 調(diào)整范圍： 100～ 1000r/min 為恒轉(zhuǎn)矩特性， 1000～ 1500r/min 為恒功率特性。 電動機設(shè)計步驟 1） 根據(jù)給定的設(shè)計要求即額定數(shù)據(jù)選擇電動機的相數(shù)、極弧和繞組供電電壓； 2） 確定電動機的主要尺寸，即定子外徑和鐵心長度。理論研究和實際應(yīng)用表明，SR 電動機與同機座號異步電動機的額定輸出轉(zhuǎn)矩相當(dāng)，可參照異步電動機尺寸初選SR 電動機主要尺寸； 3） 確定定、轉(zhuǎn)子極弧，可依據(jù) 一定比例關(guān)系優(yōu)選； 4） 計算電動機的其他尺寸。 主要尺寸包括：定子外徑 D定子內(nèi)徑 Di轉(zhuǎn)子外徑 D轉(zhuǎn)子內(nèi)徑 Di鐵心長度 l、氣隙長度 g、定子極弧寬度 β s、轉(zhuǎn)子極弧寬度 β r、定子軛高 hc、轉(zhuǎn)子軛高 hr、定子極距 τ s、轉(zhuǎn)子極距 τ r。 Di1=(～ )D1, β s=(～ ) τ r, β r=(～ ) β s, hc=(～ )(D1Di1)/2, hr=(～ )(D2Di2)/2 5) 選擇導(dǎo)通角和磁負荷，計算繞組匝數(shù)； 6） 選擇槽滿率，計算導(dǎo)線 線徑及每相繞組電阻； 7） 核算電機性能 （ 1） 計算并?；畲箅姼形恢?、最小電感位置、交界位置的磁化曲線； （ 2） 計算實際繞組電流的峰值和有效值； （ 3） 選擇系數(shù)，計算理想方波電流幅值； （ 4） 計算并判斷平均電磁轉(zhuǎn)矩、鐵心各部分平均磁密極值、繞組電流密度是否滿足額定數(shù)據(jù)和限制條件。 8） 以 Y=min? ?emavrcrsCU TT),B,h,h,1Di(J ??? 為目標優(yōu)化設(shè)計方案。下表給出了11KWSR 電動機幾何尺寸的優(yōu)化結(jié)果。 單位： mm 表 21 定子外徑 D1 260 鐵心長度 l 195 氣隙 g 鐵磁材料 D23 待優(yōu)化的尺寸 目標函數(shù) 約束條件 序號 Di1 β s β r hc hr Jcu （ A/cm2） Bs B c 1 164 2 161 3 162 4 165 5 163 6 165 7 165 注： Bs、 B c 分別為定子磁極部和磁軛部的平均磁感應(yīng)強度； Jcu 為電動機繞組電流密度。 起動性能 起動是 SR電機運行中的一個組成部分。 SR電機起動的基本要求是：起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小，起動時間短。通常，單相 SR 電機沒有自起動 能力；兩相 SR 電機可以在任意轉(zhuǎn)子位置上起動，但只能但方向起動；三相和三相以上的 SR 電機在任意轉(zhuǎn)子位置上都具有正反向的自起動能力。 SR 電機起動時，不需要其他輔助的起動設(shè)備，四相 8/6極 SR電機存在兩種起動方式：一相起動和兩相起動。 一相起動 當(dāng)四相繞組通以恒定方波電流時，在起動過程中，由于反電動勢很小，電流很大，因此電機實際上運行于電流斬波狀態(tài)，且起動初期控制參數(shù)，可等效為幅值為的理想方波電流。各相轉(zhuǎn)矩曲線互相重疊，在任意轉(zhuǎn)子位置都有起動轉(zhuǎn)矩。由于電機轉(zhuǎn)子初始位置不同，起動轉(zhuǎn)矩大小不同。在各相轉(zhuǎn)矩 波形交點處，起動轉(zhuǎn)矩最小。 A、 D相中任一相繞組導(dǎo)通產(chǎn)生的起動轉(zhuǎn)矩相同。設(shè)此時為正向轉(zhuǎn)矩，電機為正轉(zhuǎn)向。如果改變電機起動轉(zhuǎn)向，應(yīng)給 B、 C 相中任一相繞組通電，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置在θ S之前應(yīng)由 D相繞導(dǎo)通（正轉(zhuǎn)向）或 B像繞組導(dǎo)通（負轉(zhuǎn)向）；在θ S之后由 A相繞組導(dǎo)通（正轉(zhuǎn)向）或C相繞組導(dǎo)通（負轉(zhuǎn)向）。θ S位置上起動轉(zhuǎn)矩 Tstmin 稱為最小起動轉(zhuǎn)矩。如果負載轉(zhuǎn)矩小于最小起動轉(zhuǎn)矩，則在任意轉(zhuǎn)子位置上 SR 電機均可起動。反之，則存在起動死區(qū)?？紤]任意轉(zhuǎn)子位置的起動要求，可定義 SR 電機一相起動時的起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為 Km=NTminTst 兩相起動 如果起動時 SR 電機兩相繞組同時導(dǎo)通，則起動轉(zhuǎn)矩則兩相繞組共同產(chǎn)生。忽略相間磁耦合和磁路飽和的影響，起動轉(zhuǎn)矩可根據(jù)各相矩角特性相加，起動轉(zhuǎn)矩波動明顯減小，平均轉(zhuǎn)矩增大。因此，兩相起動所需的起動電流幅值小于一相起動時的起動電流幅值，有利于降低主開關(guān)管的電流容量，降低系統(tǒng)成本。但由于兩相間同時導(dǎo)通，電流有效值增大，起動過渡過程中能量損耗有所增加。在任意轉(zhuǎn)子位置，兩相起動的起動轉(zhuǎn)矩均比較一致，產(chǎn)生的電流沖擊和機械沖擊比較小，起動性能優(yōu)于一相起動。下表為一臺四 相 8/6 極 SR電機兩相起動方式比較計算值。 表 22 一臺四相 8/6 極 SR電機兩種起動方式比較 起動方式 起動電流 /A 起動轉(zhuǎn)矩標幺值 幅值 有效值 最小值 平均值 最大值 一相 兩相 第 3 章 功 率 變 換 器 開關(guān)磁阻電動機的各相繞組電流要保持一定相序，有一定通斷時刻，這就需要功率半導(dǎo)體構(gòu)成的變換器來實現(xiàn)。這個變換器由直流（或交流整流） 電源，構(gòu)成周期性的脈沖電流，供給電動機各相繞組，以驅(qū)動電動機運行并實現(xiàn)各種控制。所以，功率變換器的作用有三個：一是起開關(guān)作用，使繞組與電源接通或斷開；二是為繞組的儲能提供回饋路徑；三是為 SR電機提供能量，以滿足所需機械能的轉(zhuǎn)換需要。 由于 SR 電動機的繞組只需單向電流勵磁，故其功率變換器比其他交流調(diào)速系統(tǒng)的逆變器更簡單可靠。在整個 SRD 成本中，功率變換器占有主要的比重。因此，合理設(shè)計變換器便是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。但是，作為一個典型的機電一體化系統(tǒng)，功率變換器又必須與電動機和控制器緊密結(jié)合，進行全面分析和綜合考 慮。事實上， SRD 的一些參數(shù)，如相數(shù)、定轉(zhuǎn)子極數(shù)、定轉(zhuǎn)子極弧尺寸、直徑、匝數(shù)、功率變換器的主電路、運行方式及控制變量、 SR電機的繞組形式等，在設(shè)計中有很大的選擇余地。因此，必須綜合上述各種因數(shù)和利弊全面考慮，以尋求 SRD 設(shè)計參數(shù)的最佳組合方案。 功率變換電路的主電路拓撲形式 合理設(shè)計功率變化器是提高 SRD 性能 /價格的關(guān)鍵。而功率變換器的主電路形式，對系統(tǒng)的效率和成本又有很大的影響。理想的 SR電機功率變換器應(yīng)具備以下幾個性能： （ 1）、在任何速度下，均能給相繞組提供充分的勵磁電壓，以迅速建立相電 流，且迅速釋放繞組磁場能量； （ 2）、能通過對主開關(guān)器件的控制，有效地控制相電流； （ 3）、對有電流重疊的電動機，能提供各相電流的獨立控制； （ 4）、對電動機相數(shù)沒有限制； （ 5）、開關(guān)器件的額定電壓與供電電壓接近； （ 6）、低開關(guān) /相數(shù)比。 幾種常見的主電路形式 圖所示的三種典型的主電路圖。其中，為簡化分析，僅畫出了其中的一相電路。 圖（ 31） 圖（ 32） 圖（ 33） 在圖 31中，每相有兩個主開關(guān)管 S1， S2 及續(xù)流二極管 VD1， VD2。上下兩只主開關(guān)同時導(dǎo)通和關(guān)斷，各主開關(guān)管的電壓為電源 US。若主開關(guān)選用 GTR、 GTO 等器件，則續(xù)流二極管的額定電壓近似為 US；若選用普通晶閘管，二極管定額則為 US+UA，其中 UA為換相時晶閘管的反向電壓。這種電路適宜在高壓、大功率及 SR 電動機相數(shù)較少的場合應(yīng)用。 在圖 32所示的雙繞組功率變換器中，每相僅有一個主開關(guān)器件，但每相有一個二次繞組與一次惻重合。主開關(guān)器件的額定電壓為 2US+? U（? U 為考慮不完全耦合所加的裕量），至少是電動機繞組電壓額定值的兩倍。這種變換器的缺點 是未能用足主開關(guān)的額定電壓，且電動機中銅線利用率低。其優(yōu)點是開關(guān)元件較少。這種變換器在電壓較低的場合得到廣泛應(yīng)用。 圖 33表示由裂相電源供電的電路，每相只有一個主開關(guān)器件。上臂從上半部電容吸收電能，剩余能量回饋給下半部電容。下臂從下半部電容吸收能量，剩余能量回饋給上半部。這種方案只適用于偶數(shù)相的 SR 電動機。每個主開關(guān)器件和續(xù)流二極管的額定電壓為 US+? U（? U 系因換相引起的任一瞬變電壓），而加到繞組兩端的電源電壓僅為US/2。這種方案對蓄電池供電的系統(tǒng)是很合適的。 SR 電動機功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式很多 ，這主要表現(xiàn)在其主開關(guān)器件的定額大小、元器件的數(shù)量、能量回饋的方法以及適用的場合。 四相電容裂相式主電路的 工作原理 圖所示為一四相 SR 電機采用的電容裂相式主電路。圖中電源 US 為三相交流電經(jīng)整流后的電壓，并由大電容 C C2分壓，得到中點電位 U0=US/2。 A、 B、 C、 D 相為電動機的四相繞組，每相各用一只主開關(guān)和一只續(xù)流二極管。 圖 34 四相電容裂相式主電路 主開關(guān)器件的選擇 對于驅(qū)動系統(tǒng)的功率變換器，其主開關(guān)元件的選擇必須考慮的因數(shù)有：電 動機的功率等級、供電電壓、峰值電流、主開關(guān)的開關(guān)難度、觸發(fā)難易程度、開關(guān)損耗、元件價格、驅(qū)動電路的復(fù)雜程度、并行運行的可靠性、電流峰值 /有效值的比值大小以及電力電子器件的技術(shù)水平等等。 主開關(guān)的種類選擇 就當(dāng)前電力電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，可供選擇的電力電子器件有普通的晶閘管（ SCR）、可關(guān)斷晶閘管（ GTO）、功率 MOS 場效應(yīng)晶閘管（ MOSFET）和絕緣柵雙極二極管（ IGBT）。其中 SCR 具有耐高壓和容量大的優(yōu)點，但無自關(guān)斷能力，且其開關(guān)頻率低；STR 可自關(guān)斷，但承受浪涌電流能力差，且其在二次擊 圈問題，不易保護； GTO 雖然可自關(guān)斷，容量也可很大，但關(guān)斷控制問題困難，要求相當(dāng)大的反向控制電流； MOSFET的開關(guān)頻率可很高，但價格昂貴，容量也做不大，一般僅用于小功率場合； IGBT 則集MOSFET 和 GTR 的優(yōu)點于一身，既具有 MOSFET 的輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定好、驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又具有 GTR 的通態(tài)電壓低、耐壓高、抗浪涌電流能力強、無二次擊穿現(xiàn)象等優(yōu)點。此外，功率 IGBT 采用模塊形式，模塊內(nèi)反