畢業(yè)設計--開關磁阻電機調速系統(tǒng)設計

1、<p>　　畢 業(yè) 設 計 論 文</p><p>　　題 目 開 關 磁 阻 電 機 調 速 系 統(tǒng) 設 計 </p><p>　　（院）系 電 氣 與 信 息 工 程 系 </p><p>　　專業(yè)

2、電氣工程及其自動化 班級 0002 學號 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　導師姓名 </p><p>　　完成日期

3、 2004年6月 </p><p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　設計（論文）題目： 開關磁阻電機調速系統(tǒng)設計（SRD） </p><p><b>　　基本任務及要求：<

4、/b></p><p>　　設計研制一套開關磁阻電機調速系統(tǒng)（SRD）。</p><p>　　掌握開關磁阻電機調速系統(tǒng)的原理、系統(tǒng)結構及設計方法， </p><p>　　了解電機控制的發(fā)展方向。 </p><p>　　確定總體方案，完成總體設計與論證；</p><p>　　電機電磁方案設計分析研究；<

5、;/p><p>　　硬件設計和軟件設計；</p><p>　　施工設計，系統(tǒng)調試；</p><p><b>　　編制技術文件。</b></p><p>　　進度安排及完成時間：</p><p>　　2月16日——3月6日：查閱資料、撰寫文獻綜述、撰寫開題報告；</p><p>

6、　　3月7日——3月21日：畢業(yè)實習、撰寫實習報告；</p><p>　　3月22日——5月29日：畢業(yè)設計；</p><p>　　5月30日——6月15日：撰寫畢業(yè)設計說明書（論文）；</p><p>　　6月16日——6月20日：修改、裝訂畢業(yè)設計說明書（論文）；</p><p>　　6月20日——6月26日：畢業(yè)設計答辯。</p&

7、gt;<p><b>　　前 言</b></p><p>　　開關磁阻電機調速系統(tǒng)（SRD）由開關磁阻電機（SRM或SR電機）、功率變換器、控制器及檢測器四個部分組成，是20世紀80年代迅速發(fā)展起來的一種新型電機驅動系統(tǒng)。它的結構極其簡單堅固，調速范圍寬，調速性能優(yōu)異，而且在整個調速范圍內(nèi)都具有較高的效率，系統(tǒng)可靠性高，是各國研究和開發(fā)的熱點之一。SRD產(chǎn)品已廣泛或開始應用于

8、電動機驅動、家用電器、通用工業(yè)、航空工業(yè)和伺服領域等各個領域，覆蓋功率范圍10W～5MW各種高低速驅動系統(tǒng)，呈現(xiàn)強大的市場潛力。</p><p>　　本SRD控制系統(tǒng)以8098準16位單片機為核心，配以8279等外圍接口芯片構成檢測、給定、顯示、保護等外圍電路，再加上驅動電路、主電路及磁阻電動機，便構成完整的SRD系統(tǒng)。</p><p>　　整個設計分6章，第1章概述SRD的國內(nèi)外發(fā)展概況

9、、組成、工作原理及系統(tǒng)的性能特點；第2章分析了SRM的結構和分類，數(shù)學模型分析及電磁設計；第3章研究了功率變換器的主電路結構、主開關元件的選擇及其IGBT的驅動電路、保護電路的設計；第4章給出了SRD系統(tǒng)的三個主要參數(shù)的檢測問題；第5章研究了SRD系統(tǒng)中控制器的運行方式、起制動方式及其控制器的軟硬件設計問題。</p><p>　　本設計完成過程中，得到了謝衛(wèi)才老師的悉心指導，在此表示深深的謝意。設計中引用了國內(nèi)外

10、一些研究成果，對這些文獻設計者也在此一并致謝。</p><p>　　由于本人水平和時間有限，設計中存在不足和疏漏之處，懇請讀者不吝指正。</p><p><b>　　設計者</b></p><p><b>　　2004年6月</b></p><p><b>　　目 錄</b>&

11、lt;/p><p>　　摘要………………………………………………………….………………………………..Ⅰ</p><p>　　Abstract……………………………………………………………………….………………Ⅱ</p><p>　　第1章 概述……………………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 SR

12、M的發(fā)展概況和發(fā)展趨勢………………………………………………………...1</p><p>　　1.2 SRM 的組成和工作原理…………………………………….………………………4</p><p>　　1.2.1 SRM……………………………………………………………….……………..4</p><p>　　1.2.2 功率變換器………………………………………………

13、……………………...5</p><p>　　1.2.3 轉子位置檢測器………………………………………………………………...6</p><p>　　1.2.4 控制器…………………………………………………………………………...6</p><p>　　1.3 系統(tǒng)的性能特點……………………………………………………………………...7</p>&

14、lt;p>　　第2章 SRM………………………………………………………………………………….8</p><p>　　2.1 SRM的結構與分類…………………………………………………………….……..8</p><p>　　2.1.1 單相開關磁阻電動機……………………………………………………………8</p><p>　　2.1.2 兩相開關磁阻電動機…

15、………………………………………………………….8</p><p>　　2.1.3 三相開關磁阻電動機……………………………………………………………9</p><p>　　2.1.4 四相開關磁阻電動機……………………………………………………………9</p><p>　　2.2 SRM的數(shù)學模型……………………………………………………………………...9<

16、/p><p>　　2.2.1 SRM的基本方程式……………………………………………………………...9</p><p>　　2.2.2 線形模型…………………………………………………………………….…..11</p><p>　　2.3 SRM的設計…………………………………………………………………………13</p><p>　　2.3.1

17、 主要技術指標…………………………………………………………………...13</p><p>　　2.3.2 電動機的設計步驟……………………………………………………………..13</p><p>　　2.4 起動性能…………………………………………………………….……………...14</p><p>　　2.4.1 一相起動方式………………………………………

18、…………………………..14</p><p>　　2.4.2 兩相起動方式…………………………………………………………………..15</p><p>　　第3章 功率變換器…………………………………………………………………………16</p><p>　　3.1 功率變換器的主電路拓撲形式…………………………………………….……….16</p>&

19、lt;p>　　3.2 主開關器件的選擇…………………………………………………………………..18</p><p>　　3.2.1 主開關器件的種類選擇…………………………………………………….…..18</p><p>　　3.2.2 主開關器件的額定電壓………………………………………………………...18</p><p>　　3.2.3 主開關器件的

20、額定電流………………………………………………………...19</p><p>　　3.3 大功率IGBT的驅動電路…………………………………………………………...20</p><p>　　3.3.1 IGBT的驅動要求……………………………………………………………….20</p><p>　　3.3.2 驅動電路……………………………………………………………

21、…………...20</p><p>　　3.4 功率變換器的保護電路……………………………………………………………..21</p><p>　　3.4.1 RCD關斷保護電路……………………………………………………………..21</p><p>　　3.4.2 電壓保護電路…………………………………………………………………...21</p>&l

22、t;p>　　3.4.3 電流保護電路…………………………………………………………………...22</p><p>　　3.4.4 制動放電電路…………………………………………………………………...22</p><p>　　第4章 主要參數(shù)檢測……………………………………………………………..………..23</p><p>　　4.1 轉子角位移檢測器

23、………………………………………….………….……………23</p><p>　　4.2 電流檢測器…………………………………………………………………………..24</p><p>　　4.3 轉速檢測…………………………………………………….……………………….25</p><p>　　第5章 控制器………………………………………………………………………………

24、26</p><p>　　5.1 控制方式…………………………………………………….……………………….26</p><p>　　5.1.1 控制參數(shù)與電機性能…………………………………………………………...30</p><p>　　5.1.2 起動與制動控制………………………………………………………………...30</p><p>

25、　　5.2 實施辦法…………………………………………………….……………………….31</p><p>　　5.3 SRD的微機設計…………………………………………………………………….32</p><p>　　5.3.1 控制系統(tǒng)的總體設計…………………………………………………………...32</p><p>　　5.3.2 速度調節(jié)器的設計…………………

26、…………………………………………..33</p><p>　　5.3.3 SRD控制系統(tǒng)的硬件設計……………………………………………………..36</p><p>　　5.3.4 SRD控制系統(tǒng)的軟件設計…………………………………………………......43</p><p>　　致謝…………………………………………………………………………………………...51&

27、lt;/p><p>　　附錄…………………………………………………………………………………………...52</p><p>　　開關磁阻電機調速系統(tǒng)設計</p><p>　　摘要：開關磁阻電機(簡稱SRM或SR電機)具有結構簡單、成本低、控制靈活等優(yōu)點，由其構成的調速系統(tǒng)(簡稱SRD)具有交、直流調速系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點，所以目前對于SRD已經(jīng)形成了理論研究與實際應用并重的

28、發(fā)展態(tài)勢。本文以SR電機的設計，控制理論及其系統(tǒng)設計為主題展開理論和應用研究。</p><p>　　在介紹了SR電機及其控制系統(tǒng)設計研究的發(fā)展和現(xiàn)狀之后，本文首先介紹了SRM的的結構和分類，建立了SR電機模型,分析了SRM的線形模型.在功率變換器的優(yōu)化設計方面，本文在對于具有最少開關數(shù)的功率變換器拓撲結構進行研究的基礎上，研究了其中H型功率變換器，分析了這種功率變換器的運行模式，給出了相關參數(shù)的估算公式。隨后主要

29、研究了SRD中的三個主要參數(shù)轉子位置、電流、轉速的檢測問題。</p><p>　　最后，本控制系統(tǒng)以8098準16位單片機為核心，配以8279等外圍接口芯片構成檢測、給定、顯示、保護等外圍電路，再加以驅動電路、主電路及開關磁阻電動機，便構成完整的SRD系統(tǒng)。</p><p>　　關鍵詞:開關磁阻電機;電流斬波控制（CCC）;角度位置控制（APC）;功率變換器;位置檢測;單片機.</p

30、><p>　　The design of the Switched Reluctance Drive(SRD)</p><p>　　Abstract: Switched reluctance motor(SRM)take on the merits such as simple structure，low一cost，flexible control，etc. Switched relucta

31、nce drives system (SRD)has the advantage that conventional AC or DC drives system may have not，accordingly， as a emerging technology，theory and application research for SRD need to be studied. This dissertation is focuse

32、d on the theory of control design for SRM.</p><p>　　Firstly，This thesis analyzes APC and CCC control method of SRM and its convert circuit characteristics，and designed the control system based on 8098 chip.

33、Then，the thesis analyzes the linear magnetic characteristics of SRM ，and established the model for SRM. SRM has higher precision and robustness compared with conventional method，while Possessing the rapid and simple char

34、acteristics. with regard to the converter of SRD system. the thesis firstly gives the study of the topology of converters tha</p><p>　　Keywords: Switched reluctance motor; current chopped control, angle posi

35、tion control, Converter; Position estimation; single chip micro-computer </p><p>　　第1章 概 述</p><p>　　1.1 開關磁阻電機的發(fā)展</p><p>　　開關磁阻電機的最早文獻可追溯到1838年，英格蘭學者Davidson制造了一臺用以推動蓄電池機車的驅動

36、系統(tǒng)。據(jù)SRD LTD.的FULTON 博士在英國磁學一次研討會上指出，Davidson的蓄電池機車重數(shù)噸，而最高速度卻達不到一個人推動時所能獲得的速度。由于當時采用的是機械開關，其運行特性、可靠性和機電能量轉換效率都是很低的，從而難以引起人們的關注。上世紀20年代，英國學者C.L.Walker發(fā)明并取得步進電機的專利，初具了現(xiàn)代VR步進電機和開關磁阻電機的許多特征。隨著電力電子器件和電磁場計算技術的發(fā)展，開關磁阻電機又逐步吸引了人們的

37、注意力，60年代后，國外開始對SR電機進行深入的研究和論證。70年代左右，英國大學步進電機和磁阻電機研究小組首創(chuàng)了一臺現(xiàn)代開關磁阻電機的雛形，并進行了實驗研究，發(fā)表了許多論文，福特電機公司的Unnewehr和Korch以及Bausch等學者對軸向氣隙、晶閘管控制的開關磁阻電機的研究，使研究工作進入了一個新的發(fā)展階段。但使這一新型可變速驅動系統(tǒng)最終能引起人們的極大關注，則得力于英國學者P.J.Lawrenson及其同事們杰出貢獻。1980

38、年，Lawrens</p><p>　　表1-1 TASC公司的SRD系列產(chǎn)品性能</p><p>　　除英國外，美國、加拿大、前南斯拉夫、埃及、土耳其等許多國家也都在積極開展SR電機的研究工作。美國空軍和GE公司聯(lián)合開發(fā)了航空發(fā)動機用SRD起動/發(fā)電機系統(tǒng)，有30KW、270V、最大轉速為52000r/min和250KW、270V最大轉速為23000r/min兩種規(guī)格，取得了良好的應用

39、效果。加拿大、前南斯拉夫在SR電機的運行理論、電磁場分析等方面做了大量的研究工作。埃及則對小功率的單相、兩相開關磁阻電機的結構、起動性能等方面進行了許多研究。一些學者還研究了新型結構的SR電機，如盤式SR電機、外轉子式SR電機、直線式SR電機和無位置傳感器的SR電機等。傳統(tǒng)觀念中的磁阻式同步電機的效率和單位體積出力均低于異步電動機，理論研究和實際應用表明，由于SR電機采用了獨特的結構和相應的控制策略，其單位體積出力完全可以與異步電動機相

40、媲美，甚至還略占優(yōu)勢，更可貴的是在整個調速范圍內(nèi)系統(tǒng)效率都可維持在較高的水平。1989年，教授Harris將SR電機與異步電動機做了詳細的比較，結論表明，SR電機在效率、單位體積出力均是優(yōu)勝者。</p><p>　　從1984年開始，我國許多單位先后開展了SR電機的研究工作，如北京紡織機械研究所（即中國紡織總會紡織機電研究所）、華中科技大學、南京航空航天大學、東南大學、福州大學、華南理工大學及浙江大學等，且SR電

41、機被列入中小型電機“七五”科研規(guī)劃項目。在借鑒國外經(jīng)驗的基礎上，我國SR電機的研究進展很快，對SR電機的控制、仿真、設計理論和電磁場數(shù)值分析等都做了許多工作，在國際、國內(nèi)刊物和會議上發(fā)表了許多篇論文。1988年11月在南京航空航天大學召開了首屆SRD研討會。1991年9月，在華南理工大學召開了第二屆SRD研討會。參加人員來自全國高校、研究所和工廠等25家單位，大會上成果交流表明，我國SRD的理論研究和應用已經(jīng)取得了較大的進展，參加研制的

42、單位有了顯著的增加。1993年12月北京開關磁阻電機調速系統(tǒng)工業(yè)應用研討會上，在中國電工技術學會中小型電機專業(yè)委員會領導下，正式成立了開關磁阻電機學組。10多年來，我國已研制了50W～30KW、20多個規(guī)格的工業(yè)成品樣機，在紡織機械、毛巾印花機、澤爾漿紗機、多功能蒸煮聯(lián)合機以及輕型龍門刨床和食品加工機械等方面的應用中取得了良好的效果。但應該看到，目前我國SR</p><p>　　近20年來，SR電機的研究在國內(nèi)外

43、取得了很大的發(fā)展，但作為一種新型調速驅動系統(tǒng)，研究的歷史還較短，其技術涉及到電機學、微電子、電力電子、控制理論等眾多學科領域，加之其復雜的非線形特性，導致研究的困難性，在電機理論、性能分析和設計等方面都還不夠成熟、完善，存在大量的工作要做，如鐵心損耗、轉矩波動和噪聲的理論研究，SR電機磁場的三維有限元分析，電機設計優(yōu)化及控制參數(shù)的優(yōu)化，SR電機的測試，無位置傳感器的SR電機，新結構SR電機的開發(fā)等。在應用方面，SR電機作為一種新型調速系

44、統(tǒng)，兼有直流調速和交流調速的優(yōu)點，無疑有廣闊的市場前景。但是PWM異步電動機和無刷直流電動機等經(jīng)過了多年的開發(fā)推廣，目前以領先一步，有了極廣泛的應用，SR電機要進入調速市場并占據(jù)較大的份額，尚需花大力氣宣傳和開發(fā)它的工業(yè)應用。目前SRD LTD已研制了幾十瓦到幾十千瓦的SR電機，并成功地用于車輛牽引、風機、泵及卷揚機等工業(yè)生產(chǎn)領域。美國還將SR電機用作飛機發(fā)動機的起動發(fā)電裝置。就我國國情來說，要使SR電機被人們普遍采用還需要廣大的科研人

45、員和研制單位做大量的推廣工作。一方面要加強通用功率等級的應用，同時可從0.75KW以下</p><p>　　1.2 開關磁阻電機調速系統(tǒng)的組成和工作原理</p><p>　　開關磁阻電機調速系統(tǒng)，從功能上來看，由開關磁阻電機、轉子位移傳感器、功率變換器和控制器四部分組成。如圖所示：</p><p><b>　　給定速度</b></p&g

46、t;<p>　　圖1-1 SRD基本構成</p><p>　　開關磁阻電機（SRM）</p><p>　　SR電機是SRD的執(zhí)行元件，圖示為四相8/6極開關磁阻電機的電機結構原理圖，電機為了增加出力設計成定、轉子雙凸極結構。轉子僅由硅鋼片疊壓而成，既無繞組也無永磁體；定子各極上有集中繞組，徑向相對極的繞組串聯(lián)，構成一相。其工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁阻總是要沿磁阻最小的

47、路徑閉合，因此磁場扭曲而產(chǎn)生磁阻性質的電磁轉矩。</p><p><b>　　圖1-2</b></p><p>　　SR電機可以設計成單相、兩相、三相、四相及多相等不同相數(shù)結構，且有每極單齒結構和每極多齒結構，軸向氣隙、徑向氣隙和軸向---徑向混合結構，內(nèi)轉子和外轉子結構。低于三相的SR電機一般沒有自起動能力。相數(shù)多，有利于減小轉矩波動，但導致結構復雜、主開關器件多、

48、成本增多。目前應用較多的是三相6/4極結構和四相8/6極結構。下表為常見的SR電機定、轉子極數(shù)組合方案。</p><p><b>　　表1-2</b></p><p>　　當A相繞組單獨通電時，在電動機內(nèi)建立以為軸線的磁場，該磁場作用于轉子，將產(chǎn)生使鄰近的轉子極與之相重合的電磁轉矩，并使轉子轉動。若在上述兩者重合時B相繞組通電，則由于定子極距為60º，而轉子

49、極距為90º，由此產(chǎn)生的轉矩將使轉子逆時針動30º。同理，再改為C相通電時，轉子繼續(xù)逆時針轉動30º。由此可知，若三相繞組輪流通電，即A---B---C——A…，則轉子連續(xù)逆時針轉動。若改變通電相序為A——C——B——A…，則可使轉子順時針轉動。若改變相電流的大小，則可改變電動機轉矩的大小，進而可以改變電動機轉速。若在轉子極轉離定子極時通電，所產(chǎn)生的電磁轉矩與轉子旋轉方向相反，為制動轉矩。由此可知，通過簡單

50、地改變控制方式便可改變電動機的轉向、轉矩、轉速和工作用。</p><p><b>　　功率變換器</b></p><p>　　功率變換器是SR電機運行時所需能量的提供者。當采用交流電源供電時，功率電路包括整流電路和逆變電路；當采用直流電源供電時，功率電路僅包括逆變電路。如圖所示。整流電路的作用是將交流電源轉換為直流電源，電路比較簡單，為二極管組成的三相橋式電路、三相零

51、式電路或單相橋式電路等。整流后的直流環(huán)節(jié)采用電解電容濾波。下圖給出三種常用的逆變電路，即雙電源電路、雙開關電路和雙繞組電路。圖中只給出一相繞組電路，當開關元件S閉合時，電路將電源能量提供給電動機，電流通入繞組。當開關元件斷開時，繞組電流通過二極管續(xù)流，將繞組磁儲能回饋給電源。其中雙繞組依靠與主繞組緊耦合的輔助繞組續(xù)流。在續(xù)流過程中，繞組承受反向電源電壓，使電流迅速衰減。</p><p><b>　　交流

52、電源 </b></p><p><b>　　直流電源</b></p><p>　　圖1-3 三種逆變電路示意圖</p><p>　　1.2.3 位置檢測傳感器</p><p>　　由磁阻式電動機的工作方式可知，為使其正常工作，必須在轉子轉到適當?shù)奈恢脮r導通適當?shù)南嗬@組，并在轉動過程中始終正確切換各相繞組。若

53、不能做到這一點，非但電動機不能按要求轉動，還會發(fā)生停轉、反轉或亂轉現(xiàn)象。為了在電動機運行過程中隨時知道轉子的瞬時位置，電動機必須裝置角位移傳感器，這是開關磁阻電動機與其他一般電動機的明顯區(qū)別。這里要求角位移傳感器具有輸出信號較大、抗干擾能力強、位移精度高、溫度范圍寬、環(huán)境適應能力強、耐振動、壽命長和安裝定位方便的特點?？蛇m用的角位移傳感器的種類很多，如霍爾傳感器、光電式傳感器、接近開關式傳感器、諧振式傳感器和高頻耦合式傳感器等。<

54、/p><p>　　1.2.4 控制器</p><p>　　控制器綜合處理位置檢測器、電流檢測器提供的電機轉子位置、速度和電流等反饋信號及外部輸入的命令，實現(xiàn)對SR電機運行狀態(tài)的控制，是SRD的指揮中樞。控制器一般由單片機及外圍接口電路等組成。在SRD中，要求控制器具有以下性能：</p><p>　　電流斬波控制（CCC控制）；</p><p>

55、　　角度位置控制（APC控制）；</p><p>　　起動、制動、停車及四象限運行；</p><p><b>　　速度調節(jié)。</b></p><p>　　開關磁阻電機調速系統(tǒng)的整體工作過程如下：控制電路接受起動命令信號，在檢測系統(tǒng)狀態(tài)一切正常的情況下，根據(jù)角位移傳感器提供的電動機轉子位置信號，按起動邏輯給出相應的輸出信號。該信號控制功率電路向電

56、動機繞組供電，使電動機轉子開始轉動。當轉子轉過一定角度時，控制電路根據(jù)角位移傳感器信號的變化通過功率變換電路使電動機通電相改變。當電動機轉速達一定值時，控制電路從起動邏輯轉換為低速運行邏輯，或再從低速運行邏輯轉換為高速運行邏輯。運行中，控制電路測試電動機運行中的轉速或轉矩等，并對其進行連續(xù)調節(jié)。當操作命令改變時，如停車、制動等，控制電路再次改變工作邏輯，通過功率變換電路使電動機實現(xiàn)操作要求。若運行中出現(xiàn)故障情況，如堵轉、過載等，控制電路

57、通過功率電路采取故障停車等保護措施，并通過顯示電路報警。</p><p>　　由上述工作過程可以更深刻地體會到，開關磁阻電動機調速系統(tǒng)是由電動機、角位移傳感器、功率變換電路和控制電路組成的機電系統(tǒng)一體，各部分密切結合，缺一不可。其中每一部分難以單獨使用，但幾部分組合起來便構成高性能的機電一體化產(chǎn)品。</p><p><b>　　系統(tǒng)的性能特點</b></p>

58、;<p>　　電動機結構簡單、堅固，制造工藝簡單，成本低，轉子僅由硅鋼片疊壓而成，可工作于極高轉速；定子線圈為集中繞組，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強振動環(huán)境。</p><p>　　損耗主要產(chǎn)生在定子，電機易于冷卻；轉子無永磁體，可允許有較高的溫升。</p><p>　　轉矩方向與相電流無關，從而可減少功率變換器的開關器件數(shù)，降低系統(tǒng)成本。&l

59、t;/p><p>　　功率變換器不會出現(xiàn)直通故障，可靠性高。</p><p>　　動轉矩大，低速性能好，無異步電動機在起動時所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。</p><p>　　調速范圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉矩-速度特性。</p><p>　　在寬廣的轉速和功率范圍內(nèi)都具有高效率。</p><p>　　能四象限運行，

60、具有較強的再生制動能力。</p><p>　　各種突出的優(yōu)點，使SRD已成為交流電機驅動系統(tǒng)、直流電機驅動系統(tǒng)及無刷直流電機驅動系統(tǒng)的有力競爭者。由于SR電機為雙凸極結構，不可避免地存在轉矩波動，噪聲是SR電機存在的最主要的缺點。但是，近年來的研究表明，采用合適的設計、SRD的噪聲完全可以做到高質量的PWM型異步電動機的噪聲水平。下圖為132號機座第二代Oulton SRD(曲線所示)與逆變器供電的異步電動機（黑

61、點所示）的噪聲情況。</p><p><b>　　圖1-3</b></p><p><b>　　第２章 SRM</b></p><p>　　2.1 SRM的結構和分類</p><p>　　開關磁阻電動機有許多不同的結構形式，各有其不同的性能特點。如上所述，該電機的定、轉子鐵心均由硅鋼片疊成。定、

62、轉子沖片上均有齒槽，構成雙凸極結構。依定、轉子片上齒槽的多少，形成不同極數(shù)的電機。為避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，故定、轉子極數(shù)應為偶數(shù)。除單相外，應使定子極（齒槽）數(shù)ZS 與轉子極（齒槽）數(shù)ZR不相等，但為提高電機出力，要盡量接近。</p><p>　　對內(nèi)轉子電機，最常用的關系為</p><p>　　ZS=ZR+2 （2-1）</p>&l

63、t;p>　　對外轉子電機，最常用的關系為</p><p>　　ZS=ZR-2 （2-2）</p><p>　　每個定子極上套一個集中繞組。同樣為避免單邊磁拉力，圓周上相對的兩個極上的線圈應屬于同一相繞組。若每相繞組由P個極上的線圈相互串聯(lián)（或并聯(lián)）構成，則電動機的相數(shù)為</p><p>　　M=ZS/P （內(nèi)轉子）

64、 （2-3）</p><p>　　M=ZR/P （外轉子） </p><p>　　通常P取2，即每相繞組由圓周相對兩個極上的線圈構成。P取4的也較常用。選擇電動機的極數(shù)及相數(shù)與電機性能和經(jīng)濟性密切相關，一般地說，極數(shù)和相數(shù)增多，電動機轉矩脈動減小，運行平穩(wěn)，但增加了電動機的復雜性，特別是功率電路的成本提高。</p><p><b>　　單相

65、開關磁阻電動機</b></p><p>　　開發(fā)比較成功的一種單相開關磁阻電機結構采用外轉子結構，而內(nèi)定子的繞組為一環(huán)形線圈，它設在六個磁極槽內(nèi)，通電后將形成軸向和徑向組合的磁路。當轉子齒極接近定子極時接通電源，轉子轉過一定角度后斷開，避免產(chǎn)生制動轉矩。轉子可以靠慣性旋轉，當轉子齒極接近下一個定子齒極時再通電。如此循環(huán)工作，實現(xiàn)電能到機械能的轉換。</p><p>　　2、兩相

66、開關磁阻電動機</p><p>　　這種兩相結構電機要可靠自起動，轉子結構可采用不對稱設計。因為此電機ZR=2，齒距角θr=180º，如果轉子是對稱結構，則定子齒極軸線與轉子軸線重合位置，θm=90º，相繞組有最大電感。兩相電機具有許多明顯的優(yōu)勢，結構簡單，電機和控制器成本低，連接線少，槽空間大，為減少繞組銅耗提供了便利。大的鐵心截面使定子具有良好的機械強度，這使降低電機噪聲十分重要。由于相對

67、較低的換流頻率也減低了鐵心損耗。此外，不對齊位置的大氣隙亦提高了電感比值。因此，如果不要求同時具備正、反轉向，應首先考慮采用自啟動能力的兩相電機。</p><p>　　3、三相6/4極開關磁阻電機</p><p>　　該電機轉子極距角θr為90º。由于有三相繞組，故每相通電斷電一次轉子對應的轉角βp（稱步距角）應為30º，每轉步數(shù)Np為12。對任意極數(shù)相等的開關磁阻電機

68、，這一關系通常表示為</p><p>　　θr=360º/Zr (2-4)</p><p>　　αp=θr/m=360º/mZr (2-5)</p><p>　　Np=360º/αP=mZr (2-6)</p><p>　　由于電動機每轉過轉角，，對應繞組通斷切換一次；電動機每

69、轉過一轉則繞組通斷切NP次。當電動機以轉速N（r/min）轉動時，電動機繞組的總通斷切換頻率為 f=nmZR (2-7)</p><p>　　每相繞組通斷切換頻率為 fφ=nZR/60 (2-8)</p><

70、p>　　也對應功率電路每個功率器件的開關功率。由于三相6/4極電機是可雙向起動，最少相數(shù)，最少極數(shù)的電機，故經(jīng)濟性較好，但轉矩脈動較大。由于同樣轉速時要求功率電路開關頻率較低，因此特別適合用作高速電機。</p><p>　　4、四相8/6極電動機</p><p>　　四相電機也是得到廣泛研究和應用的開關磁阻電機。與三相電機相比，四相電機的啟動性能要好得多，轉矩波動也小，但電機和控制器

71、的成本都有所增加。上述所示的四相8/6極電機是英國OULTON產(chǎn)品和國內(nèi)絕大部分產(chǎn)品采用的技術方案。其極數(shù)相數(shù)適中，轉矩脈動不大，特別是起動較平穩(wěn)，經(jīng)濟性也較好。按式計算的轉子極距角為θr=60º，步距角αp=15º，每轉步數(shù)為NP=24。</p><p>　　5、三相12/8極電動機</p><p>　　其相數(shù)雖采用了可雙向自起動的最小值，但由于齒數(shù)較三相6/4極增加

72、了一倍，使之步距角和每轉步數(shù)均與四相8/6極電機相同，為αp=15º，NP=24º。本方案的另一個優(yōu)點是每相由定子上相距90º的四個極上的線圈構成，因此產(chǎn)生的轉矩在圓周上分布均勻，由磁路和電路不平衡造成的單邊磁拉力小，電動機產(chǎn)生的噪聲也較小。</p><p>　　2.2 開關磁阻電機的數(shù)學模型</p><p>　　由于雙凸極SR電動機磁路的嚴重非線性，加上運行

73、的開關性和受控性，使電動機內(nèi)部的電磁關系十分復雜，難以建立與常規(guī)電動機那樣規(guī)范的數(shù)學模型。</p><p>　　SR電動機的基本方程式</p><p>　　盡管SR電動機的參數(shù)和各個物理量，隨著轉子位置不同而變化的情況相當復雜，但其所有電磁過程仍然符合電工理論中的基本定律。假設SR電動機的相數(shù)為m,各相結構和參數(shù)相同或對稱，并且忽略鐵心損耗。</p><p><

74、;b>　　電壓方程</b></p><p>　　施加在各定子繞組端的電壓，等于電阻壓降和因磁鏈變化而產(chǎn)生的感應電勢之和，即： uk=Rkik+ （2-9）</p><p>　　式中k=1,2,…,n; uk ,Rk,ik,ψk,分別為第k相繞組的電壓、電阻、電流和磁鏈。</p><

75、p><b>　　2、磁鏈方程</b></p><p>　　各相繞組磁鏈都是該相電流與電感、其余各相電流與電感以及轉子位置角的函數(shù)。 ψk=ψ（θ，i1,i2,…,ik,…in）</p><p><b>　　機械運動方程</b></p><p>　　根據(jù)牛頓運動定律，設J為SR電動機的轉動慣量，kw為摩擦系數(shù)

76、，TL為負載轉矩，ω為轉子角速度，則</p><p>　　Tem=J+kω+TL=J+kωω+TL ω=（2-10）</p><p><b>　　轉矩方程</b></p><p>　　SR電動機內(nèi)的電磁轉矩，等于磁共能對于轉子位置角增加的速率，即：</p><p>　　Tem=

77、 （2-11）</p><p>　　所以，SR電機的基本平衡方程組</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　由于電路、磁路的非線性和開關性，使得基本方程式實際上很難計算，通常需根據(jù)具體運行狀態(tài)和研究目的進行必要的簡化，因此可采用線形模型、準線形模型和非線形模型的求解方法。線形模型有利于對SR電機

78、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系；準線形模型具有一定的計算精度，多用于分析和設計功率變換器和制定控制策略；非線形模型則用于電機性能計算、仿真，是電機設計的必需手段。</p><p>　　2.2.2 線性模型</p><p>　　在線形模型中作以下假設：</p><p>　　忽略磁通邊緣效應和磁路非線形，且磁導率μ=∞，繞組電感L是轉

79、子位置的分段線形函數(shù)。</p><p><b>　　忽略所有功率損耗。</b></p><p>　　功率管開關動作瞬時完成。</p><p><b>　　電機恒定運轉。</b></p><p><b>　　（一）繞組電感</b></p><p>　　圖中

80、坐標原點θ=0定義為定子齒極軸線與轉子齒極間中心線重合時的轉子位置角;θ1和θ5則表示轉子齒極的后極邊與定子齒極的前極邊重合時的位置角;θ2是轉子齒極的前極邊與定子齒極后極邊相遇時的位置角;θ3 是定、轉子齒極全部重疊時的位置角；θ4是轉子齒極的后極邊與定子齒極的后極邊相遇時的位置角；繞組電感L與轉子位置角θ的關系用函數(shù)表示為：</p><p>　　L（θ）= （2-13）</p><

81、;p><b>　　式中K==</b></p><p>　　βs為以角度表示的定子齒極極弧寬度。</p><p><b>　?。ǘ├@組磁鏈</b></p><p>　　當SR電機由恒定直流電源U供電時，一相電路的電壓方程為</p><p>　　U== （2-14

82、）</p><p>　　式中，“+”號對應于繞組與電源接通期間；“-”對應于繞組關斷后續(xù)流期間。設主開關管導通瞬間（t=0）為電路的初始狀態(tài)，此時ψ0=0，θ0=θon;當主開關管關斷，繞組進入續(xù)流期間。因此，一相繞組在導通、續(xù)流的一個變化周期內(nèi)，磁鏈可表示為</p><p>　　ψ= （2-15）</p><p>　　式中θon——開通角</p

83、><p>　　θoff——關斷角。</p><p><b>　　（三）繞組電流</b></p><p><b>　　方程</b></p><p>　　由初始條件 t=0,θ0=θon,i0=I(θon)=0,可得</p><p>　　i(θ)=（2-16）</p>

84、<p><b>　　（四）電磁轉矩</b></p><p>　　SR電機的電磁轉矩并非恒定轉矩，而是繞組電流和轉子位置角的函數(shù)。當轉子不處于對齊位置和不對齊位置時，由于磁場扭曲而產(chǎn)生磁阻性質的電磁轉矩。如果保持繞組中的電流值不變，將不同轉子位置的靜態(tài)轉矩連成曲線即形成SR電機的靜態(tài)矩角特性。</p><p>　　SR電機的靜態(tài)轉矩的計算，可通過磁場儲能或磁共

85、能對轉子位置角的偏導數(shù)求取。電磁轉矩 T= （2-17）</p><p>　　磁共能W為 W= （2-18）</p><p>　　在理想線形模型假設下，可寫出電磁轉矩的解析表達式為：</p><p>　　T=i2

86、 （2-19）</p><p><b>　　即為</b></p><p>　　T= （2-20）</p><p><b>　　SRM的電磁設計</b></p><p>　　2.3.1 主要技術指標</p>

87、;<p>　　電源電壓：UN=260V</p><p>　　額定功率：PN=11KW</p><p>　　額定轉速：nN=1000r/min</p><p>　　效率： ηN=0.88</p><p>　　調整范圍：100～1000r/min為恒轉矩特性，1000～1500r/min為恒功率特性。</p>&

88、lt;p>　　2.3.2 電動機設計步驟</p><p>　　根據(jù)給定的設計要求即額定數(shù)據(jù)選擇電動機的相數(shù)、極弧和繞組供電電壓；</p><p>　　確定電動機的主要尺寸，即定子外徑和鐵心長度。理論研究和實際應用表明，SR電動機與同機座號異步電動機的額定輸出轉矩相當，可參照異步電動機尺寸初選SR電動機主要尺寸；</p><p>　　確定定、轉子極弧，可依據(jù)一定

89、比例關系優(yōu)選；</p><p>　　計算電動機的其他尺寸。</p><p>　　主要尺寸包括：定子外徑D1、定子內(nèi)徑Di1、轉子外徑D2、轉子內(nèi)徑Di2、鐵心長度l、氣隙長度g、定子極弧寬度βs、轉子極弧寬度βr、定子軛高hc、轉子軛高hr、定子極距τs、轉子極距τr。</p><p>　　Di1=(0.45～0.65)D1, βs=(0.3～0.42) τr,&

90、lt;/p><p>　　βr=(0.9～1.4) βs, hc=(0.5～0.65)(D1-Di1)/2,</p><p>　　hr=(0.4～0.6)(D2-Di2)/2</p><p>　　5) 選擇導通角和磁負荷，計算繞組匝數(shù)；</p><p>　　選擇槽滿率，計算導線線徑及每相繞組電阻；</p><p>&

91、lt;b>　　核算電機性能</b></p><p>　　計算并?；畲箅姼形恢?、最小電感位置、交界位置的磁化曲線；</p><p>　　計算實際繞組電流的峰值和有效值；</p><p>　　選擇系數(shù)，計算理想方波電流幅值；</p><p>　　計算并判斷平均電磁轉矩、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

92、條件。</p><p>　　以Y=min為目標優(yōu)化設計方案。下表給出了11KWSR電動機幾何尺寸的優(yōu)化結果。</p><p>　　單位：mm 表2-1</p><p>　　注：Bs、B c分別為定子磁極部和磁軛部的平均磁感應強度；</p><p>　　Jcu為電動機繞組電流密度。 </p>&

93、lt;p><b>　　2.4 起動性能</b></p><p>　　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備，四相8/6極SR電機存在

94、兩種起動方式：一相起動和兩相起動。</p><p>　　2.4.1 一相起動</p><p>　　當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。各相轉矩曲線互相重疊，在任意轉子位置都有起動轉矩。由于電機轉子初始位置不同，起動轉矩大小不同。在各相轉矩波形交點處，起動轉矩最小。A、D相

95、中任一相繞組導通產(chǎn)生的起動轉矩相同。設此時為正向轉矩，電機為正轉向。如果改變電機起動轉向，應給B、C相中任一相繞組通電，產(chǎn)生反向轉矩。當轉子位置在θS之前應由D相繞導通（正轉向）或B像繞組導通（負轉向）；在θS之后由A相繞組導通（正轉向）或C相繞組導通（負轉向）。θS位置上起動轉矩Tstmin稱為最小起動轉矩。如果負載轉矩小于最小起動轉矩，則在任意轉子位置上SR電機均可起動。反之，則存在起動死區(qū)?？紤]任意轉子位置的起動要求，可定義SR電

96、機一相起動時的起動轉矩倍數(shù)為</p><p><b>　　Km=</b></p><p><b>　　兩相起動</b></p><p>　　如果起動時SR電機兩相繞組同時導通，則起動轉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，起動轉矩可根據(jù)各相矩角特性相加，起動轉矩波動明顯減小，平均轉矩增大。因此，兩相起動所需

97、的起動電流幅值小于一相起動時的起動電流幅值，有利于降低主開關管的電流容量，降低系統(tǒng)成本。但由于兩相間同時導通，電流有效值增大，起動過渡過程中能量損耗有所增加。在任意轉子位置，兩相起動的起動轉矩均比較一致，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。</p><p>　　表2-2 一臺四相8/6極SR電機兩種起動方式比較</p><

98、;p>　　第3章 功 率 變 換 器</p><p>　　開關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，這就需要功率半導體構成的變換器來實現(xiàn)。這個變換器由直流（或交流整流）電源，構成周期性的脈沖電流，供給電動機各相繞組，以驅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

99、轉換需要。</p><p>　　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，合理設計變換器便是整個系統(tǒng)設計的關鍵。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)、定轉子極數(shù)、定轉子極弧尺寸、直徑、匝數(shù)、功率變換器的主電路、運行方式

100、及控制變量、SR電機的繞組形式等，在設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設計參數(shù)的最佳組合方案。</p><p>　　3.1功率變換電路的主電路拓撲形式</p><p>　　合理設計功率變化器是提高SRD性能/價格的關鍵。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電機功率變換器應具備以下幾個性能：</p>

101、<p>　?。?）、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；</p><p>　　（2）、能通過對主開關器件的控制，有效地控制相電流；</p><p>　?。?）、對有電流重疊的電動機，能提供各相電流的獨立控制；</p><p>　　（4）、對電動機相數(shù)沒有限制；</p><p>　　

102、（5）、開關器件的額定電壓與供電電壓接近；</p><p>　?。?）、低開關/相數(shù)比。</p><p>　　3.1.1 幾種常見的主電路形式</p><p>　　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。 </p><p>　　圖（3-1） 圖（3-2） 圖（3

103、-3） </p><p>　　在圖3-1中，每相有兩個主開關管S1，S2及續(xù)流二極管VD1，VD2。上下兩只主開關同時導通和關斷，各主開關管的電壓為電源US。若主開關選用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)較少的場合應用。</p><p>　　在圖3

104、-2所示的雙繞組功率變換器中，每相僅有一個主開關器件，但每相有一個二次繞組與一次惻重合。主開關器件的額定電壓為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的額定電壓，且電動機中銅線利用率低。其優(yōu)點是開關元件較少。這種變換器在電壓較低的場合得到廣泛應用。</p><p>　　圖3-3表示由裂相電源供電的電路，每相只有一個主開關器件。上臂從上半部電

105、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。</p><p>　　SR電動機功率變換器主電路的結構形式很多，這主要表現(xiàn)在其主開關器件的定額大小、元器件的數(shù)量、能量回饋的方法以及適

106、用的場合。</p><p>　　3.1.2 四相電容裂相式主電路的工作原理</p><p>　　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C1、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和一只續(xù)流二極管。</p><p>　　圖3-4 四相電容裂相式主電路&

107、lt;/p><p><b>　　主開關器件的選擇</b></p><p>　　對于驅動系統(tǒng)的功率變換器，其主開關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、主開關的開關難度、觸發(fā)難易程度、開關損耗、元件價格、驅動電路的復雜程度、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水平等等。</p><p>　　3

108、.2.1 主開關的種類選擇 </p><p>　　就當前電力電子技術發(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）、可關斷晶閘管（GTO）、功率MOS場效應晶閘管（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，但無自關斷能力，且其開關頻率低；STR可自關斷，但承受浪涌電流能力差，且其在二次擊圈問題，不易保護；GTO雖然可自關斷，容量也可很大，但關斷控制問題困難，

109、要求相當大的反向控制電流；MOSFET的開關頻率可很高，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)反并聯(lián)了與自身開關速度想適應的快恢復二極管，故使用方便。從結構上看IGBT可認為是以GTR為主導元件，以MO

110、SFET為驅動元件的達林頓結構器件。本系統(tǒng)采用的是IGBT模塊。</p><p>　　3.2.2 主開關器件的額定電壓</p><p>　　主開關器件的電壓定額，主要取決于外施的直流電源電壓Us。在圖中的四相電容分壓式主電路中，每個主開關元件在關斷狀態(tài)所承受的最小正向阻斷電壓為Us+⊿U（其中⊿U為考慮引線電感導致關斷時的電壓尖脈沖所加的裕量）。當SR典籍運行中換相、突然停車，或減速制動

111、時，電動機軸上的機械能及漏電感儲能，將向電源濾波電容倒灌，導致電容兩端直流電壓突然升高為Us+⊿U。所以，在此電路中，一般</p><p>　　Ur>(1.8～2.2)Us （3-1） </p><p>　　功率變換器中所用續(xù)流二極管，其正向導通與反向截止均具有快恢復性。正向快恢復性能保證主開關器件斷開時，相電流從主開關器件轉換到二極管續(xù)流；而反向