SRD开关磁阻电机驱动系统控制原理
开关磁阻电机PPT课件
当电机低速运行时，im很大，必须限幅
电流斩波控制方式 （CCC）
2.4 ψ-i曲线
得到SR电动机各部分的磁通、磁阻 不同转子位置角下的磁化曲线ψ＝f(i)。
φ
在线性模型中，电感L 仅是位置角θ的函数 而与电流无关，因此 对某一θ来讲， ψ＝ Li为一直线。
i
φ i
SR电机线性模型
2.5 转矩与功率
dt 2
2 dt
ui d (1 Li2 ) 1 i2 dL
d 2
2 d
ui d (1 Li2 ) 1 i2 dL
d 2
2 d
当开关导通，单位时间内输入电能ui 一部分增加磁场储能 (1 Li2 )
2
一部分转化为机械能 (1 i2 dL )
当开关关断
2 d
dL 0
d
dL 0
d
一部分转化为机械能 一部分磁场储能返回电源
波变化，不随电流改变
随电流改变。
四相8/6极SR电机定转子实物
1.1.2 功率变换器
能量提供者 包括直流电源和开关器件
1.1.3 控制器和位置检测器
控制器要求具有下述性能： （１）电流斩波控制 （２）角度位置控制 （３）起动，制动，停车及四象限运行 （４）调速 位置检测器提供转子位置信号，使控制器决定
理想SR模型 定子绕阻电感L与绕阻电流i无关 极尖的磁通边缘效应忽略不计 磁导率μ∞ 忽略所有功率损耗 开关动作瞬时完成 转子旋转角速度Ω=C
2.1 电感与转子位置角的关系
Lmin
L(
)
K (
1)
Lmax
Lmin
1 1 1 2 2 3
Lmax K ( 1) 3 4
d d
开关磁阻电机及其驱动控制系统 SRD 特种电机及其控制教学PPT学习教案
SR电机的无位置传感器控制 SR电机的振动、噪声研究 无轴承SR电机研究（磁悬浮） SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机
等
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2.2 SR电机基本方程与性能分析
+
R1
i1
u1
d1/dt
-
+
Rm t...1 im
um
dm/dt
-
耦合磁场
不计磁滞、涡流及绕组间互感时， m相SR电 机系统 示意图 J—转子与负载的转动惯量 D—粘性摩擦系数 TL—负载转矩
变化趋势：结构一定，在θon和θoff不变时
q1 0 q2 q3 q0 q4 q5
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SR电机绕组电感的分段线性解析式：
Lmin
L(q
)
K (q
Lmax
-q2)
Lmin
Lmax - K (q -q4 )
q1 q q2 q2 q q3 q3 q q4 q4 q q5
特征：随定、转子磁极重叠的增加和 减少， 相电感 在Lmax 和Lmin之间线性地变化 。 Lmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感 , Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感 。
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2.1.6 SRD的应用与研究动向
电动车
航空工业
应
家用电器
用
机械传动
精密伺服系统
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SRD的研究方向
SR电机设计研究：
铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论
SR电机的控制策略研究：
最优控制，减小转矩脉动、降低噪声
具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动 及各种不确定性干扰的新型控制策略
SRD开关磁阻电动机及其控制
电源
功率变换器
SR 电动机
负载
控制信号
电流检测 位置检测 控制器
（一）开关磁阻电动机SRM
1、工作原理：遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径 （maximum path）闭合的原理，产生磁场拉力形成 转矩——磁阻转矩（reluctance torque）。 2、结构（configuration）：一般采用凸极定子 （salient stator）和凸极转子（rotor）。
command），实现对SR电机运行状态的控制。 构造：由微机或数字逻辑电路（digital logic
circuit）及接口电路（interface circuit）构成。 要求控制器具有如下性能（performance）： 1）电流斩波控制（chopper control）； 2）角度位置控制（angle-position control）； 3）起动（start）、制动（brake）、停车及四象
限运行（four quadrant operation）； 4）速度调节（speed regulating）。
（四）位置检测器
向控制器提供转子位置及速度等信号 （signal），使控制器能正确地决定绕组的导 通（conduction/on）和关断（shut /off）时 刻。通常采用光电器件（photoelectric element）、霍耳元件或电磁线圈法进行位置检 测(detecting)。
定子装有集中绕组（concentrated winding）、直径（diameter）方向相对的两个绕组 串联（series）成为一相。
转子由叠片（laminated iron sheet）构成。无绕 组、无换向器（commutator）、无集电环(slip ring)。
开关磁阻电动机原理
通过合理选择导Lm通in 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。
(2)第二段
t1 t t2 (1 2 )
• 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，甚至可能出现下降。求得这段期 间电流关系式为：
近似为一梯形波。
图5-24 相绕组电感变化规律
转矩特性
• 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
Us
L
di dt
iR i(5r-1L5)
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
设：定子绕组为m相，定子齿数 Ns=2m，转子齿数为Nr。
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之间的关系为
(5-10) n 60 f
Nr
f Nrn 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
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。
双四 拍 运 行(每相通电1/2周期)
• 缺点：
▪ 电流产生转矩的有效性将降低，而电流在绕组中的损耗 却随着通流时间的增长而增加。
▪ 此外，在双四拍工作方式下由于有两相同时通电，电机 磁路饱和加剧，会进一步降低电机的输出转矩，影响运 行的效果及性能。
开关磁阻电动机调速系统在空气压缩机上的应用
开关磁阻电动机调速系统（SRD）在空气压缩机上的应用图 1：开关磁阻电动机原理图一、 SRD 工作原理简介开关磁阻电动机（SRM ）是定子、转子双凸极可变磁阻电动机。
定子、转子均由硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组。
开关磁阻电动机可设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。
图1所示电动机为8/6极。
若以图1中定、转子的相对位置作为起始位置，依次给A →B →C →D 相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，依次给D →C →B →A 相通电，则电动机会顺时针方向转动。
开关磁阻电动机的转向与相绕组的电流方向无关，只取决于相绕组通电的顺序。
该电动机结构比鼠笼式交流异步电动机还要简单，其突出的优点是定子上只有几个集中绕组，转子上无任何形式的绕组，机械强度很高，制造简单、可靠性高。
控制器通过电子电路控制功率开关器件的导通与关断，功率开关器件又控制电动机各相绕组的导通与关断，从而使电动机旋转，旋转方向与电流方向无关。
通过控制绕组导通与关断的顺序，可以控制电动机的旋转方向，通过控制绕组的电流及开通与关断角度可以控制电动机的转速。
控制器原理如图2所示。
模拟量输入RS232模拟量输出开关量输入开关量输出图2：开关磁阻电动机控制器原理图二、SRD系统特性开关磁阻电动机调速系统是由嵌入式微处理器、大规模数字模拟器件、电力电子功率器件及开关磁阻电动机共同组成的新型调速系统，其性能指标比普通交流变频调速系统及直流电机调速系统都要好，它是一种新颖的、高性价比的、具有典型机电一体化结构的无级调速系统。
该系统具有以下优点：1.系统效率高开关磁阻电动机调速系统在其宽广的调速范围内，整体效率比其它调速系统高出至少10%。
在低转速及非额定负载下高效率更加明显。
2.调速范围宽，低速下可长期运转开关磁阻电动机调速系统在整个调速范围内均可带负荷长期运转，电机及控制器的温升均低于工作在额定负载时的温升。
任务五 开关磁阻电机(SRD)
开关磁阻电机就是属于这一类型的电机。
2 开关磁阻电机发展历史
2.1 SRD机械结构
2.2 电动机定、转子实际结构
下面通过一个 开关磁阻电动 机原理模型来 介绍工作原理
电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁
良好的硅钢片冲制。
电机的转子铁芯有四个齿极， 由导磁良好的硅钢片冲制。
由于定子与转子都有凸起的齿 极，这种形式也称为双凸极结构 。在定子齿极上绕有线圈（定子 绕组），用来向电机提供工作磁 场。在转子上没有线圈，这是磁 阻电机的主要特点。
不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流的时间会有部分重 合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通与关断时间与转子定子间的 相对位置直接相关，故电机还装有转子位置检测装置为准时开关各相线圈电流提供依据，何 相线圈何时通断必须根据转子转到的位置与控制参数决定。
3.2 SRD交流电机控制原理
目前大部分电机都是遵循这一原理，例如一般的直流电 机和交流电机。 运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的
当定子绕组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循“磁阻 最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因此，当 转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转 子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位置。即两轴线重合位 置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象
电源
功率变换器
SR电动机
负载
控制信号
电流检测 位置检测 控制器
任务五 开关磁阻电机结构与原理
Switched Reluctance Motor
1.1 两类不同原理的电动机
电机可以根据转矩产 生的原理划分
电磁作用原理产 生转矩的电机
磁阻变化原理产 生转矩的电机
开关磁阻电机驱动系统的运行原理及应用
开关磁阻电机驱动系统的运行原理及应用（二）?（低轴阻发电机参考资料）??????1 引言开关磁阻电机驱动系统(SDR)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，启动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率访问内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。
这使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。
SR电机是一种机电能量转换装置。
根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能—电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能—发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。
本文将从SR电机电动和发电运行这两个角度阐述SR电机的运行原理。
2 电动运行原理2.1 转矩产生原理控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令(正转或反转)，导通相应的定子相绕组的主开关元件。
对应相绕组中有电流流过，产生磁场;磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。
当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合(平衡位置)时，电磁转矩消失。
此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动;这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行;再根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小，就可使系统在最隹状态下运行。
图1 三相sr电动机剖面图从上面的分析可见，电流的方向对转矩没有任何影响，电动机的转向与电流方向无关，而仅取决于相绕组的通电顺序。
若通电顺序改变，则电机的转向也发生改变。
为保证电机能连续地旋转，位置检测器要能及时给出定转子极间相对位置，使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，使srm能产生所要求的转矩和转速，达到预计的性能要求。
开关磁阻电机1.ppt
运动电动势 (转子位置改变)
机械运动方程：
d2
d
Te
J dt2
D dt
TL
式中 Te——电磁转矩； J—— 系 统 的 转 动 惯 量 ； K——摩擦系数；
TL——负载转矩。
电磁转矩：
SR电机的瞬时电磁转矩Te可由磁共能Wc导出：
Te
Wc (i, )
磁共能的表达式为：
Wc i (i, )di 0
SR电动机常用的相数与极数组合
相数
SR电机常用方案 34567
89
定子极数 6 8 10 12 14 16 18
转子极数 4 6 8 10 12 14 16
步进角(度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5
相数与转矩、性能关系：
相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常 用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM
5、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普 通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制 器一同使用。
2.1.3 开关磁阻电动机的相数与结构
相数与级数关系
Ns 2km Nr Ns 2k)
1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以 双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。
2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。 因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定 子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电 机出力的重要因素。
各种不确定性干扰的新型控制策略 – 智能控制策略
• SR电机的无位置传感器控制 • • SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等
2.2 SR电机基本方程与性能分析
+
R1
i1
u1
d1/dt
-
+
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SRD开关磁阻电机驱动系统控制原理
系统概述SRD 开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance Driver,简称SRD）是磁电机自动化控制技术为基础的机电一体化产品。
它由开关磁阻电动
机与智能电机控制器(驱动器)两部分组成，是继直流电动机、交流异步电动机
变频驱动系统之后发展起来的新一代无极驱动系统。
系统原理SRD 开关磁阻电机驱动系统控制原理(如图1 所示)。
电机内安装有位置传感器，控制器由功率电路和控制电路等单元组成。
工作状态下（如图3
所示），通过控制相绕组的电子开关S1、S2 的工作状态，就可以改变电机的转向、转矩、转速、制动等工作状态。
工作时磁场示意图（如图4 所示）
电机结构SRD 电机是定子、转子双凸极可变磁阻电机，定子、转子均由高
性能冷轧硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，定子极上绕有中绕组，如图2 所示。
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