平安医院: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 。