畢業(yè)設(shè)計(jì)--開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文</p><p>　　題 目 開 關(guān) 磁 阻 電 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) </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(dòng)化 班級(jí) 0002 學(xué)號(hào) </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　導(dǎo)師姓名 </p><p>　　完成日期

3、 2004年6月 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　設(shè)計(jì)（論文）題目： 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)（SRD） </p><p><b>　　基本任務(wù)及要求：<

4、/b></p><p>　　設(shè)計(jì)研制一套開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）。</p><p>　　掌握開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法， </p><p>　　了解電機(jī)控制的發(fā)展方向。 </p><p>　　確定總體方案，完成總體設(shè)計(jì)與論證；</p><p>　　電機(jī)電磁方案設(shè)計(jì)分析研究；<

5、;/p><p>　　硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；</p><p>　　施工設(shè)計(jì)，系統(tǒng)調(diào)試；</p><p><b>　　編制技術(shù)文件。</b></p><p>　　進(jìn)度安排及完成時(shí)間：</p><p>　　2月16日——3月6日：查閱資料、撰寫文獻(xiàn)綜述、撰寫開題報(bào)告；</p><p>

6、　　3月7日——3月21日：畢業(yè)實(shí)習(xí)、撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告；</p><p>　　3月22日——5月29日：畢業(yè)設(shè)計(jì)；</p><p>　　5月30日——6月15日：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）；</p><p>　　6月16日——6月20日：修改、裝訂畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）；</p><p>　　6月20日——6月26日：畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。</p&

7、gt;<p><b>　　前 言</b></p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）由開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM或SR電機(jī)）、功率變換器、控制器及檢測(cè)器四個(gè)部分組成，是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來的一種新型電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單堅(jiān)固，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異，而且在整個(gè)調(diào)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(diǎn)之一。SRD產(chǎn)品已廣泛或開始應(yīng)用于

8、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、家用電器、通用工業(yè)、航空工業(yè)和伺服領(lǐng)域等各個(gè)領(lǐng)域，覆蓋功率范圍10W～5MW各種高低速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，呈現(xiàn)強(qiáng)大的市場(chǎng)潛力。</p><p>　　本SRD控制系統(tǒng)以8098準(zhǔn)16位單片機(jī)為核心，配以8279等外圍接口芯片構(gòu)成檢測(cè)、給定、顯示、保護(hù)等外圍電路，再加上驅(qū)動(dòng)電路、主電路及磁阻電動(dòng)機(jī)，便構(gòu)成完整的SRD系統(tǒng)。</p><p>　　整個(gè)設(shè)計(jì)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(diǎn)；第2章分析了SRM的結(jié)構(gòu)和分類，數(shù)學(xué)模型分析及電磁設(shè)計(jì)；第3章研究了功率變換器的主電路結(jié)構(gòu)、主開關(guān)元件的選擇及其IGBT的驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；第4章給出了SRD系統(tǒng)的三個(gè)主要參數(shù)的檢測(cè)問題；第5章研究了SRD系統(tǒng)中控制器的運(yùn)行方式、起制動(dòng)方式及其控制器的軟硬件設(shè)計(jì)問題。</p><p>　　本設(shè)計(jì)完成過程中，得到了謝衛(wèi)才老師的悉心指導(dǎo)，在此表示深深的謝意。設(shè)計(jì)中引用了國內(nèi)外

10、一些研究成果，對(duì)這些文獻(xiàn)設(shè)計(jì)者也在此一并致謝。</p><p>　　由于本人水平和時(shí)間有限，設(shè)計(jì)中存在不足和疏漏之處，懇請(qǐng)讀者不吝指正。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)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(shì)………………………………………………………...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(zhuǎn)子位置檢測(cè)器………………………………………………………………...6</p><p>　　1.2.4 控制器…………………………………………………………………………...6</p><p>　　1.3 系統(tǒng)的性能特點(diǎn)……………………………………………………………………...7</p>&

14、lt;p>　　第2章 SRM………………………………………………………………………………….8</p><p>　　2.1 SRM的結(jié)構(gòu)與分類…………………………………………………………….……..8</p><p>　　2.1.1 單相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)……………………………………………………………8</p><p>　　2.1.2 兩相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)…

15、………………………………………………………….8</p><p>　　2.1.3 三相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)……………………………………………………………9</p><p>　　2.1.4 四相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)……………………………………………………………9</p><p>　　2.2 SRM的數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)…………………………………………………………………………13</p><p>　　2.3.1

17、 主要技術(shù)指標(biāo)…………………………………………………………………...13</p><p>　　2.3.2 電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)步驟……………………………………………………………..13</p><p>　　2.4 起動(dòng)性能…………………………………………………………….……………...14</p><p>　　2.4.1 一相起動(dòng)方式………………………………………

18、…………………………..14</p><p>　　2.4.2 兩相起動(dòng)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?fù)湫问健?……….16</p>&

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

20、額定電流………………………………………………………...19</p><p>　　3.3 大功率IGBT的驅(qū)動(dòng)電路…………………………………………………………...20</p><p>　　3.3.1 IGBT的驅(qū)動(dòng)要求……………………………………………………………….20</p><p>　　3.3.2 驅(qū)動(dòng)電路……………………………………………………………

21、…………...20</p><p>　　3.4 功率變換器的保護(hù)電路……………………………………………………………..21</p><p>　　3.4.1 RCD關(guān)斷保護(hù)電路……………………………………………………………..21</p><p>　　3.4.2 電壓保護(hù)電路…………………………………………………………………...21</p>&l

22、t;p>　　3.4.3 電流保護(hù)電路…………………………………………………………………...22</p><p>　　3.4.4 制動(dòng)放電電路…………………………………………………………………...22</p><p>　　第4章 主要參數(shù)檢測(cè)……………………………………………………………..………..23</p><p>　　4.1 轉(zhuǎn)子角位移檢測(cè)器

23、………………………………………….………….……………23</p><p>　　4.2 電流檢測(cè)器…………………………………………………………………………..24</p><p>　　4.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)…………………………………………………….……………………….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(jī)性能…………………………………………………………...30</p><p>　　5.1.2 起動(dòng)與制動(dòng)控制………………………………………………………………...30</p><p>

25、　　5.2 實(shí)施辦法…………………………………………………….……………………….31</p><p>　　5.3 SRD的微機(jī)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………….32</p><p>　　5.3.1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)…………………………………………………………...32</p><p>　　5.3.2 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)…………………

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

27、lt;/p><p>　　附錄…………………………………………………………………………………………...52</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：開關(guān)磁阻電機(jī)(簡(jiǎn)稱SRM或SR電機(jī))具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，由其構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱SRD)具有交、直流調(diào)速系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點(diǎn)，所以目前對(duì)于SRD已經(jīng)形成了理論研究與實(shí)際應(yīng)用并重的

28、發(fā)展態(tài)勢(shì)。本文以SR電機(jī)的設(shè)計(jì)，控制理論及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主題展開理論和應(yīng)用研究。</p><p>　　在介紹了SR電機(jī)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的發(fā)展和現(xiàn)狀之后，本文首先介紹了SRM的的結(jié)構(gòu)和分類，建立了SR電機(jī)模型,分析了SRM的線形模型.在功率變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，本文在對(duì)于具有最少開關(guān)數(shù)的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)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(yùn)行模式，給出了相關(guān)參數(shù)的估算公式。隨后主要

29、研究了SRD中的三個(gè)主要參數(shù)轉(zhuǎn)子位置、電流、轉(zhuǎn)速的檢測(cè)問題。</p><p>　　最后，本控制系統(tǒng)以8098準(zhǔn)16位單片機(jī)為核心，配以8279等外圍接口芯片構(gòu)成檢測(cè)、給定、顯示、保護(hù)等外圍電路，再加以驅(qū)動(dòng)電路、主電路及開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，便構(gòu)成完整的SRD系統(tǒng)。</p><p>　　關(guān)鍵詞:開關(guān)磁阻電機(jī);電流斬波控制（CCC）;角度位置控制（APC）;功率變換器;位置檢測(cè);單片機(jī).</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(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)的最早文獻(xiàn)可追溯到1838年，英格蘭學(xué)者Davidson制造了一臺(tái)用以推動(dòng)蓄電池機(jī)車的驅(qū)動(dòng)

36、系統(tǒng)。據(jù)SRD LTD.的FULTON 博士在英國磁學(xué)一次研討會(huì)上指出，Davidson的蓄電池機(jī)車重?cái)?shù)噸，而最高速度卻達(dá)不到一個(gè)人推動(dòng)時(shí)所能獲得的速度。由于當(dāng)時(shí)采用的是機(jī)械開關(guān)，其運(yùn)行特性、可靠性和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率都是很低的，從而難以引起人們的關(guān)注。上世紀(jì)20年代，英國學(xué)者C.L.Walker發(fā)明并取得步進(jìn)電機(jī)的專利，初具了現(xiàn)代VR步進(jìn)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)的許多特征。隨著電力電子器件和電磁場(chǎng)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)磁阻電機(jī)又逐步吸引了人們的

37、注意力，60年代后，國外開始對(duì)SR電機(jī)進(jìn)行深入的研究和論證。70年代左右，英國大學(xué)步進(jìn)電機(jī)和磁阻電機(jī)研究小組首創(chuàng)了一臺(tái)現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機(jī)的雛形，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)表了許多論文，福特電機(jī)公司的Unnewehr和Korch以及Bausch等學(xué)者對(duì)軸向氣隙、晶閘管控制的開關(guān)磁阻電機(jī)的研究，使研究工作進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。但使這一新型可變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最終能引起人們的極大關(guān)注，則得力于英國學(xué)者P.J.Lawrenson及其同事們杰出貢獻(xiàn)。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(jī)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(dòng)機(jī)用SRD起動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，有30KW、270V、最大轉(zhuǎn)速為52000r/min和250KW、270V最大轉(zhuǎn)速為23000r/min兩種規(guī)格，取得了良好的應(yīng)用

39、效果。加拿大、前南斯拉夫在SR電機(jī)的運(yùn)行理論、電磁場(chǎng)分析等方面做了大量的研究工作。埃及則對(duì)小功率的單相、兩相開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)、起動(dòng)性能等方面進(jìn)行了許多研究。一些學(xué)者還研究了新型結(jié)構(gòu)的SR電機(jī)，如盤式SR電機(jī)、外轉(zhuǎn)子式SR電機(jī)、直線式SR電機(jī)和無位置傳感器的SR電機(jī)等。傳統(tǒng)觀念中的磁阻式同步電機(jī)的效率和單位體積出力均低于異步電動(dòng)機(jī)，理論研究和實(shí)際應(yīng)用表明，由于SR電機(jī)采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的控制策略，其單位體積出力完全可以與異步電動(dòng)機(jī)相

40、媲美，甚至還略占優(yōu)勢(shì)，更可貴的是在整個(gè)調(diào)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(jī)與異步電動(dòng)機(jī)做了詳細(xì)的比較，結(jié)論表明，SR電機(jī)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(jī)的研究工作，如北京紡織機(jī)械研究所（即中國紡織總會(huì)紡織機(jī)電研究所）、華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、東南大學(xué)、福州大學(xué)、華南理工大學(xué)及浙江大學(xué)等，且SR電

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

42、單位有了顯著的增加。1993年12月北京開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用研討會(huì)上，在中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)中小型電機(jī)專業(yè)委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下，正式成立了開關(guān)磁阻電機(jī)學(xué)組。10多年來，我國已研制了50W～30KW、20多個(gè)規(guī)格的工業(yè)成品樣機(jī)，在紡織機(jī)械、毛巾印花機(jī)、澤爾漿紗機(jī)、多功能蒸煮聯(lián)合機(jī)以及輕型龍門刨床和食品加工機(jī)械等方面的應(yīng)用中取得了良好的效果。但應(yīng)該看到，目前我國SR</p><p>　　近20年來，SR電機(jī)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(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，研究的歷史還較短，其技術(shù)涉及到電機(jī)學(xué)、微電子、電力電子、控制理論等眾多學(xué)科領(lǐng)域，加之其復(fù)雜的非線形特性，導(dǎo)致研究的困難性，在電機(jī)理論、性能分析和設(shè)計(jì)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(zhuǎn)矩波動(dòng)和噪聲的理論研究，SR電機(jī)磁場(chǎng)的三維有限元分析，電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化及控制參數(shù)的優(yōu)化，SR電機(jī)的測(cè)試，無位置傳感器的SR電機(jī)，新結(jié)構(gòu)SR電機(jī)的開發(fā)等。在應(yīng)用方面，SR電機(jī)作為一種新型調(diào)速系

44、統(tǒng)，兼有直流調(diào)速和交流調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，無疑有廣闊的市場(chǎng)前景。但是PWM異步電動(dòng)機(jī)和無刷直流電動(dòng)機(jī)等經(jīng)過了多年的開發(fā)推廣，目前以領(lǐng)先一步，有了極廣泛的應(yīng)用，SR電機(jī)要進(jìn)入調(diào)速市場(chǎng)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(yīng)用。目前SRD LTD已研制了幾十瓦到幾十千瓦的SR電機(jī)，并成功地用于車輛牽引、風(fēng)機(jī)、泵及卷揚(yáng)機(jī)等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。美國還將SR電機(jī)用作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)發(fā)電裝置。就我國國情來說，要使SR電機(jī)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(qiáng)通用功率等級(jí)的應(yīng)用，同時(shí)可從0.75KW以下</p><p>　　1.2 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，從功能上來看，由開關(guān)磁阻電機(jī)、轉(zhuǎn)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(gòu)成</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）</p><p>　　SR電機(jī)是SRD的執(zhí)行元件，圖示為四相8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)的電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖，電機(jī)為了增加出力設(shè)計(jì)成定、轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)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(duì)極的繞組串聯(lián)，構(gòu)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(chǎng)扭曲而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。</p><p><b>　　圖1-2</b></p><p>　　SR電機(jī)可以設(shè)計(jì)成單相、兩相、三相、四相及多相等不同相數(shù)結(jié)構(gòu)，且有每極單齒結(jié)構(gòu)和每極多齒結(jié)構(gòu)，軸向氣隙、徑向氣隙和軸向---徑向混合結(jié)構(gòu)，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。低于三相的SR電機(jī)一般沒有自起動(dòng)能力。相數(shù)多，有利于減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，但導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、主開關(guān)器件多、

48、成本增多。目前應(yīng)用較多的是三相6/4極結(jié)構(gòu)和四相8/6極結(jié)構(gòu)。下表為常見的SR電機(jī)定、轉(zhuǎn)子極數(shù)組合方案。</p><p><b>　　表1-2</b></p><p>　　當(dāng)A相繞組單獨(dú)通電時(shí)，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)建立以為軸線的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)作用于轉(zhuǎn)子，將產(chǎn)生使鄰近的轉(zhuǎn)子極與之相重合的電磁轉(zhuǎn)矩，并使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。若在上述兩者重合時(shí)B相繞組通電，則由于定子極距為60º，而轉(zhuǎn)子

49、極距為90º，由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針動(dòng)30º。同理，再改為C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30º。由此可知，若三相繞組輪流通電，即A---B---C——A…，則轉(zhuǎn)子連續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。若改變通電相序?yàn)锳——C——B——A…，則可使轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。若改變相電流的大小，則可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，進(jìn)而可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。若在轉(zhuǎn)子極轉(zhuǎn)離定子極時(shí)通電，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由此可知，通過簡(jiǎn)單

50、地改變控制方式便可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)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(jī)運(yùn)行時(shí)所需能量的提供者。當(dāng)采用交流電源供電時(shí)，功率電路包括整流電路和逆變電路；當(dāng)采用直流電源供電時(shí)，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(zhuǎn)換為直流電源，電路比較簡(jiǎn)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(guān)電路和雙繞組電路。圖中只給出一相繞組電路，當(dāng)開關(guān)元件S閉合時(shí)，電路將電源能量提供給電動(dòng)機(jī)，電流通入繞組。當(dāng)開關(guān)元件斷開時(shí)，繞組電流通過二極管續(xù)流，將繞組磁儲(chǔ)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(cè)傳感器</p><p>　　由磁阻式電動(dòng)機(jī)的工作方式可知，為使其正常工作，必須在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)導(dǎo)通適當(dāng)?shù)南嗬@組，并在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中始終正確切換各相繞組。若

53、不能做到這一點(diǎn)，非但電動(dòng)機(jī)不能按要求轉(zhuǎn)動(dòng)，還會(huì)發(fā)生停轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或亂轉(zhuǎn)現(xiàn)象。為了在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中隨時(shí)知道轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置，電動(dòng)機(jī)必須裝置角位移傳感器，這是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)與其他一般電動(dòng)機(jī)的明顯區(qū)別。這里要求角位移傳感器具有輸出信號(hào)較大、抗干擾能力強(qiáng)、位移精度高、溫度范圍寬、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)和安裝定位方便的特點(diǎn)。可適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(guān)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(cè)器、電流檢測(cè)器提供的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、速度和電流等反饋信號(hào)及外部輸入的命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)SR電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制，是SRD的指揮中樞?？刂破饕话阌蓡纹瑱C(jī)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(dòng)、制動(dòng)、停車及四象限運(yùn)行；</p><p><b>　　速度調(diào)節(jié)。</b></p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的整體工作過程如下：控制電路接受起動(dòng)命令信號(hào)，在檢測(cè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，按起動(dòng)邏輯給出相應(yīng)的輸出信號(hào)。該信號(hào)控制功率電路向電

56、動(dòng)機(jī)繞組供電，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度時(shí)，控制電路根據(jù)角位移傳感器信號(hào)的變化通過功率變換電路使電動(dòng)機(jī)通電相改變。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)一定值時(shí)，控制電路從起動(dòng)邏輯轉(zhuǎn)換為低速運(yùn)行邏輯，或再從低速運(yùn)行邏輯轉(zhuǎn)換為高速運(yùn)行邏輯。運(yùn)行中，控制電路測(cè)試電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩等，并對(duì)其進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。當(dāng)操作命令改變時(shí)，如停車、制動(dòng)等，控制電路再次改變工作邏輯，通過功率變換電路使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)操作要求。若運(yùn)行中出現(xiàn)故障情況，如堵轉(zhuǎn)、過載等，控制電路

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

58、;<p>　　電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，轉(zhuǎn)子僅由硅鋼片疊壓而成，可工作于極高轉(zhuǎn)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(qiáng)振動(dòng)環(huán)境。</p><p>　　損耗主要產(chǎn)生在定子，電機(jī)易于冷卻；轉(zhuǎn)子無永磁體，可允許有較高的溫升。</p><p>　　轉(zhuǎn)矩方向與相電流無關(guān)，從而可減少功率變換器的開關(guān)器件數(shù)，降低系統(tǒng)成本。&l

59、t;/p><p>　　功率變換器不會(huì)出現(xiàn)直通故障，可靠性高。</p><p>　　動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，無異步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。</p><p>　　調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-速度特性。</p><p>　　在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都具有高效率。</p><p>　　能四象限運(yùn)行，

60、具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力。</p><p>　　各種突出的優(yōu)點(diǎn)，使SRD已成為交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。由于SR電機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，不可避免地存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，噪聲是SR電機(jī)存在的最主要的缺點(diǎn)。但是，近年來的研究表明，采用合適的設(shè)計(jì)、SRD的噪聲完全可以做到高質(zhì)量的PWM型異步電動(dòng)機(jī)的噪聲水平。下圖為132號(hào)機(jī)座第二代Oulton SRD(曲線所示)與逆變器供電的異步電動(dòng)機(jī)（黑

61、點(diǎn)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(jié)構(gòu)和分類</p><p>　　開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)有許多不同的結(jié)構(gòu)形式，各有其不同的性能特點(diǎn)。如上所述，該電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子鐵心均由硅鋼片疊成。定、

62、轉(zhuǎn)子沖片上均有齒槽，構(gòu)成雙凸極結(jié)構(gòu)。依定、轉(zhuǎn)子片上齒槽的多少，形成不同極數(shù)的電機(jī)。為避免單邊磁拉力，徑向必須對(duì)稱，故定、轉(zhuǎn)子極數(shù)應(yīng)為偶數(shù)。除單相外，應(yīng)使定子極（齒槽）數(shù)ZS 與轉(zhuǎn)子極（齒槽）數(shù)ZR不相等，但為提高電機(jī)出力，要盡量接近。</p><p>　　對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，最常用的關(guān)系為</p><p>　　ZS=ZR+2 （2-1）</p>&l

63、t;p>　　對(duì)外轉(zhuǎn)子電機(jī)，最常用的關(guān)系為</p><p>　　ZS=ZR-2 （2-2）</p><p>　　每個(gè)定子極上套一個(gè)集中繞組。同樣為避免單邊磁拉力，圓周上相對(duì)的兩個(gè)極上的線圈應(yīng)屬于同一相繞組。若每相繞組由P個(gè)極上的線圈相互串聯(lián)（或并聯(lián)）構(gòu)成，則電動(dòng)機(jī)的相數(shù)為</p><p>　　M=ZS/P （內(nèi)轉(zhuǎn)子）

64、 （2-3）</p><p>　　M=ZR/P （外轉(zhuǎn)子） </p><p>　　通常P取2，即每相繞組由圓周相對(duì)兩個(gè)極上的線圈構(gòu)成。P取4的也較常用。選擇電動(dòng)機(jī)的極數(shù)及相數(shù)與電機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)，一般地說，極數(shù)和相數(shù)增多，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，運(yùn)行平穩(wěn)，但增加了電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性，特別是功率電路的成本提高。</p><p><b>　　單相

65、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)</b></p><p>　　開發(fā)比較成功的一種單相開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而內(nèi)定子的繞組為一環(huán)形線圈，它設(shè)在六個(gè)磁極槽內(nèi)，通電后將形成軸向和徑向組合的磁路。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒極接近定子極時(shí)接通電源，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度后斷開，避免產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子可以靠慣性旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒極接近下一個(gè)定子齒極時(shí)再通電。如此循環(huán)工作，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　2、兩相

66、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)</p><p>　　這種兩相結(jié)構(gòu)電機(jī)要可靠自起動(dòng)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可采用不對(duì)稱設(shè)計(jì)。因?yàn)榇穗姍C(jī)ZR=2，齒距角θr=180º，如果轉(zhuǎn)子是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，則定子齒極軸線與轉(zhuǎn)子軸線重合位置，θm=90º，相繞組有最大電感。兩相電機(jī)具有許多明顯的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電機(jī)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(jī)械強(qiáng)度，這使降低電機(jī)噪聲十分重要。由于相對(duì)

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

68、，這一關(guān)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(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)角，，對(duì)應(yīng)繞組通斷切換一次；電動(dòng)機(jī)每

69、轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)則繞組通斷切NP次。當(dāng)電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速N（r/min）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(duì)應(yīng)功率電路每個(gè)功率器件的開關(guān)功率。由于三相6/4極電機(jī)是可雙向起動(dòng)，最少相數(shù)，最少極數(shù)的電機(jī)，故經(jīng)濟(jì)性較好，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。由于同樣轉(zhuǎn)速時(shí)要求功率電路開關(guān)頻率較低，因此特別適合用作高速電機(jī)。</p><p>　　4、四相8/6極電動(dòng)機(jī)</p><p>　　四相電機(jī)也是得到廣泛研究和應(yīng)用的開關(guān)磁阻電機(jī)。與三相電機(jī)相比，四相電機(jī)的啟動(dòng)性能要好得多，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也小，但電機(jī)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(jī)是英國OULTON產(chǎn)品和國內(nèi)絕大部分產(chǎn)品采用的技術(shù)方案。其極數(shù)相數(shù)適中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不大，特別是起動(dòng)較平穩(wěn)，經(jīng)濟(jì)性也較好。按式計(jì)算的轉(zhuǎn)子極距角為θr=60º，步距角αp=15º，每轉(zhuǎn)步數(shù)為NP=24。</p><p>　　5、三相12/8極電動(dòng)機(jī)</p><p>　　其相數(shù)雖采用了可雙向自起動(dòng)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(zhuǎn)步數(shù)均與四相8/6極電機(jī)相同，為αp=15º，NP=24º。本方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是每相由定子上相距90º的四個(gè)極上的線圈構(gòu)成，因此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲也較小。</p><p>　　2.2 開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　由于雙凸極SR電動(dòng)機(jī)磁路的嚴(yán)重非線性，加上運(yùn)行

73、的開關(guān)性和受控性，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系十分復(fù)雜，難以建立與常規(guī)電動(dòng)機(jī)那樣規(guī)范的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　SR電動(dòng)機(jī)的基本方程式</p><p>　　盡管SR電動(dòng)機(jī)的參數(shù)和各個(gè)物理量，隨著轉(zhuǎn)子位置不同而變化的情況相當(dāng)復(fù)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(shè)SR電動(dòng)機(jī)的相數(shù)為m,各相結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同或?qū)ΨQ，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(yīng)電勢(shì)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(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。 ψk=ψ（θ，i1,i2,…,ik,…in）</p><p><b>　　機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程</b></p><p>　　根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，設(shè)J為SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kw為摩擦系數(shù)

76、，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，ω為轉(zhuǎn)子角速度，則</p><p>　　Tem=J+kω+TL=J+kωω+TL ω=（2-10）</p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p>　　SR電動(dòng)機(jī)內(nèi)的電磁轉(zhuǎn)矩，等于磁共能對(duì)于轉(zhuǎn)子位置角增加的速率，即：</p><p>　　Tem=

77、 （2-11）</p><p>　　所以，SR電機(jī)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(guān)性，使得基本方程式實(shí)際上很難計(jì)算，通常需根據(jù)具體運(yùn)行狀態(tài)和研究目的進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，因此可采用線形模型、準(zhǔn)線形模型和非線形模型的求解方法。線形模型有利于對(duì)SR電機(jī)

78、的定性分析，了解其運(yùn)行的物理狀況，內(nèi)部各物理量的基本特點(diǎn)和相互關(guān)系；準(zhǔn)線形模型具有一定的計(jì)算精度，多用于分析和設(shè)計(jì)功率變換器和制定控制策略；非線形模型則用于電機(jī)性能計(jì)算、仿真，是電機(jī)設(shè)計(jì)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(shè)：</p><p>　　忽略磁通邊緣效應(yīng)和磁路非線形，且磁導(dǎo)率μ=∞，繞組電感L是轉(zhuǎn)

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(guān)動(dòng)作瞬時(shí)完成。</p><p><b>　　電機(jī)恒定運(yùn)轉(zhuǎn)。</b></p><p><b>　　（一）繞組電感</b></p><p>　　圖中

80、坐標(biāo)原點(diǎn)θ=0定義為定子齒極軸線與轉(zhuǎn)子齒極間中心線重合時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角;θ1和θ5則表示轉(zhuǎn)子齒極的后極邊與定子齒極的前極邊重合時(shí)的位置角;θ2是轉(zhuǎn)子齒極的前極邊與定子齒極后極邊相遇時(shí)的位置角;θ3 是定、轉(zhuǎn)子齒極全部重疊時(shí)的位置角；θ4是轉(zhuǎn)子齒極的后極邊與定子齒極的后極邊相遇時(shí)的位置角；繞組電感L與轉(zhuǎn)子位置角θ的關(guān)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(dāng)SR電機(jī)由恒定直流電源U供電時(shí)，一相電路的電壓方程為</p><p>　　U== （2-14

82、）</p><p>　　式中，“+”號(hào)對(duì)應(yīng)于繞組與電源接通期間；“-”對(duì)應(yīng)于繞組關(guān)斷后續(xù)流期間。設(shè)主開關(guān)管導(dǎo)通瞬間（t=0）為電路的初始狀態(tài)，此時(shí)ψ0=0，θ0=θon;當(dāng)主開關(guān)管關(guān)斷，繞組進(jìn)入續(xù)流期間。因此，一相繞組在導(dǎo)通、續(xù)流的一個(gè)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(guān)斷角。</p><p><b>　?。ㄈ├@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>　?。ㄋ模╇姶呸D(zhuǎn)矩</b></p><p>　　SR電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩并非恒定轉(zhuǎn)矩，而是繞組電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子不處于對(duì)齊位置和不對(duì)齊位置時(shí)，由于磁場(chǎng)扭曲而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。如果保持繞組中的電流值不變，將不同轉(zhuǎn)子位置的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩連成曲線即形成SR電機(jī)的靜態(tài)矩角特性。</p><p>　　SR電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，可通過磁場(chǎng)儲(chǔ)能或磁共

85、能對(duì)轉(zhuǎn)子位置角的偏導(dǎo)數(shù)求取。電磁轉(zhuǎn)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(shè)下，可寫出電磁轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)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(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.3.1 主要技術(shù)指標(biāo)</p>

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

88、lt;p>　　2.3.2 電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)步驟</p><p>　　根據(jù)給定的設(shè)計(jì)要求即額定數(shù)據(jù)選擇電動(dòng)機(jī)的相數(shù)、極弧和繞組供電電壓；</p><p>　　確定電動(dòng)機(jī)的主要尺寸，即定子外徑和鐵心長(zhǎng)度。理論研究和實(shí)際應(yīng)用表明，SR電動(dòng)機(jī)與同機(jī)座號(hào)異步電動(dòng)機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩相當(dāng)，可參照異步電動(dòng)機(jī)尺寸初選SR電動(dòng)機(jī)主要尺寸；</p><p>　　確定定、轉(zhuǎn)子極弧，可依據(jù)一定

89、比例關(guān)系優(yōu)選；</p><p>　　計(jì)算電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)子外徑D2、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑Di2、鐵心長(zhǎng)度l、氣隙長(zhǎng)度g、定子極弧寬度βs、轉(zhuǎn)子極弧寬度βr、定子軛高h(yuǎn)c、轉(zhuǎn)子軛高h(yuǎn)r、定子極距τs、轉(zhuǎn)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(dǎo)通角和磁負(fù)荷，計(jì)算繞組匝數(shù)；</p><p>　　選擇槽滿率，計(jì)算導(dǎo)線線徑及每相繞組電阻；</p><p>&

91、lt;b>　　核算電機(jī)性能</b></p><p>　　計(jì)算并模化最大電感位置、最小電感位置、交界位置的磁化曲線；</p><p>　　計(jì)算實(shí)際繞組電流的峰值和有效值；</p><p>　　選擇系數(shù)，計(jì)算理想方波電流幅值；</p><p>　　計(jì)算并判斷平均電磁轉(zhuǎn)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(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。下表給出了11KWSR電動(dòng)機(jī)幾何尺寸的優(yōu)化結(jié)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(yīng)強(qiáng)度；</p><p>　　Jcu為電動(dòng)機(jī)繞組電流密度。 </p>&

93、lt;p><b>　　2.4 起動(dòng)性能</b></p><p>　　起動(dòng)是SR電機(jī)運(yùn)行中的一個(gè)組成部分。SR電機(jī)起動(dòng)的基本要求是：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小，起動(dòng)時(shí)間短。通常，單相SR電機(jī)沒有自起動(dòng)能力；兩相SR電機(jī)可以在任意轉(zhuǎn)子位置上起動(dòng)，但只能但方向起動(dòng)；三相和三相以上的SR電機(jī)在任意轉(zhuǎn)子位置上都具有正反向的自起動(dòng)能力。SR電機(jī)起動(dòng)時(shí)，不需要其他輔助的起動(dòng)設(shè)備，四相8/6極SR電機(jī)存在

94、兩種起動(dòng)方式：一相起動(dòng)和兩相起動(dòng)。</p><p>　　2.4.1 一相起動(dòng)</p><p>　　當(dāng)四相繞組通以恒定方波電流時(shí)，在起動(dòng)過程中，由于反電動(dòng)勢(shì)很小，電流很大，因此電機(jī)實(shí)際上運(yùn)行于電流斬波狀態(tài)，且起動(dòng)初期控制參數(shù)，可等效為幅值為的理想方波電流。各相轉(zhuǎn)矩曲線互相重疊，在任意轉(zhuǎn)子位置都有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置不同，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小不同。在各相轉(zhuǎn)矩波形交點(diǎn)處，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最小。A、D相

95、中任一相繞組導(dǎo)通產(chǎn)生的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相同。設(shè)此時(shí)為正向轉(zhuǎn)矩，電機(jī)為正轉(zhuǎn)向。如果改變電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)向，應(yīng)給B、C相中任一相繞組通電，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置在θS之前應(yīng)由D相繞導(dǎo)通（正轉(zhuǎn)向）或B像繞組導(dǎo)通（負(fù)轉(zhuǎn)向）；在θS之后由A相繞組導(dǎo)通（正轉(zhuǎn)向）或C相繞組導(dǎo)通（負(fù)轉(zhuǎn)向）。θS位置上起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tstmin稱為最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，則在任意轉(zhuǎn)子位置上SR電機(jī)均可起動(dòng)。反之，則存在起動(dòng)死區(qū)?？紤]任意轉(zhuǎn)子位置的起動(dòng)要求，可定義SR電

96、機(jī)一相起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為</p><p><b>　　Km=</b></p><p><b>　　兩相起動(dòng)</b></p><p>　　如果起動(dòng)時(shí)SR電機(jī)兩相繞組同時(shí)導(dǎo)通，則起動(dòng)轉(zhuǎn)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(dòng)轉(zhuǎn)矩可根據(jù)各相矩角特性相加，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯減小，平均轉(zhuǎn)矩增大。因此，兩相起動(dòng)所需

97、的起動(dòng)電流幅值小于一相起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流幅值，有利于降低主開關(guān)管的電流容量，降低系統(tǒng)成本。但由于兩相間同時(shí)導(dǎo)通，電流有效值增大，起動(dòng)過渡過程中能量損耗有所增加。在任意轉(zhuǎn)子位置，兩相起動(dòng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均比較一致，產(chǎn)生的電流沖擊和機(jī)械沖擊比較小，起動(dòng)性能優(yōu)于一相起動(dòng)。下表為一臺(tái)四相8/6極SR電機(jī)兩相起動(dòng)方式比較計(jì)算值。</p><p>　　表2-2 一臺(tái)四相8/6極SR電機(jī)兩種起動(dòng)方式比較</p><

98、;p>　　第3章 功 率 變 換 器</p><p>　　開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的各相繞組電流要保持一定相序，有一定通斷時(shí)刻，這就需要功率半導(dǎo)體構(gòu)成的變換器來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)變換器由直流（或交流整流）電源，構(gòu)成周期性的脈沖電流，供給電動(dòng)機(jī)各相繞組，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種控制。所以，功率變換器的作用有三個(gè)：一是起開關(guān)作用，使繞組與電源接通或斷開；二是為繞組的儲(chǔ)能提供回饋路徑；三是為SR電機(jī)提供能量，以滿足所需機(jī)械能的

99、轉(zhuǎn)換需要。</p><p>　　由于SR電動(dòng)機(jī)的繞組只需單向電流勵(lì)磁，故其功率變換器比其他交流調(diào)速系統(tǒng)的逆變器更簡(jiǎn)單可靠。在整個(gè)SRD成本中，功率變換器占有主要的比重。因此，合理設(shè)計(jì)變換器便是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。但是，作為一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，功率變換器又必須與電動(dòng)機(jī)和控制器緊密結(jié)合，進(jìn)行全面分析和綜合考慮。事實(shí)上，SRD的一些參數(shù)，如相數(shù)、定轉(zhuǎn)子極數(shù)、定轉(zhuǎn)子極弧尺寸、直徑、匝數(shù)、功率變換器的主電路、運(yùn)行方式

100、及控制變量、SR電機(jī)的繞組形式等，在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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?fù)湫问?lt;/p><p>　　合理設(shè)計(jì)功率變化器是提高SRD性能/價(jià)格的關(guān)鍵。而功率變換器的主電路形式，對(duì)系統(tǒng)的效率和成本又有很大的影響。理想的SR電機(jī)功率變換器應(yīng)具備以下幾個(gè)性能：</p>

101、<p>　　（1）、在任何速度下，均能給相繞組提供充分的勵(lì)磁電壓，以迅速建立相電流，且迅速釋放繞組磁場(chǎng)能量；</p><p>　　（2）、能通過對(duì)主開關(guān)器件的控制，有效地控制相電流；</p><p>　?。?）、對(duì)有電流重疊的電動(dòng)機(jī)，能提供各相電流的獨(dú)立控制；</p><p>　?。?）、對(duì)電動(dòng)機(jī)相數(shù)沒有限制；</p><p>　　

102、（5）、開關(guān)器件的額定電壓與供電電壓接近；</p><p>　?。?）、低開關(guān)/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(jiǎn)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(gè)主開關(guān)管S1，S2及續(xù)流二極管VD1，VD2。上下兩只主開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，各主開關(guān)管的電壓為電源US。若主開關(guān)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(shí)晶閘管的反向電壓。這種電路適宜在高壓、大功率及SR電動(dòng)機(jī)相數(shù)較少的場(chǎng)合應(yīng)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(gè)主開關(guān)器件，但每相有一個(gè)二次繞組與一次惻重合。主開關(guān)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(dòng)機(jī)繞組電壓額定值的兩倍。這種變換器的缺點(diǎn)是未能用足主開關(guān)的額定電壓，且電動(dòng)機(jī)中銅線利用率低。其優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)元件較少。這種變換器在電壓較低的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　圖3-3表示由裂相電源供電的電路，每相只有一個(gè)主開關(guān)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(dòng)機(jī)。每個(gè)主開關(guān)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(duì)蓄電池供電的系統(tǒng)是很合適的。</p><p>　　SR電動(dòng)機(jī)功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式很多，這主要表現(xiàn)在其主開關(guān)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(chǎng)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(jī)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(diǎn)電位U0=US/2。A、B、C、D相為電動(dòng)機(jī)的四相繞組，每相各用一只主開關(guān)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(guān)器件的選擇</b></p><p>　　對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率變換器，其主開關(guān)元件的選擇必須考慮的因數(shù)有：電動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)、供電電壓、峰值電流、主開關(guān)的開關(guān)難度、觸發(fā)難易程度、開關(guān)損耗、元件價(jià)格、驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜程度、并行運(yùn)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(shù)水平等等。</p><p>　　3

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

109、要求相當(dāng)大的反向控制電流；MOSFET的開關(guān)頻率可很高，但價(jià)格昂貴，容量也做不大，一般僅用于小功率場(chǎng)合；IGBT則集MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又具有GTR的通態(tài)電壓低、耐壓高、抗浪涌電流能力強(qiáng)、無二次擊穿現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。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(guān)速度想適應(yīng)的快恢復(fù)二極管，故使用方便。從結(jié)構(gòu)上看IGBT可認(rèn)為是以GTR為主導(dǎo)元件，以MO

110、SFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)器件。本系統(tǒng)采用的是IGBT模塊。</p><p>　　3.2.2 主開關(guān)器件的額定電壓</p><p>　　主開關(guān)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(gè)主開關(guān)元件在關(guān)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(dǎo)致關(guān)斷時(shí)的電壓尖脈沖所加的裕量）。當(dāng)SR典籍運(yùn)行中換相、突然停車，或減速制動(dòng)

111、時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械能及漏電感儲(chǔ)能，將向電源濾波電容倒灌，導(dǎo)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?qū)ㄅc反向截止均具有快恢復(fù)性。正向快恢復(fù)性能保證主開關(guān)器件斷開時(shí)，相電流從主開關(guān)器件轉(zhuǎn)換到二極管續(xù)流；而反向