开关磁阻电机驱动系统的运行原理及应用

2021年2月28日发(作者：伯蒂)

.

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

< br>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

—

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

< br>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

)

时，

< br>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

< br>;

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，

< p>
电流的回路

(

即励磁阶段

)

是由电源正极

→

上开关管

< p>
→

绕

组

→

下开关管

→

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

< br>→

绕组，如图

2(b)

所示。< /p>

.

.

图

2 srm

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

(< /p>

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转化为电能回馈电源，

另一部分 则转化为机械能输出。

2.4 sr

电动机的运行特性

[1][2]

.

.

sr

电动 机运行速度低于

ω

fc(

第一临界速度

)

的范围内，

为了保证

ψ

max

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

ω

fc

范围运行 时，

在外加电压、

导通角和触发角都一定的条件下，

< p>
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

< p>
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

ω

sc

被称之 为

“

第二临界转速

”

< br>。

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

3 sr

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。

.