-
7.2
开关磁阻电动机
开关磁阻电动机调速系统（
Switched
Reluctance
Drive
，
简称
SRD
）是
20
< br>世纪
80
年代
中期发展起来的新
型交流调速系统，
?
它由开关磁阻电动机
（
SRM
）
、
功率变
功
率
SR
M
开关磁阻
换器、位置检测器及
控制器所构成，
变换器
电
动
机
?
其系统构成与永磁无刷直流电动机几
乎一样，如图
< br>7-19
所示。它以其电机
位
置
结构简单可靠、系统效率高、高速运
控制器
B
Q
检测器
行区域宽等优良性能成为交流调速领
域中的一支新军。<
/p>
图
7-19
开关磁阻电动机调速系统构成
7.2.1
开关磁阻电动机的结构及其动作原理
典型的三相开关磁阻电动机的结构如图
7-20
所示。其定子和
转子均为凸极结构，图示
电机的定子有
6
个极（
N
s
?
6
）
，转子有
4
个极（
N
r
?
4
）
。定子极上套有集中线圈，两个
空间位置相对的极上的线圈顺向串联构成一相绕组，图
7-20
a)
中只画出了
A
相绕组；转子<
/p>
由硅钢片叠压而成，转子上无绕组。该电机则称三相
6/4
极开关磁阻电动机。在结构形式及
工作原理上，
开关磁
阻电
动机与大
步距
反应
式步进电
机并
无差别
；
但在控制方
式上
步进电机
应归
属于他控式变频，
而
开关
磁阻电动
机则
图
7-20
开关磁阻电动机动作原理图
归属于自控式变频；
在应用上步进电机都用作
“控制电机”
而开关磁阻电机则是拖动用电机，
因此电机设计时
所
追求的目标不同而使电机的设计参数不同
.
工作原理
当
A
相绕组通电时，因磁通总要沿着磁
阻最小的路径闭合，将力图使转子转动最终使
转子
1
、
3
极和定子
A
、
A
?
极对齐，
A
相断电、
B
相通电
时，则
B
相电流产生的磁吸力要吸
引转
子
2
、
4
极，
使转子逆时针转动，最终使转子
2
、
4
极与定子
B
、
B
?
对齐，转子在空间
转过
?
?
30
机械角。再使<
/p>
B
相断电、
C
相
通电，转子又将逆时针转过
30
,
一个
通电周期使
转子在空间转过了一个齿距。电机若按
A-C-B-
A
的顺序通电，则反方向旋转。电流的方向
不影响上述的动作过
程。
为保证开关磁阻电动机能连续
旋转，当
A
相吸合时
,B
相的定、转子极轴线应错开
1/
m
< br>个转子极距，
m
为电机相数，若电机极对数为
p
，定子极数
N
s
?
2
mp
，则转子极
数应为
N
r
?
2
(
m
?
1<
/p>
)
/
p
。根据这
个规律，可得到各种不同相数、不同极数的开关磁阻电机，常用
的有：三相
6/4
极，三相
6/8
极，
四相
8/6
极，四相
8/10
极，三相
12/8
极等。
当电机定子每相绕组的通电频率为
f
时，每个电周期转子转过一个转子极距，
每秒钟转
过
f
个转子极距，即每秒转过
< br>f
N
r
转。电动机的转速与绕组
通电频率的关系为
n
?
60
f
N
r
（
7-5
）
7.2.2
开关磁阻电动机的工作原理
开关磁阻
电动机的静转矩可以通过其磁场储能
W
m
或磁共能
W
m
?
对转子位置角
?
的偏
导数求得，即
?
W
m
?
n
?
?
?
i
?
const
（
7-6
）
在电机磁路不饱和的情况下，即假定磁路是线性的情况下，有
1
1
W
m
?
W
m
?
?
i
?
?
i
2
L
< br>
（
7-7
）
2
2
从而静转矩为
?
W
m
?
1
2<
/p>
?
L
（
7-8
）
T
?
?
i
?
?
2
?
?
式中，
i
、
?
、
L
分别是通电相绕
组的电流、磁链及电感。
2
式
(7-8)
反映出了磁阻性质转矩产生的原因，
当电流恒定时，
只有磁导
?
（
L
?
N
?
，
N
是绕组匝数）随位置
?
变化时才会产生转矩，且该转矩总是力图使
?
（或
L
）趋向最大处。
?
L
?
L
且可知
?
0
时，产生正向转矩；
< br>?
0
时，产生制动转矩。据此，即可由开关磁阻电动
?
?
?
?
机的电感
L
（或磁导
?
）
随转子位置角
?
而变化的曲线
L
?
f
?
?
?
得到矩角特性
T
?
f
?
?
?
，
两条曲线如图
7-21a)
、
b)
所示。图
a)
是
A
< br>相绕组的磁导
?
A
(
?
)
或电感
?
A
a)
L
A
?
?
?
曲线，其电感最小位
置是定
子极轴线对准转子槽轴线的位置，
并
定义此时刻
?
?
0
；
其电感最大位置
是定子极轴线与转子极轴线对齐的<
/p>
位置，是图
7-20 a
）状态的位置，
此
时刻的
?
?
45
机械角。从电感曲线
可看到，电感变化的周期是
90
机械
角，
是一个电周
期，
故电角度是机械
角度的
N
r
倍，为免去不同转子极数
电机分析时角度不同
的麻烦，
以下
?
角均以电角度（或电弧
度）表示之。
图
b)
中，除
A
相的矩角特性
T
A
外，
还同时用虚线画上了
B
、
C
相的矩角
特性。
从矩角特性可知，在
0
?
这电
感上升区域内在
A
相绕组中通入电
流（正、负电流都可以）
，就可以
得
到正转矩；在
?
2
< br>?
区域内，电感
下降，故只要
A
相绕组有电流就会
得到制动转矩。
但在
电感的最小值及
最大值附近，电感不变或变化不大，
所能得到的
转矩为零或接近为零。
类似于无刷直流电动机自控式
变频的方式，
用位置信息来控制各绕
组的通断即
可输出正向的（或反向）
的
平
均
转
矩
。
用
位
置
检
测
器
把
0
?
T
C
2
?
?
T
b)
0
T
A
T
B
?
T
C
2
?
?
c)
位置检测器所区分的区域
⑥
①
②
③
④
⑤
⑥
①
②
③
?
i
A
d)
?
t
?
t
i
B
i
C
T
?
t
e)
?
t
< br>0
f)
i
A
i
B
i
C
T
0
?
t
?<
/p>
t
?
t
?
t
g)
图
7-21
开关磁阻电动机的工作原理
a)
A
相磁导曲线
b)
矩角特性
c)
位置检
测区域
0
2
?
分成
6
个编码的区域①
~
⑥，如图
7-21c)
所
示。为充分利用正转矩，采用
180
导通
方案，
假设电流如图
7-21d)
所
示，
则可得到如图
7-21 e)
所示
的电机输出转矩波形。
电动机将
正向电动运行。从图可看到，在
位置码控制下，其导通顺序是
A-AB-B-BC-C-
CA-A
。
若改成图
7-20 f)
所示的区域
通电，对正向运行的电机，得到制动转矩，转矩波形如图
7-21 g)
；
对静止的电机则得到与参考方向反向的转矩，
使电机
反向起动，
进入反转电动运行。
反转时，
所以从图
7-21e
）
可看到实际的
导通顺序是
A-AC-C-CB-B-
BA-A
。
?
角是反向运动的，
7.2.3
开关磁阻电动机的控制原理
从上面的
运行原理分析可知，
开关磁阻电动机在采用自控式变频方式的情况下，
< br>只要能
按位置的逻辑关系提供电流，
控制电流的大小及其
流通的区域就能控制转矩，
进而就能控制
转速。
对其它类型的电机，
分析到这一步很快就可以得出完整的控制策略了，
但开关磁阻电
动机却不然，
其原因是其电流的控
制非常困难，
这是开关磁阻电动机控制的主要难点。
讨论
控制原理与控制策略时，将主要围绕如何控制电流的大小及其流通的区域的问题来展开。
1
．电流方程
<
/p>
对
m
相对称的开关磁阻电动机，讨论其中
一相的通电情况，列出其电路的电压平衡方
程式为
u
in
?
iR
?
d
?
dt
(7-9)
式中，
u
in
――电机绕组两端的电压；
R
——电机一相绕组的电阻，一般情况下，
R
很小，在
近似的原理分析时
R
?
0
；
?
—
—电机一相绕组的磁链。
在电压源型变换电路中，通过开关元
件的通、断组合，在单电源供电的情况下
u
in
最多
只有三种可能：
主开关
元件导通时
?
?
U
d
?
u
in
?<
/p>
?
0
零电压续流时
?
?
U
主开关元件关断负电压续流时
?
d
(7-10)
设电机在匀速旋转，<
/p>
?
?
d
?
/
dt
，并把
?
?
iL
代入式
(7
-9)
，得
U
in
?
iR
?
d
(
iL
)
di
?
L
?
i
R
?
L
?
i<
/p>
?
dt<
/p>
dt
?
?
(7-11)
上式等号右边的第
1<
/p>
项是电阻压降，
第
2
项是自感压降
（变压器电势）
，
第
3
项是与转速
?
有
关的旋转电势。
当把电压条件代入后，
该方程是一个有关电流的方程，
该电流方程表明绕组
电流在
导通期间的变化规律非常复杂，主要的影响因素是其旋转电势。
下面分析在主元件导通，绕组正向通电，
u
in
?
U
d
时的情况。低速时，
?
很小，旋转
电
势很小，电压
U
d
< br>几乎全降落在式（
7-11
）右边的第
< br>2
项上，使电流上升很快。又由于是低
速，
每个位置区域所占的时间很长。
电流若无其它控制措施必然会过流。
这就需要在低速时
采用斩波控制的方式。
高速时，
?
很大，但旋转电势还与
?
L
/
?
?
有关，
?
L
/
?
?
有可能很大（电感上升区）
，
也可能是负值的很大（
电压下降区）
，也可能为零（电感最大值或最小值附近）
。因此
，旋转
电势与
U
d
的合成值
[
U
d
< br>?
i
?
(
?
L
/
?
?
)]
使电流的变化趋势是：
电流既可能
上升，
也可能下降，
也有可能是水平保持。
若电流导通区域是如图
7-21 d)
所示的
180
°区域来导通，
则
?
L
/
?
?
在
该区域都较大的正值，合成值
[
U
d
?
i
?
(
?
L
< br>/
?
?
)]
不大，
且因为高速，
180
°区域
所占的时间
并不长，这两个原因使电流在整个
180
°区域之中都无法升到所需要的电流值。为了要得到
所
需
的
电
流
值
，
就
必
须<
/p>
把
导
通
时
刻
前
移
，
使
导
通
时
的
?
L
/
?
?
小
于
零
，
合
成
值<
/p>
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