开关磁阻电机调速系统毕业设计

开关磁阻电机调速系统毕业设计内容摘要：

国 SR 电机的理论研究和实际应用都存在较大的不足和差距。 近 20年来， SR电机的研究在国内外取得了很大的发展，但作为一种新型调速驱动系统，研究的历史还较短，其技术涉及到电机学、微电子、电力电子、控制理论等众多学科领域，加之其复杂的非线形特性，导致研究的困难性，在电机理论、性能分析和设计等方面都还不够成熟、完善，存在大量的工作要做，如铁心损耗、转矩波动和噪声的理论研究， SR 电机磁场的三维有限元分析，电机设计优化及控制参数的优化， SR 电机的测试，无位置传感器的 SR 电机，新结构 SR 电机 的开发等。 在应用方面， SR 电机作为一种新型调速系统，兼有直流调速和交流调速的优点，无疑有广阔的市场前景。 但是 PWM异步电动机和无刷直流电动机等经过了多年的开发推广，目前以领先一步，有了极广泛的应用， SR电机要进入调速市场并占据较大的份额，尚需花大力气宣传和开发它的工业应用。 目前 SRD LTD 已研制了几十瓦到几十千瓦的 SR 电机，并成功地用于车辆牵引、风机、泵及卷扬机等工业生产领域。 美国还将 SR电机用作飞机发动机的起动发电装置。 就我国国情来说，要使 SR 电机被人们普遍采用还需要广大的科研人员和研制单位做大量的推广 工作。 一方面要加强通用功率等级的应用，同时可从 以下的小功率应用和各种特殊用途领域进入市场。 在 100～ 700W 范围， SR电机单位体积输出功率高出异步电动机或直流换向器电动机的 2～ 4 倍，应充分利用国产功率半导体器件价格低、电机结构简单、成本低和在宽广的速度范围内实现高效率运行的优势。 开发具有广泛用户的家用电器市场。 SR 电机全面进入市场是必然的，只是时间问题。 开关磁阻电机调速系统的组成和工作原理 开关磁阻电机调速系统，从功能上来看，由开关磁阻电机、转子位移传感器、功率变换器和控制器四部分 组成。 如图所示： 给定速度 图 11 SRD 基本构成 开关磁阻电机 （ SRM） SR 电机是 SRD 的执行元件，图示为四相 8/6 极开关磁阻电机的电机结构原理图，电机为了增加出力设计成定、转子双凸极结构。 转子仅由硅钢片叠压而成，既无绕组也无永磁体；定子各极上有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。 其工作原理遵循“磁阻最小原理” —— 磁阻总是要沿磁阻最小的路径闭合，因此磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。 图 12 SR 电机可以设计成单相、两相、三相、 四相及多相等不同相数结构，且有每极单齿结构和每极多齿结构，轴向气隙、径向气隙和轴向 径向混合结构，内转子和外转子结构。 低于三相的 SR 电机一般没有自起动能力。 相数多，有利于减小转矩波动，但导致结构复杂、主开关器件多、成本增多。 目前应用较多的是三相 6/4 极结构和四相 8/6 极结构。 下表为常见的 SR 电机定、转子极数组合方案。 控制器 功率变换器 SR 电机 负载 电流检测 位置检测 表 12 相数 1 2 3 4 5 6 定子极数 2 4 6 6 10 12 转子极数 2 6 4 8 8 10 当 A相绕组单独通电时，在电动机内建立以为轴线的磁场，该磁场作用于 转子，将产生使邻近的转子极与之相重合的电磁转矩，并使转子转动。 若在上述两者重合时 B相绕组通电，则由于定子极距为 60186。 ，而转子极距为 90186。 ，由此产生的转矩将使转子逆时针动 30186。 同理，再改为 C 相通电时，转子继续逆时针转动 30186。 由此可知，若三相绕组轮流通电，即 ABC—— A?，则转子连续逆时针转动。 若改变通电相序为 A——C—— B—— A?，则可使转子顺时针转动。 若改变相电流的大小，则可改变电动机转矩的大小，进而可以改变电动机转速。 若在转子极转离定子极时通电，所产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，为制动转 矩。 由此可知，通过简单地改变控制方式便可改变电动机的转向、转矩、转速和工作用。 功率变换器 功率变换器是 SR 电机运行时所需能量的提供者。 当采用交流电源供电时，功率电路包括整流电路和逆变电路；当采用直流电源供电时，功率电路仅包括逆变电路。 如图所示。 整流电路的作用是将交流电源转换为直流电源，电路比较简单，为二极管组成的三相桥式电路、三相零式电路或单相桥式电路等。 整流后的直流环节采用电解电容滤波。 下图给出三种常用的逆变电路，即双电源电路、双开关电路和双绕组电路。 图中只给出一相绕组电路，当开关元件 S闭合时，电路 将电源能量提供给电动机，电流通入绕组。 当开关元件断开时，绕组电流通过二极管续流，将绕组磁储能回馈给电源。 其中双绕组依靠与主绕组紧耦合的辅助绕组续流。 在续流过程中，绕组承受反向电源电压，使电流迅速衰减。 交流电源 直流电源 整流电路 逆变电路 电动机 逆变电路 电动机 图 13 三种逆变电路示意图 位置检测传感器 由磁阻式电动机的工作方式可知，为使其正常工作，必须在转子转到适当的位置时导通适当的相绕组，并在转动过程中始终正确切换各相绕组。 若不能做到这一点，非但电动机不 能按要求转动，还会发生停转、反转或乱转现象。 为了在电动机运行过程中随时知道转子的瞬时位置，电动机必须装置角位移传感器，这是开关磁阻电动机与其他一般电动机的明显区别。 这里要求角位移传感器具有输出信号较大、抗干扰能力强、位移精度高、温度范围宽、环境适应能力强、耐振动、寿命长和安装定位方便的特点。 可适用的角位移传感器的种类很多，如霍尔传感器、光电式传感器、接近开关式传感器、谐振式传感器和高频耦合式传感器等。 控制器 控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信号及外部输 入的命令，实现对 SR 电机运行状态的控制，是 SRD 的指挥中枢。 控制器一般由单片机及外围接口电路等组成。 在 SRD 中，要求控制器具有以下性能： （ 1） 电流斩波控制（ CCC 控制）； （ 2） 角度位置控制（ APC 控制）； （ 3） 起动、制动、停车及四象限运行； （ 4） 速度调节。 开关磁阻电机调速系统的整体工作过程如下：控制电路接受起动命令信号，在检测系统状态一切正常的情况下，根据角位移传感器提供的电动机转子位置信号，按起动逻辑给出相应的输出信号。 该信号控制功率电路向电动机绕组供电，使电动机转子开始转动。 当转子转过一定角度时，控制电路根据角位移传 感器信号的变化通过功率变换电路使电动机通电相改变。 当电动机转速达一定值时，控制电路从起动逻辑转换为低速运行逻辑，或再从低速运行逻辑转换为高速运行逻辑。 运行中，控制电路测试电动机运行中的转速或转矩等，并对其进行连续调节。 当操作命令改变时，如停车、制动等，控制电路再次改变工作逻辑，通过功率变换电路使电动机实现操作要求。 若运行中出现故障情况，如堵转、过载等，控制电路通过功率电路采取故障停车等保护措施，并通过显示电路报警。 由上述工作过程可以更深刻地体会到，开关磁阻电动机调速系统是由电动机、角位移传感器、功率变换电 路和控制电路组成的机电系统一体，各部分密切结合，缺一不可。 其中每一部分难以单独使用，但几部分组合起来便构成高性能的机电一体化产品。 系统的性能特点 电动机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，转子仅由硅钢片叠压而成，可工作于极高转速；定子线圈为集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。 损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升。 转矩方向与相电流无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本。 功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。 动转矩大，低速性能好，无异步电动机在起动时所出现的冲击电流现象。 调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩 速度特性。 在宽广的转速和功率范围内都具有高效率。 能四象限运行，具有较强的再生制动能力。 各种突出的优点，使 SRD 已成为交流电机驱动系统、直流电机驱动系统及无刷直流电机驱动系统的有力竞争者。 由于 SR 电机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声是 SR 电机存在的最主要的缺点。 但是，近年来的研究表明，采用合适的设计、 SRD的噪声完全可以做到高质量的 PWM 型异步电动机的噪声水平。 下图为 132 号机座 第二代 Oulton SRD(曲线所示 )与逆变器供电的异步电动机（黑点所示）的噪声情况。 图 13 第２章 SRM SRM 的结构和分类 开关磁阻电动机有许多不同的结构形式，各有其不同的性能特点。 如上所述，该电机的定、转子铁心均由硅钢片叠成。 定、转子冲片上均有齿槽，构成双凸极结构。 依定、转子片上齿槽的多少，形成不同极数的电机。 为避免单边磁拉力，径向必须对称，故定、转子极数应为偶数。 除单相外，应使定子极（齿槽）数 ZS 与转子极（齿槽）数 ZR不相等，但为提高电机 出力，要尽量接近。 对内转子电机，最常用的关系为 ZS=ZR+2 （ 21） 对外转子电机，最常用的关系为 ZS=ZR2 （ 22） 每个定子极上套一个集中绕组。 同样为避免单边磁拉力，圆周上相对的两个极上的线圈应属于同一相绕组。 若每相绕组由 P 个极上的线圈相互串联（或并联）构成，则电动机的相数为 M=ZS/P （内转子） （ 23） M=ZR/P （外转子） 通 常 P 取 2，即每相绕组由圆周相对两个极上的线圈构成。 P 取 4 的也较常用。 选择电动机的极数及相数与电机性能和经济性密切相关，一般地说，极数和相数增多，电动机转矩脉动减小，运行平稳，但增加了电动机的复杂性，特别是功率电路的成本提高。 单相开关磁阻电动机 开发比较成功的一种单相开关磁阻电机结构采用外转子结构，而内定子的绕组为一环形线圈，。