开关磁阻电机调速系统标准

1.2 开关磁阻电机调速系统的发展1.2.1 开关磁阻电机调速系统(SRD)的发展概况]27[],2[],1[“开关磁阻电机(Switched reluctance motor简称SR电动机)”一词源见于美国学者S.A.Nasar1969年所撰论文，它描述了这种电机的两个基本特征]1[：1开关性——电机必须工作在一种连续的开关模式，这是为什么在各种新型半导体器件获得后才得以发展得主要原因；2磁阻性——它是真正的磁阻电机，定、转子具有可变磁阻回路。

作为SRD中的主要组成部分——开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor)，其基本结构及基本原理的提出可追溯到19世纪40年代，那时的电机研究人员已认识到利用顺序磁拉力使电动机旋转是可行的。

1842年，英国的Aberdeen和Davidson用两个U形电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动机。

两个U形电磁铁轮流通电以吸引嵌在木质转鼓圆周上的铁条。

但是由于技术水平制约，导致电动机的运行性能差，这就使从这种电动机雏形的诞生直到功率电子器件问世的100多年间，人们一直没有太大的兴趣研究这类电动机。

20世纪60年代，大功率晶闸管投入使用，为SR电动机的研究和发展奠定了重要的物质基础。

到了70年代中期，英国的Leeds（里兹）大学和Nottingham （诺丁汉）大学组成的研究小组，共同研制了以驱动电动车辆为目的的SRD装置。

随后英国TASC电机有限公司、BJD公司对SR电机进行了较深入的应用于研究。

进入80年代，结构简单、成本低、调速性能好的SRD已成为电工界中新的热门话题，美国、加拿大、印度、南斯拉夫、新加坡等国家也相继展开对SR 电动机的研究和开发工作，并取得了一定成果。

我国于1984年左右也以较高的起点开始SRD的研究、开发工作，1992年初成立了中国电工技术学会中小型电机专业委员会下设的开关磁阻电机学组，以推动开关磁阻电机研究工作的进一步发展。

开关磁阻电机调速系统的技术先进性说明（一）实测特性1、开关磁阻电机的空载特性通过对37KW开关磁阻电机调速系统进行空载实验，得出电机的空载特性曲线。

37KW开关磁阻电机空载特性曲线从上图可以看出，随着转速的增加，开关磁阻电机的转矩呈逐渐上升的趋势，表明SRD控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧可得到较大的起动转矩。

2、不同负载功率下的SRM的效率变化实验分别测定了37KW的开关磁阻电动机、三相异步电机和带变频器三相异步电机三种转速下不同负载下的效率。

额定转速(1500r/min)不同负载下SRM的效率三相异步电动机额定转速(1500r/min)不同负载下效率变频器+异步电动机额定转速(1500r/min)不同负载下的效率从上图可以看出，同样在转速为 1500r/min 时，三种电机的效率 都可以达到90%左右；但在低负载时，三相异步电动机的效率会明显 变低，即使与变频器相结合，其效率也未得到改善，而 SRM 电动机的效率则要明显地高。

同样地，比较转速1000r/min 不同输出功率下SRM 的效率和变 频器+异步电动机额定转速(1000r/min)不同负载下的效率中的实验结 果可以看出，当电机的转速降为1000r/min 时，带变频器三相异步电 动机的效率在低负载下的效率会更差。

比如当外加负载同为3KW 时， SRM 的效率仍可达80%，但即使使用了变频器的三相异步电动机的 效率却只有30%左右。

转速1000r/min 不同输出功率下SRM 的效率变频器+异步电动机额定转速(1000r/min)不同负载下的效率-------------------- MMN£iuT5r4s:IH »N+5HMMt5HMM百n I I I I I II I~5 t 10 U 15 M 划 打 筠 捕 汕转速500r/min 下不同输出功率下SRM 的效率植由血宰1£^3变频器+异步电动机额定转速（500r/min ）不同负载下的效率转速500r/min 下不同输出功率下SRM 的效率和变频器+异步电 动机额定转速（500r/min ）不同负载下的效率中的实验结果也进一步表 明，当转速进一步降低至500r/min 时，SRM 的效率基本不受影响， 而变频器+异步电动机在低负载时，其效率会更低。

开关磁阻电机的原理及其控制系统开关磁阻电机80年代初随着电力电子、微电脑和控制理论的迅速发展而发展起来的一种新型调速驱动系统。

具有结构简单、运行可靠、成本低、效率高等突出优点，目前已成为交流电机调速系统、直流电机调速系统、无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者。

一、开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机的工作原理遵循磁磁阻最小原理，即磁通总是要沿着磁阻最小路径闭合。

因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。

所以开关磁阻电动机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。

开关磁阻电机的定子和转子都是凸极式齿槽结构。

定、转子铁芯均由硅钢片冲成一定形状的齿槽，然后叠压而成，其定、转子冲片的结构如图1所示。

图1：开关磁阻电机定、转子结构图图1所示为12/8极三相开关磁阻电动机，S1. S2是电子开关，VD1, VD2是二极管，是直流电源。

电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。

电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。

当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线O1不重合时，开关S1, S2合上，A 相绕组通电，电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子扼、定子极、气隙、转子极、转子扼等处闭合。

通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线O1向定子A相磁极轴线OA趋近。

当OA和O1轴线重合时，转子己达到平衡位置，即当A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失。

第二章开关磁阻电机及其调速系统2.1 开关磁阻电机的发展概况磁阻式电机诞生于160年前，一直被认为是一种性能不高的电机。

然而通过近20年的研究与改进，使磁阻式电机的性能不断提高，目前已能在较大功率范围内不低于其它型式的电机[9]。

70年代初，美国福特电动机（Ford Motor）公司研制出最早的开关磁阻电机调速系统。

其结构为轴向气隙电动机、晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，特别适用于蓄电池供电的电动车辆的传动。

70年代中期，英国里兹（Leeds）大学和诺丁汉（Nottingham）大学，共同研制以电动车辆为目标的开关磁阻电机调速系统。

样机容量从10W至50KW，转速从750 r/min至10000 r/min，其系统效率和电机利用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。

该产品的出现，在电气传动界引起了不小的反响。

在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛使用的一些变速传动系统。

近年来，国内外已有众多高校、研究所和企业投入了开关磁阻电机调速系统的研究、开发和制造工作。

至今已推出了不同性能、不同用途的几十个系列的产品，应用于纺织、冶金、机械、汽车等行业中。

目前，在汽车行业意大利FIAT公司研制的电动车和中国第二汽车制造厂研制的电动客车都采用了开关磁阻电机。

SRM是没有任何形式的转子线圈和永久磁铁的无刷电动机，它的定子磁极和转子磁极都是凸的。

由于SRM具有集中的定子绕组和脉冲电流，其功率变换器可以采用更可靠的电路拓扑形式。

SRM具有简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快、成本较低等优点，这是其它调速系统难以比拟的，作为具有潜力的电动车电气驱动系统日益受到重视。

然而目前SRM还存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性等缺点，所以，它的广泛应用还受到限制。

2.2 开关磁阻电机的基本结构与特点开关磁阻电机为定、转子双凸极可变磁阻电机。

开关磁阻电机调速系统（简称SRD系统）是一种新型的无级交流调速系统，它兼有交直流调速系统的优点，①电机结构简单坚固，免维护，调速方便，性能可靠，可以频繁起制动、正反转，电机不怕热。

②电机起动转矩为额定转矩的150%，而起动电流仅为额定电流的30%。

③电机空载电流仅为额定电流的1%。

④电机特有断电制动功能，避免床面冲出工作台。

诸多的优点使其在多种调速方案中脱颖而出，在诸如龙门刨床频繁正反转起制动的机械上应用，效果尤为突出。

2005年10月，国家发改委、科技部、国家环保总局联合发布节能指导文件，已把开关磁阻电动机调速系统作为节能产品进行推广，在市场上已经得到认可，其节能降噪，提高可靠性等优点已经得到广大改造用户的赞扬和肯定。

开关磁阻调速电动机系统开关磁阻电机系统是一种机电一体化节能型调速电机系统。

开关磁阻电机的原理遵循“磁阻最小的原理”磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，因而磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩，开关磁阻电机系统是由开关磁阻电动机、功率变换器及控制器组成。

同传统的直流及交流电机调速系统比较，具有以下优点：电机结构简单、坚固、制造成本低；效率高，不仅在额定输出状态下，而且在宽广的调速范围内也能保持高效率运行；一般系统效率达80%以上；启动转矩大、启动电流小；制动性能好，能实现再生制动，节约电能效果显著；系统调控性能好，可实现四象限控制灵活控制；维护方便，具有无刷结构，适合于在高粉尘、高速、易燃易爆等恶劣环境下运行；可以在各行各业应用。

开关磁阻电机调速系统电动机作为一种量大面广的机电产品，是最主要的电能消耗设备，在我国，仅中小型电动机所消耗电能就占全国发电量的60%以上。

在各类电动机中，需要调速运行或可采用调速运行的近三分之一。

这些电动机采用调速节电技术后，平均节电率可达20%，每年能够为国家节约用电数百亿度，具有巨大的经济与社会效益。

开关型磁阻电动机调速系统（Switched Reluctance Driver，简称SRD）是以现代电力电子与微机控制技术为基础的机电一体化产品。

它由开关型磁阻电动机（简称SR电动机）与微机智能控制器两部分组成，其突出特点是效率高、节能效果好，调速范围广，无起动冲击电流，起动转矩大，控制灵活，此外，还具有结构简单、坚固可靠，成本低等优点。

除可以取代已有的电气传动调速系统（如变频调速系统）外，SRD还十分适用于运输车辆驱动、龙门刨床、提升机械等需要重载起动，频繁起动、正反转，长期低速运行等特殊应用场合。

SRD是当代电气传动领域的热门课题。

国外已有正式的产品，我国已从理论研究迈步到工业应用阶段。

目前，SRD技术正处于产业化突破的关键时期，谁开发出了成熟的工业化产品，谁就抢得了市场先机，必将能够获得丰厚的利润回报。

2001年，山东科汇电气股份有限公司与淄博牵引电机（集团）股份有限公司合作，发挥两个单位分别在电力电子技术与电机技术开发方面的优势，加快SRD产品开发进度。

SRD课题组与北京交通大学、山东理工大学合作，攻克了数个技术难关，已推出1.1kW～132kW 具有自主知识产权的系列产品，鉴定为世界先进产品，具备了批量生产条件。

SRD技术特点（1）效率高，节能效果好。

在所有的调速和功率范围内，SRD整体效率比交流异步电动机变频调速系统（简称变频调速）至少高3%以上，在低速工作的状态下其效率能够提高10%以上。

与直流调速、串级调速、电磁调速等系统相比，SRD节电效果更明显。

（2）起动转矩大，特别适合于那些需要重载起动和负载变化明显并且频繁的场合。

开关磁阻电机调速系统的技术先进性说明（一）实测特性1、开关磁阻电机的空载特性通过对37KW开关磁阻电机调速系统进行空载实验，得出电机的空载特性曲线。

37KW开关磁阻电机空载特性曲线从上图可以看出，随着转速的增加，开关磁阻电机的转矩呈逐渐上升的趋势，表明SRD控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧可得到较大的起动转矩。

2、不同负载功率下的SRM的效率变化实验分别测定了37KW的开关磁阻电动机、三相异步电机和带变频器三相异步电机三种转速下不同负载下的效率。

额定转速(1500r/min)不同负载下SRM的效率三相异步电动机额定转速(1500r/min)不同负载下效率变频器+异步电动机额定转速(1500r/min)不同负载下的效率从上图可以看出，同样在转速为1500r/min时，三种电机的效率都可以达到90%左右；但在低负载时，三相异步电动机的效率会明显变低，即使与变频器相结合，其效率也未得到改善，而SRM电动机的效率则要明显地高。

同样地，比较转速1000r/min不同输出功率下SRM的效率和变频器+异步电动机额定转速(1000r/min)不同负载下的效率中的实验结果可以看出，当电机的转速降为1000r/min时，带变频器三相异步电动机的效率在低负载下的效率会更差。

比如当外加负载同为3KW时，SRM的效率仍可达80%，但即使使用了变频器的三相异步电动机的效率却只有30%左右。

转速1000r/min不同输出功率下SRM的效率变频器+异步电动机额定转速(1000r/min)不同负载下的效率转速500r/min下不同输出功率下SRM的效率变频器+异步电动机额定转速(500r/min)不同负载下的效率转速500r/min下不同输出功率下SRM的效率和变频器+异步电动机额定转速(500r/min)不同负载下的效率中的实验结果也进一步表明，当转速进一步降低至500r/min时，SRM的效率基本不受影响，而变频器+异步电动机在低负载时，其效率会更低。

开关磁阻电机调速系统开关磁阻电机调速系统(SwitchedReluctanceDriver,简称SRD)是以现代电力电子与微机控制技术为基础的机电一体化产品。

除了具有显著的节能效果外，开关磁阻电机的理论研究和实践证明，它与常用的三相异步电动机相比还有以下优点：1.电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌放容易，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2.起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象；3.调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩；4.在宽广的转速和功率范围内都具有高效率；5.损耗主要产生在定子，电机易于冷却，转子无永磁体，无高温退磁现象；6.转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本；7.功率变换器不会出现直通故障，可靠性高；8.能四象限运作，具有较强的再生制动能力；开关磁阻电机调速系统(SRD)开关磁阻电机调速系统(SRD)是当今世界最新、性能价格比最高的调速系统。

它是一种基于改变供电电源频率的调速方式交流变频调速系统应运而生。

而开关磁阻电机调速系统(又称开关磁阻电机驱动系统)简称SRDS统，是它们中崭新的一种系统，并且已经是智能化和模块化，不仅调速性优越，而且各种保护功能也很完善，已在很多方面大量使用。

这项技术一经问世，便以其宽广的调速范围，良好的机械特性，卓越的启动制动性能，节能，易维护等一系列突出优点而引起电气及其他行业的关注。

SRDS统是磁阻电动机和电力电子技术相结合而产生的一种机电一体化装置，主要由SRMFF关磁阻电动机、功率变换器、单片机(或DSP芯片)、电流及位置检测器等五大部分组成。

其组成与特点：1.1开关磁阻电动机(SwitchedReluctanceMotor,简称SRM)是系统中实现能量转换的部件，它与传统的磁阻电动机相比，具有本质的区别。

在结构上，SRMK用双凸极形式，即定子、转子均为凸极式构造；定子线圈采用集中式而不是分布式绕组；加在定子绕组上的电压为不连续的矩形波而非连续的正弦波。

个人资料整理仅限学习使用河南科技学院2009届本科毕业论文<设计）论文题目：开关磁阻电机软特性调速系统的硬件设计学生姓名：许战辉所在院系：机电学院所学专业：应用电子技术教育导师姓名：赵明富王超完成时间：2009年5 月20日摘要开关磁阻电机调速系统具有结构简单、坚固、系统控制灵活、调速性能好、运行效率高、动态性能好等诸多优点，近二十多年来，国内外在开关磁阻电机及其调速系统研究方面发展迅速。

但对于一些特殊的需求领域，还未曾进行深入研究。

本文正是基于这一需求，以三相开关磁阻电机为研究对象，对其软特性调速系统进行研究。

本课题主要完成的工作有以下两部分：首先，深入研究了开关磁阻电机的基本特性与数学模型，从中得出了一种简便、实用的通过电流检测转矩的方法。

其次，设计了基于DSP56F803的开关磁阻电机调速系统通用的硬件电路，可以实现软特性调速控制、变角度控制、定角度电压斩波和电流上下限斩波控制。

目前在许多生产机械中，比如，电动汽车、游梁抽油机、电动钻机等需要具有软特性的电机驱动，即直流电动机的串励特性。

开关磁阻电机软特性调速系统的研究，将拓宽开关磁阻电机的研究和应用领域，并且对推动我国电气传动领域的发展也具有十分重要的现实意义。

关键词：开关磁阻电机，调速系统，软特性Soft characteristics of Switched Reluctance Motor SpeedRegulating System hardware designAbstractThe Switched reluctance drive system has a simple structure, strong, flexible system control, speed performance, high efficiency, good dynamic performance advantages over the past two decades, both at home and abroad and in the Switched Reluctance Motor Speed Control systems research has developed rapidly. But for some special area of demand, but also did not conduct an in-depth research. This article is based on the requirements to three-phase switched reluctance motor for the study of its soft characteristics of speed control system for research.The main subject of the work have the following two parts: First of all, in-depth study of the switched reluctance motor's basic features and mathematical models to draw a simple, useful torque through the current detection method. Secondly, the design DSP56F803 based on the switched reluctance drive circuit common hardware, software features can be speed control, voltage angle and current chopper choppercontrol upper and lower limits.At present in many production machines, such as electric vehicles, beam pumping unit, the electric drill with soft features, such as the motor drive, DC motor that is characteristic of the Series. Soft characteristics of Switched Reluctance Motor Speed Control System, will expand the Switched Reluctance Motor's research and applications, and the promotion of China's electric drive development of the area is of great practical significance.Key words: SRM， Speed Control System， Soft Control目录1 绪论11.1 课题来源及研究意义 (1)1.2 课题综述11.2.1 SRD的组成及工作原理 (1)1.2.2 SRD主要技术特点31.2.3 SRM及其控制系统的发展简况及国内外研究状41.3 本课题研究的主要内容62 开关磁阻电机软特性的实现原理62.1 开关磁阻电机的数学模型分析与控制策略62.1.1开关磁阻电机的数学模型分析62.1.2开关磁阻电机的控制策略82.2 开关磁阻电机软特性分析102.3 开关磁阻电机软特性实现原理112.3.1 转矩的计算112.3.2开关磁阻电机软特性调速系统控制策略 (11)3 开关磁阻电机软特性调速系统的硬件设计 (12)3.1硬件系统概述123.2 DSP56F803的特点133.3基于DSP56F803的控制器硬件设计143.4功率变换器的设计173.4.1 整流电路173.4.2 功率变换电路184 结论21致谢21参考文献221 绪论1.1课题来源及研究意义本课题是自选研究课题，是基于导师对开关磁阻电机的预研究和技术储备的研究工作。