开关磁阻电机驱动系统的运行原理及应用

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1、开关磁阻电机驱动系统的运行原理及应用（二） （低轴阻发电机参考资料）      1引言   开关磁阻电机驱动系统(SDR)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，启动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率访问内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。   SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能

2、—电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能—发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。本文将从SR电机电动和发电运行这两个角度阐述SR电机的运行原理。2电动运行原理   2.1转矩产生原理   控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令(正转或反转)，导通相应的定子相绕组的主开关元件。对应相绕组中有电流流过，产生磁场;磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合(平衡位置)

3、时，电磁转矩消失。此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动;这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行;再根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小，就可使系统在最隹状态下运行。图1三相sr电动机剖面图   从上面的分析可见，电流的方向对转矩没有任何影响，电动机的转向与电流方向无关，而

4、仅取决于相绕组的通电顺序。若通电顺序改变，则电机的转向也发生改变。为保证电机能连续地旋转，位置检测器要能及时给出定转子极间相对位置，使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，使srm能产生所要求的转矩和转速，达到预计的性能要求。   2.2电路分析   图2中电源vcc是一直流电源，3个电感分别表示srm的三相绕组，igbt1～igbt6为与绕组相连的可控开关元件，6个二极管为对应相的续流二极管。当第一相绕组的开关管导通时，电源给第一相励磁，电流的回路(即励磁阶段)是由电源正极→上开关管→绕组→下开关管

5、→电源负极，如图2(a)所示。开关管关断时，由于绕组是一个电感，根据电工理论，电感的电流不允许突变，此时电流的续流回路(即去磁阶段)是绕组→上续流二极管→电源→下续流二极管→绕组，如图2(b)所示。图2srm电路工作示意图   2.3能量转换关系   当忽略铁耗和各种附加损耗时，srm工作时的能量转换过程为:通电相绕组的电感处在电感上升区域内(转子转向“极对极”位置)，当开关管导通时，输入的净电能一部分转化为磁场储能，一部分转化为机械能输出;当开关管关断时，绕组电流通过二极管和电源续流，存储的磁场储能一部分

6、转化为电能回馈电源，另一部分则转化为机械能输出。   2.4sr电动机的运行特性[1][2]   sr电动机运行速度低于ωfc(第一临界速度)的范围内，为了保证ψmax和i不超过允许值，采用改变电压、导通角和触发角三者中任一个或任两个，或三者同时配合控制。当sr电动机在高于ωfc范围运行时，在外加电压、导通角和触发角都一定的条件下，随着转速的增加，磁链和电流将下降，转矩则随着转速的平方下降(如图3中细实线)。为了得到恒功率特性，必须采用可控条件。但是外施电压最大值是由电源功率变换器决定的，而导通角又不能无限

7、增加(一般不能超过半个转子极距)。因此，在电压和导通角都达最大时，能得到的最大功率的最高转速ωsc被称之为“第二临界转速”。当转速再增加时，由于可控条件都已经达到极限，转矩将随转速的二次方下降，如图3所示。图3sr电动机的运行特性   开关磁阻电机一般运行在恒转矩区和恒功率区。在这两个区域中，电机的实际运行特性可控。通过控制条件，可以实现在粗实线以下的任意实际运行特性。而在串励特性区，电机的可控条件都已达极限，电机的运行特性不再可控，电机呈现自然串励运行特性，故电机一般不会运行在此区域。   运行时存在着第

8、一、第二两个临界运行点是开关磁阻电机的一个重要特点。采用不同的可控条件匹配可以得到两个临界点的不同配置，从而得到各种各样所需的机械特性，这就是开关磁阻电动机具有优良调速性能的原因之一。从设计的观点看，两个临界点的合理配置是保证sr电动机设计合理，满足给定技术指标要求的关键。   从控制角度看，在上述两个区域采用不同的控制方法，在第一临界转速以下一般采用电流斩波控制方式(ccc方式)，在第一、第二临界转速之间采用角