开关磁阻电机要实 现再生制动非常方 便,只要加大α1 使相电流主要出现 在 L / θ 0 ,的 区段即可,其电流, 磁链,电感,转矩 和转子位置角θ的 关系如图 5-27所 示.

  不足 开关磁阻电机的主体问题是它产生的电磁 转矩脉动较大,振动与噪声较严重,此外 功率开关元件关断时还会在电机定子绕组 端部及开关器件上产生较高的电压尖峰. 未解决这样一些问题已设计出不同的控制方 案,图 5-23为一种较为常用的四相开关磁 阻电机功率电路形式.

  在实际电机中,当定,转子齿相互对齐气隙比较小时磁 路较饱和,需要将电机饱和磁化特性曲线作分段线性化, 用所谓准线性化模型来计算电感,据此可较准确地求得 开关磁阻电机的平均转矩 U s2 (α 2 θ1 ) θ1 α 1 1 (α 2 θ1 ) (5-28) Tav = m [ ]

  开关磁阻电机由于转子上没有绕组,定子线圈的端部又很短,不但 制造方便,而且线圈的发热量小且容易散热,从而电磁负荷可以提 高,电机利用系数可达异步电机利用系数的 1.4倍,电机制造成本 大为降低. 由于转子上无线圈,转动惯量小,具有较高的转矩/惯量比,所以 特别适合于高速运行. 由于开关磁阻电机的转矩是靠定,转子的凸极效应产生,与绕组中 所通电流极性无关,因此每相绕组中通入的可以是单方向的电流 (脉冲),无须交变.这样不但可使控制每相电流的功率开关元件数 量减少一半,还能够避免一般电压型逆变器中最危险的上,下桥 臂元件直通的故障,不但明显降低控制装置的成本,而且大幅度的提升 了系统的安全可靠性.

  1.电流控制 1.电流控制 从图 5-28可见,功率开关的导通角对电机电流 的影响很大,它是控制开关磁阻电机电流和转矩的 主要手段. 随着 α1的减小,电流直线 ) / ω r 电流就显著增大,电机转矩相应增加. 功率开关的关断角 α2 则影响电源对电机相绕 组的供电时间的长短和续流的过程,它对电机的转 矩有直接的影响.实用中多采用保持 α2恒定而改 变α1角的办法来控制开关磁阻电机的电流和转矩.

  当定子各相绕组依 序 轮流通电时电机产 生的合成转矩具有明 显 的 脉 动,这是 引起开关磁阻电机振动与噪声的一个原 因. 开关磁阻电机产生噪声的更重要原因是 齿极所受径向磁拉力的变化,引起了定 子铁心的变形和振动.

  抑制噪声的办法 一般都会采用适当增加气隙长度,适当减小 α2角以减小相绕组断电时的齿极磁场强 度. 近年又提出了采用所谓二步关断的办法 来有效抑制电磁噪声.

  单四 拍 运 行(每相通电 1/4周 期) 在这种运行方式中,电源向绕组供电的 时间在 1/4周期左右,再加上续流时间,整 个通电过程中相绕组有可能均处在电感随转 角而增长的环境中,电流能有效地产生电磁 转矩.

  当开关磁阻电机由图 5-23所示的电源供电时,如果 电动机匀速旋转,可得 di L ± U s = L iR iω r (5-15) dt θ 式中,等号右边第一项为平衡绕组中变压器电势的压降; 第二项为电阻压降; 第三项为旋转电势所引起的压降,它只 有在电感随转子位置而变时才存在,其方向与电感随 转子位置 θ的变化率有关:当电感随 θ角的增大而 增大时为正,当电感随 θ角的增大而减小时为负.

  每相通电1/2周期) 1/2周期 双四 拍 运 行(每相通电1/2周期)

  旋转电势引起的压降为正表示吸收电功率, 产生驱动转矩,输出机械功 当旋转电势引起的压降为负则表示是发出电 功率,产生制动转矩 所以在开关磁阻电机中,为获得较大的有效 转矩应避免产生制动转矩,在绕组电感开始 随转子位置角 θ的增大而减少时应尽快使 绕组中电流衰减到零,这点十分重要.

  开关磁阻电动机依靠定转 子的凸极效应产生电磁转 矩,其机理可以用相绕组 电感 L随转子位置变化的 关系来说明. 如果忽略电机磁路饱和的 影响,则相绕组电感与电 流大小无关;如不计磁场 边缘扩散效应,则相绕组 电感随转子位置 θ的变化 规律 L(θ)将如图 5-24所 示,近似为一梯形波.

  在开关磁阻电机中,电磁转矩的调节主要 是经过控制功率开关的开,关时刻,即开 关元件的导通角 α1和截止角α2 来实现 的 设在图 5-24中 的 I 区 内 触 发 导 通 功 率 开 关 (α1θ1);在 II 区内 关断功率开关 (θ1α1θ3).在这种情 况下,相电流的波形将如图 5-25所示, 它可大致分为五段.

  在反向电压-Us的作 用 下 绕 组 磁 链 开 始 线 性 下 降,电 流 也 逐 渐 减小. 由于在这一区间仍是 L / θ 0,续流电流仍产生 电动转矩,说明在这一阶段电机中的磁场储能有 一部分转化为有用的机械能从电机轴上输出,而 另一部分转化为电能回馈给了电容器. 这时在反压及旋转电势的作用下相电流以较快的 速率下降,其规律可表达为

  这时的电流大多数都用在产生电磁转矩,因此这一段电流的大小 直接影响电动机的出力.

  从5-19能够准确的看出, 开关磁阻电机的 负载电流与许多 参数有关,其中 属于可控的因素 是导通角α1,不 同 α1的可能形成 不同的电流波形. 如图 5-26所示.

  当定子绕组换流通电一次时,转子转过一个转子齿 距.这样定子需切换通电 Nr次转子才转过一周,故电 机转速 n(r/min)与相绕组电压的开关频率 f之间的关系 f 为 (5-10) n = 60 (5-11) 给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率 则为 (5-12) mN r n

  开关磁阻电机 A, B,C,D 各相绕组通 电时所产生 的 电 磁 转 矩 TA,TB,TC,TD 如图5-30所示,其波 形因电机结构,磁路 饱和程度,特别是通 电时间长短不同而异.

  式(5-28)说明: 在开关角 α1 ,α2不变的情况下,开关磁阻电机的转矩和输 入电压Us 的平方成正比,和转速的平方成反比,具有与串激 直流电动机相仿的机械特性 在一定转 速 下 提 前 导 通 功 率 开 关,即 减 小 α1 角,可 增 加 相 电 流 直 线 上 升 时 间 ,增大了电机的 转矩 在 α1一定的情况下,增加α2 ,使产生电磁转矩的区间增加, 也可以使平均转矩增大.但是 α2过大时续流阶段可能会产生 制动转矩,这是不利的一面.

  开关磁阻电机的工作机理与磁阻(反应)式步进电动 机一样,基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原 理. 当定,转子齿中心线不重合,磁导不为最大时,磁 场就会产生磁拉力,形成磁阻转矩,使转子转到磁 导最大的位置. 当向定子各相绕组中依次通入电流时,电机转子将 一步一步地沿着通电相序相反的方向转动. 如果改变定子各相的通电次序,电机将改变转向. 但相电流通流方向的改变是不可能影响转子的转向的.

  基本结构 定子和转子均为凸极结构 定子和转子的齿数不等,转子齿数一般比定 子少两个 定子齿上套有集中线圈,两个空间位置相对 的定子齿线圈相串联,形成一相绕组 转子由铁心叠片而成,其上无绕组 如图5-22所示

  通过合理选择导通角 α1使相电流在进入有效 工作段时就达到足够大的数值,这是开关磁阻电 机控制电磁转矩的主要办法.

  这段期间 L在不断增大,因而相绕组中出现了旋转电势压降, 绕组中电流不能继续直线上升,甚至有可能出现下降.求得这段 期间电流关系式为:

  在这段区间电机中的磁场储能进一步转换成电 能回馈给电容器,轴上无机械功输出.

  如相电流在这一区段中还没有衰减到零,则由 于 L / θ 0 ,使相绕组中电流所产生的将是 制动转矩,电机进入再生制动状态,旋转电势 将起与外加反向电压相抵消的作用,使电流的 下降速度变慢.这时电流的表达式为

  在开关角 α1 ,α2一定条件下电源电压Us一定时,电流的标么 值与电机转速无关,但实际相电流和电流基值均正比于工作周 期,反比于电机的转速,因此电机低速运行时电流的峰值将显著 增大.为了限制低速运行时的过大电流,通常需采用斩波 (PWM)实现恒流控制,图 5-29示出了斩波控制下的相电流波形.

  关磁阻电动机传动系统(简称 SRD系统) 是最近20年来开发成功的一种新型电气传 动系统,它由开关磁阻电动机(简称 SR电 机或 SRM),功率变换器,转子位置检测 器和控制器所组成,如图 5-21所示.