1、引言
開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(switched reluctance drive system, srd)具有一些很有特色的優(yōu)點(diǎn):電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、維護(hù)方便甚至免維護(hù)，啟動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大、電流小;高速恒功率區(qū)范圍寬、性能好，在寬廣轉(zhuǎn)速和功率訪問內(nèi)都具有高輸出和高效率而且有很好的容錯(cuò)能力。這使得sr電機(jī)系統(tǒng)在家用電器、通用工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機(jī)、高轉(zhuǎn)速電機(jī)、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 sr電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置。根據(jù)可逆原理，sr電機(jī)和傳統(tǒng)電機(jī)一樣，它既可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能—電動(dòng)運(yùn)行，在這方面的理論趨于成熟;也可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能—發(fā)電運(yùn)行，其內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系不能簡(jiǎn)單看成是sr電動(dòng)機(jī)的逆過程。本文將從sr電機(jī)電動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行這兩個(gè)角度闡述sr電機(jī)的運(yùn)行原理。
2、電動(dòng)運(yùn)行原理
2.1 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理
控制器根據(jù)位置檢測(cè)器檢測(cè)到的定轉(zhuǎn)子間相對(duì)位置信息，結(jié)合給定的運(yùn)行命令(正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn))，導(dǎo)通相應(yīng)的定子相繞組的主開關(guān)元件。對(duì)應(yīng)相繞組中有電流流過，產(chǎn)生磁場(chǎng);磁場(chǎng)總是趨于“磁阻最小”而產(chǎn)生的磁阻性電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向“極對(duì)極”位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到被吸引的轉(zhuǎn)子磁極與定子激磁相相重合(平衡位置)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩消失。此時(shí)控制器根據(jù)新的位置信息，在定轉(zhuǎn)子即將達(dá)到平衡位置時(shí)，向功率變換器發(fā)出命令，關(guān)斷當(dāng)前相的主開關(guān)元件，而導(dǎo)通下一相，則轉(zhuǎn)子又會(huì)向下一個(gè)平衡位置轉(zhuǎn)動(dòng);這樣，控制器根據(jù)相應(yīng)的位置信息按一定的控制邏輯連續(xù)地導(dǎo)通和關(guān)斷相應(yīng)的相繞組的主開關(guān)，就可產(chǎn)生連續(xù)的同轉(zhuǎn)向的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子在一定的轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)行;再根據(jù)一定的控制策略控制各相繞組的通、斷時(shí)刻以及繞組電流的大小，就可使系統(tǒng)在最隹狀態(tài)下運(yùn)行。
從上面的分析可見，電流的方向?qū)D(zhuǎn)矩沒有任何影響，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與電流方向無關(guān)，而僅取決于相繞組的通電順序。若通電順序改變，則電機(jī)的轉(zhuǎn)向也發(fā)生改變。為保證電機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，位置檢測(cè)器要能及時(shí)給出定轉(zhuǎn)子極間相對(duì)位置，使控制器能及時(shí)和準(zhǔn)確地控制定子各相繞組的通斷，使srm能產(chǎn)生所要求的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，達(dá)到預(yù)計(jì)的性能要求。
2.2 電路分析
電源vcc是一直流電源，3個(gè)電感分別表示srm的三相繞組，igbt1～igbt6為與繞組相連的可控開關(guān)元件，6個(gè)二極管為對(duì)應(yīng)相的續(xù)流二極管。當(dāng)?shù)谝幌嗬@組的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源給第一相勵(lì)磁，電流的回路(即勵(lì)磁階段)是由電源正極→上開關(guān)管→繞組→下開關(guān)管→電源負(fù)極，如圖2(a)所示。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于繞組是一個(gè)電感，根據(jù)電工理論，電感的電流不允許突變，此時(shí)電流的續(xù)流回路(即去磁階段)是繞組→上續(xù)流二極管→電源→下續(xù)流二極管→繞組，如圖2(b)所示。
2.3 能量轉(zhuǎn)換關(guān)系
當(dāng)忽略鐵耗和各種附加損耗時(shí)，srm工作時(shí)的能量轉(zhuǎn)換過程為:通電相繞組的電感處在電感上升區(qū)域內(nèi)(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向“極對(duì)極”位置)，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入的凈電能一部分轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)儲(chǔ)能，一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出;當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，繞組電流通過二極管和電源續(xù)流，存儲(chǔ)的磁場(chǎng)儲(chǔ)能一部分轉(zhuǎn)化為電能回饋電源，另一部分則轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出。
2.4 sr電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性
sr電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度低于ωfc(第一臨界速度)的范圍內(nèi)，為了保證ψmax和i不超過允許值，采用改變電壓、導(dǎo)通角和觸發(fā)角三者中任一個(gè)或任兩個(gè)，或三者同時(shí)配合控制。當(dāng)sr電動(dòng)機(jī)在高于ωfc范圍運(yùn)行時(shí)，在外加電壓、導(dǎo)通角和觸發(fā)角都一定的條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，磁鏈和電流將下降，轉(zhuǎn)矩則隨著轉(zhuǎn)速的平方下降(如圖3中細(xì)實(shí)線)。為了得到恒功率特性，必須采用可控條件。但是外施電壓最大值是由電源功率變換器決定的，而導(dǎo)通角又不能無限增加(一般不能超過半個(gè)轉(zhuǎn)子極距)。因此，在電壓和導(dǎo)通角都達(dá)最大時(shí)，能得到的最大功率的最高轉(zhuǎn)速ωsc被稱之為“第二臨界轉(zhuǎn)速”。當(dāng)轉(zhuǎn)速再增加時(shí)，由于可控條件都已經(jīng)達(dá)到極限，轉(zhuǎn)矩將隨轉(zhuǎn)速的二次方下降，如圖3所示。
sr電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性
開關(guān)磁阻電機(jī)一般運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在這兩個(gè)區(qū)域中，電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特性可控。通過控制條件，可以實(shí)現(xiàn)在粗實(shí)線以下的任意實(shí)際運(yùn)行特性。而在串勵(lì)特性區(qū)，電機(jī)的可控條件都已達(dá)極限，電機(jī)的運(yùn)行特性不再可控，電機(jī)呈現(xiàn)自然串勵(lì)運(yùn)行特性，故電機(jī)一般不會(huì)運(yùn)行在此區(qū)域。
