镇平玉雕局郭海樱:变幅电动机
转 矩 波 动 是 其 为 双 凸 极 结 构 及 由 开 关 电 源 供 电
所 产 生 的 不 可 避 免 的 现 象 。 为 使 转 矩 波 动 最 小
化 , 在 详 细 分 析 了 三 相 及 四 相 开 关 磁 阻 电 动 机
在 传 统 斩 波 方 式 下 合 成 转 矩 输 出 波 形 及 其 转 矩
波 动 产 生 原 因 后 , 提 出 了 变 斩 波 幅 值 斩 波 控 制
方 法 , 建 立 了 线 性 的 变 斩 波 幅 值 控 制 模 型 。 仿
真 计 算 了 两 种 斩 波 方 式 下 转 矩 波 动 情 况 , 从 而
证 实 了 变 斩 波 幅 值 斩 波 控 制 方 法 对 降 低 转 矩 波
动 的 有 效 性 。 作
为 一 种 新 型 可 变 速 驱 动 系 统 , 近 年 来 颇 受 国 内
外 电 气 传 动 界 的 关 注 。 其 结 构 简 单 、 坚 固 、 成
本 低 、 调 速 性 能 优 良 , 在 宽 广 的 调 速 范 围 内 都
具 有 较 高 的 效 率 , 这 是 其 它 调 速 系 统 难 以 比 拟
的 。 但 SRM的 双 凸 极 结 构 和 采 用 开 关 电 源 供 电 的
方 式 , 导 致 了 其 不 可 避 免 的 转 矩 波 动 , 由 此 带
来 的 噪 声 问 题 阻 碍 了 其 快 速 的 发 展 。 实 现 SRM转
矩 波 动 最 小 化 运 行 具 有 较 大 的 难 度 和 复 杂 性 。
SRM的 特 殊 结 构 决 定 了 其 输 出 转 矩 依 赖 于 定 子 电
流 和 转 子 位 置 。 已 有 许 多 文 献 探 讨 了 降 低 转 矩
波 动 问 题 , 如 调 整 定 、 转 子 齿 尺 寸 使 输 出 转 矩
平 滑 [1,2,3,4], 或 依 据 预 定 法 则 使 续 流 电 流
最 优 化 [5,6], 从 而 使 输 出 转 矩 平 滑 。 对 SRM绕
组 电 流 控 制 的 传 统 方 式 是 单 幅 值 电 流 斩 波 控 制
, 即 在 绕 组 通 电 期 间 电 流 斩 波 的 幅 值 是 不 变 的
, 此 方 式 的 转 矩 波 动 较 严 重 。 为 使 转 矩 波 动 最
小 化 , 本 文 提 出 了 变 幅 值 电 流 斩 波 控 制 方 法 。为 分 析 SRM转 矩 输 出 情 况 , 本 文 采
用 简 化 的 电 感 模 型 。 在 定 转 子 极 不 对 齐 的 位 置
气 隙 大 , 此 时 电 感 为 最 小 值 Lu, 在 定 转 子
极 对 齐 的 位 置 气 隙 小 , 电 感 为 最 大 值 La。
简 化 的 电 感 线 性 模 型 为由 相 电 流 瞬 时 值 可 求 出 转 矩 瞬 时 值 ,
依 相 序 合 成 各 相 的 瞬 时 转 矩 , 即 可 求 出 系 统 输
出 转 矩 。SRM低 速 运 行 时 , 为 避 免 过 大 的 电
流 脉 冲 峰 值 , 多 采 用 斩 波 限 流 工 作 方 式 , 即 在
SRM一 相 通 电 周 期 内 , 斩 波 电 流 为 唯 一 的 幅 值 。
图 1所 示 为 在 传 统 斩 波 方 式 下 , 基 于 前 述 电 机 模
型 数 值 仿 真 计 算 的 一 台 三 相 6/4极 SRM电 流 及 转 矩
合 成 情 况 波 形 , 转 矩 波 动 主 要 产 生 在 换 流 期 间
, 此 期 间 前 一 相 绕 组 通 电 结 束 区 和 后 一 相 绕 组
通 电 开 始 区 输 出 转 矩 均 较 小 。 原 因 是 对 于 三 相
6/4极 SRM而 言 , 相 邻 通 电 绕 组 相 序 为 30° 机 械 角 ,
而 一 相 绕 组 电 感 上 升 区 为 45° , 绕 组 在 电 感 上 升
区 结 束 前 应 关 断 才 不 至 于 产 生 负 转 矩 。 在 电 感
上 升 开 始 区 和 上 升 结 束 区 电 感 变 化 率 较 小 , 而
恰 是 在 这 两 个 区 间 电 流 处 于 上 升 和 下 降 的 过 程
, 瞬 时 转 矩 值 较 小 , 因 而 转 矩 叠 加 区 的 值 较 小
。 所 以 合 成 转 矩 值 也 较 小 , 产 生 了 较 大 的 转 矩
波 动 。 图 2是 传 统 斩 波 方 式 下 仿 真 计 算 的 一 台 四
相 8/6极 SRM的 电 流 和 输 出 转 矩 合 成 情 况 波 形 。 可
见 对 于 四 相 电 机 来 说 , 转 矩 叠 加 区 的 值 较 大 。
四 相 8/6极 电 机 相 邻 通 电 绕 组 相 序 为 15° , 而 每 相
电 感 上 升 区 为 30° , 所 以 换 流 时 后 一 通 电 相 输 出
转 矩 与 前 一 相 输 出 转 矩 较 大 区 叠 加 , 因 而 , 合
成 转 矩 较 大 , 也 使 输 出 转 矩 产 生 了 大 的 波 动 。 鉴 于 以 上 分 析 , 转 矩 波 动 主 要 是
在 换 流 期 间 相 邻 相 输 出 转 矩 叠 加 而 产 生 的 。 对
于 三 相 SRM而 言 , 叠 加 区 输 出 转 矩 值 较 小 , 而 四
相 叠 加 区 输 出 转 矩 值 较 大 。 因 而 可 以 通 过 改 变
叠 加 区 相 邻 相 的 瞬 时 输 出 转 矩 值 降 低 波 动 , 也
就 是 改 变 绕 组 导 通 开 始 区 和 结 束 区 的 电 流 , 从
而 提 出 了 变 幅 值 电 流 斩 波 控 制 方 式 , 即 在 绕 组
开 始 通 电 时 斩 波 幅 值 设 定 一 值 , 然 后 逐 渐 减 小
( 对 于 三 相 SRM) 或 增 大 ( 对 于 四 相 SRM) , 在 绕
组 通 电 中 间 区 让 斩 波 幅 值 恒 定 一 段 时 间 , 然 后
再 逐 渐 增 加 ( 三 相 SRM) 或 减 小 ( 四 相 SRM) 到 绕
组 关 断 。 为 此 建 立 了 电 流 斩 波 幅 值 Im的 线 性 模
型式 中 : Im0表 示 初 始 设 定 斩 波 幅 值 ;
k是 系 数 , 表 示 电
流 斩 波 幅 值 Im随 角 度 θ 的 变 化 率 , 对 于 三
相 SRM, k取 负 值 , 四 相 SRM取 正 值 ;
θon,θoff分
别 表 示 相 绕 阻 开 通 关 断 角 ;
θ1, θ2分
别 为 恒 定 斩 波 幅 值 段 起 始 角 度 与 结 束 角 度 , 依
据 不 同 电 机 结 构 取 值 。基 于 上 述 电 流 斩 波 幅 值 控 制 模 型
, 仿 真 计 算 分 析 了 与 图 1传 统 斩 波 方 式 下 SRM相 同
的 电 机 结 构 参 数 , 相 同 开 通 、 关 断 角 , 相 同 平
均 输 入 电 流 情 况 下 变 幅 值 斩 波 控 制 电 流 及 相 应
的 合 成 转 矩 波 形 , 如 图 3所 示 。 仿 真 取 k=0.007, θon=0.3°
, θoff=33.6° , θ1=18.75° 且 θ2=26.4°
。
对 比 图 1与 图 3可 以 看 出 , 相 绕 组 通 电
开 始 区 与 通 电 结 束 区 电 磁 转 矩 的 提 高 , 使 换 流
期 间 合 成 转 矩 接 近 于 电 磁 转 矩 较 大 的 中 间 区 ,
从 而 有 效 地 降 低 了 转 矩 波 动 。 表 1为 对 应 图 1的
传 统 斩 波 方 式 及 对 变 幅 值 斩 波 方 式 下 输 入 平 均 电 流 , 输 出 平 均
转 矩 及 转 矩 波 动 系 数 [7]表 。 由 表 1可 知 , 变 幅 值
斩 波 控 制 在 并 不 降 低 转 矩 的 情 况 下 , 大 大 降 低
了 转 矩 波 动 。
固 有 的 转 矩
波 动 现 象 是 电 机 振 动 和 噪 声 产 生 的 主 要 原 因 ,
所 以 实 现 SRM转 矩 波 动 最 小 化 具 有 重 要 的 意 义 。
本 文 详 细 的 仿 真 分 析 表 明 了 针 对 不 同 相 数 采 取
的 不 同 方 式 的 变 幅 值 斩 波 控 制 对 降 低 SRM转 矩 波
动 的 有 效 性 。