畢業論文-開關磁阻新型調速調速電動機驅動系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 結構就是要使轉子旋轉時磁路的磁阻要盡可能大地變化。 功率變換器向 SRM 提供運轉所需的能量，由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電。由于 SRM 繞組電流是單向的，使得其功率變換器主電路非常簡單，其結構形式與 SR 電動機的相數、繞組形式有關，功率變換器的結構和 開關器件的選擇直接影響到 SRD 系統的性能和成本。其主要作用有： （ 1） 向 SR 電動機傳輸電能，滿足機電能量轉換的需要； （ 2） 起開關作用，使 SR 電動機的各相繞組適時通斷； （ 3） 為 SR 電動機各相繞組的儲能提供回饋路徑。 控制器是系統的中樞，綜合處理速度指令、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關器件的工作狀態，實現對 SRM 運行狀態的控制。其性能好壞直接影響到電機的運行性能。 檢測單元由位置檢測和電流檢測環節組成。提供轉子的位置信息從而確定各相繞電源 主電路 SRM 給定指令 控制器 電流檢測 速度檢測 位置檢測 驅動電路 湖南工業大學本科畢業設計（論文） 7 組的開通和關斷，提供電流 信息來完成電流跟蹤控制或采取相應的保護措施以防止過電流。 功率主開關器件 SR 電機的繞組只需要單方向電流，但應能迅速從電源接受電能，又能迅速向電源回饋能量。由于 SRD 功率變換器只需要給電動機提供單方向電流，故它比異步電動機 PWM 變頻器簡單、可靠。然而， SR 電機的工作電流、電壓波形系統的運行條件及電動機設計參數的制約，很難準確預料。這就使得其主開關器件的定額計算較為復雜，主開關器件的選擇與電動機功率、供電電壓、峰值電流、成本等有關，還與主開關器件本身的開關速度、觸發難易、開關損耗、抗沖 擊性、耐用性等有關。當前電力電子經過多年的發展，可供選擇的功率器件主要有普通晶閘管、可關斷晶閘管（ GTO）、功率晶體管（ GTR）、功率 MOS 場效應管（ MOSFET）、 絕緣柵雙極晶體管（ IGBT） 。 功率變換拓撲電路 功率變換器應與電動機結構匹配，達到效率高、控制方便、結構簡單、成本低等基本要求，一個理想的功率變換器主電路結構形式應同時具備如下條件 ： (1） 最少數量的主開關元件； (2)可將全部電源電壓加給電動機相繞組； (3)主開關器件的電壓額定值與電動機接近； (4)具備迅速增加相繞組電流的能力 ； (5)可通過主開關器件調制，有效地控制相電流； (6)在繞組磁鏈減少的同時，能將能量迅速地回饋給電源。 功率變換器的拓撲結構與傳統逆變器有很大差異，具有多種形式，并且與開關磁阻電動機的相數、繞組連接形式有密切的關系。其中，最常見的拓撲結構有：電機雙繞組型、電容裂相型、 H 橋型、不對稱半橋式、具有最少數量主開關器件的功率變換器電路等。下面扼要介紹開關磁阻電機幾種常見功率變換器的線路，進行對比分析 。 (1)電機雙繞組型 湖南工業大學本科畢業設計（論文） 8 圖 圖 所示是早期使用的雙繞組結構，通常主副繞組采用雙線并繞的 形式， 以得到最大的互感系數，主繞組開關元件 S 斷開后，主繞組的能量通過互感傳到副繞組，再通過二極管續流。該電路主開關元件的額定工作電壓為 2(1+D)SV ，其中 SV 是整流橋輸出的峰值電壓， D 是開關元件關斷時的過電壓系數，功率變換器的伏安容量為 2m(1+D)mI ， m 為電動機的相數， mI 為電動機的峰值電流。雙 繞組主電路十分簡單，每相繞組只有一只主開關及一只續流二極管。缺點是主副繞組之間不可能完全耦合，主開關元件關斷時會產生較高的沖擊電壓，對主開關元件的額定工作電壓要求比較高，并需有良好的吸收網絡；同時由于電動機采用雙繞組結構，繞組利用率下降，銅耗增加、體積增大。這種主電路可適用于任意相數的開關磁阻電機，尤其適宜于低壓直流電源。 (2)電容裂相型 圖 電路出現較早，在一個時期內應用比較廣，是一種比較成熟的主電路結構。將整流橋輸出的電壓用雙電容裂相 (電容同時也起濾波、存儲繞組回饋能量的作用 )，采用這種電路，可 對電動機的各相獨立控制，每相只需一個主開關元件和一個續流二極管。因為兩個裂相電容上的電壓需要保持平衡，所以同兩個電容并聯的繞組數應相等，且上下橋的電容只能輪流或者同時給電動機的繞組供電，因而這種主電路結構只適用于偶數相的開關磁阻電機。主開關元件的額定工作電壓為 (1＋ D) SV ，采用電容裂相以后，電源電壓利用率降低，主開關元件的電流為圖 中的兩倍 (同功率情況下 )。 湖南工業大學本科畢業設計（論文） 9 圖 （資料來源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關磁阻電機的幾種功率 變換器拓撲的性能分析 [J]電氣傳動自動化 , 1995.） 圖 H 橋型功率變換主電路 （資料來源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關磁阻電機的幾種功率變換器拓撲的性能分析 [J]電氣傳動自動化 , 1995.） (3) H 橋型 圖 H 橋型功率變換主電路，這一電路可認為是上述電容裂相型電路取消了電容器分壓構成的雙電源，并將電動機四相繞組中點浮空而形成的。電機每相繞組的外施電壓為電源電壓的一半，因為任一相繞組電路必須以其它繞組為通路，換相相的磁能一部分回饋電源，另一部份注入導通相繞組，因此只能工作 在兩相同時通電方式，從而缺少一些控制靈活性。但這一變化也給本電路帶來了特有的好處，即可以實現零壓續流，提高系統控制性能。但它只適合于四相或者四的倍數相的 SR 電機 。 (4) 不對稱半橋型 湖南工業大學本科畢業設計（論文） 10 圖 為本系統所采用的不對稱半橋型三相 SR 電機功率變換器主電路。以 A 相為例，每相有兩個主開關管 S1 和 S5 及續流二極管 D1 和 D5。其中，上下兩只主開關管是同時導通和關斷的。當 S S5 導通時， D1 和 D5 截止，外加電源 SV 加至 A 相繞組的兩 端，產生相電流 aI ；當 S S5 關斷時， A 相繞組產 生的變壓器電壓勢極性如圖 所示 ，則 D D5 正向導通，電流通過 D D5 及儲能電容 C 續流， C 將吸收 A 相繞組的部分磁場能量 。 圖 不對稱半橋功率變換主電路 （資料來源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關磁阻電機的幾種功率變換器拓撲的性能分析 [J]電氣傳動自動化 , 1995.） 這種不對稱半橋型線路具有如下的特點： (1)各主開關管的電壓定額為 Vs ； (2)由于主開關管的電 壓定額與電動機繞組的電壓定額近似相等，用足了主開關管的額定電壓，有效的全部電源電壓可用來控制相繞組電流； (3)由于每相繞組接至各自的不對稱半橋，每相需要兩個主開關管和兩個二極管，相與相之間是完全獨立的，故這種結構對繞組相數沒有任何限制，適合任意相數電機，不存在上、下橋臂直通的故障隱患。 控制器 控制器是 SRD 系統的 主要 大腦，起決策和指揮作用。它綜合位置檢測器、電流檢測器提供的電動機轉子位置、速度和電流等反饋信息及外部輸入的命令，然后通過分析處理，決定控制器策略，向 SRD 系統的功率轉換器發出一系 列執行命令，進而控制SR 電動機運行，達到控制目的。控制器一般由單片機或者 DSP 芯片及外圍接口電路組成，在其中實現電機參數的比較分析以及控制運行算法的實現，在 SRD 系統中，要湖南工業大學本科畢業設計（論文） 11 求控制器實現下述性能： （ 1） 電流斬波控制； （ 2） 角度位置控制； （ 3） 啟動、控制、停車及四象限運行； （ 4） 速度調節。綜合采用有效的電機控制策略，減少轉矩脈動降低噪聲，實現電機優良的調速性能。 位置檢測 根據所用光電傳感器個數的不同，位置檢測的方法可分為全數檢測和半數檢測兩種。前者所用的光電傳感器的個數與開關磁阻電機 的相數相同，后者所用個數為相數的一半。半數檢測能節約成本，在本文位置檢測采用光電位置傳感器，它由裝在軸上的轉盤和裝在定子上的光電傳感器件 01V 和 02V 組成。轉盤固定在轉子軸上，具有與轉子凸極和凹槽數相等的凸齒和凹槽，而且它們成均勻分布結構都為 030 ，即外弧的弧長相等；光電傳感器件由光發生部件和光敏三極管接受電路組成，固定在定子或者機殼上轉盤與電機同步旋轉，通過轉盤的遮光、透 光使光敏元件產生導通和關斷信號。對于四相 8/6極電機，只須在定子極上安裝兩個相距 1/4轉子齒距角，即相距 075 或 015的光電元件，見圖 。 圖 8/6 四相開關磁阻電機位置檢測圖 一般情況下，光電傳感器件在夾角為 075 時放置在 A 相軸線兩側 處，夾角 015情況下則其中一個光電傳感器件放在靠 近 A 相軸線處與之成 角處。 A 相是處于和轉子極重合的位置，此時其相電感最大，可以看出其與光電傳感器的齒盤是不重合的，而是由一個 的夾角。位置感器的輸出是由齒盤凸極遮擋光電器件的光線來實現的。當凸極遮住光線的時候，傳感器輸出低電平，沒有遮擋的時候輸出高電平，圖 表示的就是由傳感器產生的兩路輸出位置信號，并且給出它們與相繞組電感之間的對應關系。 湖南工業大學本科畢業設計（論文） 12 圖 一個轉子周期內位置信號與相電感對應變化 當電動機旋轉時，根據被齒 盤遮住與否，兩個光電傳感器通過外圍電路輸出兩路相位分別相差 015 的基本信號，經過整形、濾波可以獲得比較好的方波信號。通過分析兩路方波信號的位置狀態以及對兩路方波信號上升、下降沿的捕獲，可以得到轉子旋轉的位置角度，可實現位置信號的反饋。同時，利用兩路信號上升、下降沿的捕獲，運用 T 方法 (測出相鄰的兩個捕獲信號之間的間隔時間來計算轉速的方法 )，進行電動機轉速的計算，可實現速度信號的反饋。 電流檢測 為了實現過電流保護，使電機安全運行 ，必須對繞組中的電流進行檢測 ，電流檢測電路一定要符合以下的條件： （ 1） 被測主電路 (強電部分 )與控制電路 (弱電部分 )間應良好隔離，且有一定的抗干擾能力。 （ 2） 靈敏度高，檢測頻帶范圍寬，可測含有多次諧波成分的直流電路。 （ 3） 單相電流檢測，在一定工作范圍內具有良好的線性度。 SR 電機的工作原理 SRG 通常采用雙凸極結構，如圖 所示，定、轉子均是由普通硅鋼片疊壓而成。轉子上既無繞組也無永磁體，定子上繞有集中繞組，由徑向相對的兩個繞組串聯構成一相繞組。從本質上說 SRG 與一般的交流電機系統不同，其運行原理遵循“磁阻 最小原則”， 即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，當轉子磁極軸線與定子磁極的軸線不重合時，便會有作用力作用在轉子上并產生轉距，從而使轉子向定子磁極的軸線方向運動或產生同方向的運動趨勢，直到定、轉子磁極軸線重合為止；若連續給各相定子繞組通電，則產生連續的脈振磁場，轉子將沿著與勵磁順序相反的方向連續轉動。并且轉子的轉動方向與電流方向無關，僅取決于勵磁順序。對于開關磁阻發電機來說，其一個通電周期可分為兩個階段，即勵磁階段和發電階段，且以發電階段為主。當主湖南工業大學本科畢業設計（論文） 13 開關 K1 和 K2 導通時，定子繞組接受外電路的勵磁，外部供給 的電能和機械能均轉化為磁場儲能； 當主開關關斷并通過二極管 D D2 續流時，磁場儲能和機械能都轉化成電能回饋電源或向負載供電。正是開關磁阻電機這種分時勵磁的特性，使得其控制靈活，可控參數多，如開通角、關斷角、勵磁電壓以及控制方式等均對發電效果有重大影響。下面就以常用的四相 8/6 極開關磁阻發電機為例進一步闡釋其運行機理。 圖 開關磁阻發電機工作原理示意圖 如圖 ，圖中僅畫出 A 相繞組及其供電電路，其余各相與此相相同。設發電機在外力的驅動下， 以逆時針方向旋轉。在圖示位置，定子 39。BB? 相繞組與轉子磁極 39。22?軸線重合，此時給定子 AA?’ 相繞組通電，即開關 1K 、 2K 閉合，該相通過直流電源 U進行勵磁。磁力線由定子 軛 經定子極 A 、氣隙、轉子極 鐵心、轉 子極 1? ，再回經定子極 A’ ，形成閉合回路。由于定子 AA?’ 相繞組軸線與轉子 極 11?? 不重合，根據 “ 磁路最短原則 ” ，轉子極 11?? 將有向定子極 AA?’ 運動趨 勢，并受到該方向的力矩作用，即順時針方向，與驅動力矩相反，同時轉子上的機械能將轉化成磁能 貯藏在磁場中。當開關 1K 、 2K 斷開時 ， AA?’ 相電流通過二極 管 1D 、 2D 續流，繞組內的電流方向不改變，電源 E 極性與原來相反，此時儲存在磁場中的磁能將釋放出來，并轉化成電能，回饋至電源，從而完成了機械能和電能之間以磁場為媒介的機電能量轉化過程。 湖南工業大學本科畢業設計（論文） 14 （ａ） A相通電 （ b） B相通電 （ c）Ｃ 相 通電 〔ｄ） D相通電 圖 電機旋轉至 ?’CC繞組軸線與轉子極 ?’33軸線重合時，將勵磁切換至 ?’BB相，則?’BB相與轉子極 ?’22之間相互作用將和 ?’AA相與轉 子極 ?’11之間相同。因此，連續不斷地按照 A B C D A? ? ? ?的順序給電機各相勵磁 ， 作用在轉子上的機械能將源源不斷地轉化成電能，實現發電運行 。 值得一提的是，若作用在開關磁阻發電機轉子上的外力方向改變時 ，只需改變各相的勵磁順序，即 C B A D C? ?