學(xué)習(xí)情境八開關(guān)磁阻電機(jī)學(xué)習(xí)任務(wù)1開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)知識準(zhǔn)備：開關(guān)磁阻電機(jī)的研究最早可以追潮到19世紀(jì)40年代，英國研究者將其應(yīng)用于機(jī)車牽引系統(tǒng)。然而直到20世紀(jì)60年代，由于電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動控制理論的發(fā)展，開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)才得以全面開展，磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)才被廣泛了解。開關(guān)磁阻電機(jī)在80年代初隨著電力電子、微電腦和控制理論的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型調(diào)速驅(qū)動電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、成本低、效率高等突出優(yōu)點(diǎn)，目前已成為直流電動機(jī)、交流電動機(jī)和永磁電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)強(qiáng)有力的競爭者。學(xué)習(xí)任務(wù)1開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)問題1：開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是怎樣的？開關(guān)磁阻電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子都是由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，一般裝有位置傳感器；定子上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組。定子與轉(zhuǎn)子均采用凸極鐵芯結(jié)構(gòu)。定子和轉(zhuǎn)子的凸極有很多組合方式，開關(guān)磁阻電機(jī)的定子凸極數(shù)量為偶數(shù)，轉(zhuǎn)子凸極也為偶數(shù)，一般轉(zhuǎn)子比定子少兩個，共同組成不同極數(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)。學(xué)習(xí)任務(wù)1開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)問題1：開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是怎樣的？學(xué)習(xí)任務(wù)2開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理問題1：開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理是怎樣的？轉(zhuǎn)子凸極2-4與C相凸極對齊，轉(zhuǎn)子凸極1-3與A相凸極之間相差一個角度θ（θ=300）。此時若A相繞組通電，B、C相不通電，則在A相定子中建立了一個以A-A為軸線的對稱磁場，磁通經(jīng)定子軛、定子凸極、轉(zhuǎn)子凸極和轉(zhuǎn)子軛閉合，A-A對稱磁場產(chǎn)生的彎曲磁力線沿逆時針方向的切向磁拉力，作用于轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)子凸極1-3向定子A相軸線方向拖動，使轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子凸極軸線1-3逐漸向定子凸極的磁極軸線A-A靠攏，如下圖所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度θ，轉(zhuǎn)子凸極1-3與定子凸極A-A對齊時，磁場的切向磁拉力消失，轉(zhuǎn)子將不再旋轉(zhuǎn)。學(xué)習(xí)任務(wù)2開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理問題1：開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理是怎樣的？學(xué)習(xí)任務(wù)2開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理問題1：開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理是怎樣的？學(xué)習(xí)任務(wù)2開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理問題1：開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理是怎樣的？學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題1：開關(guān)磁阻電動機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成是怎樣的？開關(guān)磁阻電動機(jī)控制系統(tǒng)主要由功率變換器、控制器、位置傳感器等組成，如圖所示。功率變換器向開關(guān)磁阻電動機(jī)提供運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量，由動力電池組或交流電整流后得到直流電供電，開關(guān)磁阻電動機(jī)繞組電流是單向的?？刂破骶C合處理指令、速度、電流和位置傳感器的反饋信號，控制功率變換器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)磁阻電動機(jī)的狀態(tài)控制。學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題1：開關(guān)磁阻電動機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成是怎樣的？如下圖所示的功率變換器電路很適合電動汽車用開關(guān)磁阻電動機(jī)。該電路利用兩個功率器件（如A相為VT1和VT2）和兩個續(xù)流二極管（A相為VD1和VD2）分別控制相電流，并實(shí)現(xiàn)能量回收功能。由于這種電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每相需要兩個功率器件，因此該變換器的成本相對高于一個功率器件的變換器，但是可以單獨(dú)控制每相繞組，而且不受其他相繞組狀態(tài)的影響。因此可以采用相重疊使轉(zhuǎn)矩增加，并且恒功率調(diào)速范圍變寬。學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題2：開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式有哪些？1）角度控制（APC）（1）角度控制方式角度控制方式是保持電壓不變，通過對開通角和關(guān)斷角進(jìn)行控制來改變電流波形以及電流波形與繞組電感波形的相對位置。學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題2：開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式有哪些？1）角度控制（APC）（2）角度控制方式具有以下特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大，在角度控制下的電流占空比的變化范圍幾乎是0～100%。②同時導(dǎo)通相數(shù)可變，同時導(dǎo)通相數(shù)較多，則電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)矩脈動也就越小。因此當(dāng)電機(jī)的負(fù)載變化時，可以通過自動增加或減小同時導(dǎo)通的相數(shù)來平衡電機(jī)負(fù)載。③電機(jī)效率高，通過角度優(yōu)化能使電機(jī)在不同的負(fù)載下保持較高的效率。④不適用于低速運(yùn)行，在角度控制中電流峰值主要由旋轉(zhuǎn)電動勢限制。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，由于旋轉(zhuǎn)電動勢減小，容易使相電流峰值超過允許值，因此角度控制一般適用于較高的轉(zhuǎn)速。學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題2：開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式有哪些？2）電流斬波控制（CCC）（1）電流斬波控制方式對于電流斬波控制，一般保持電機(jī)的開通角和關(guān)斷角不變，而主要以控制斬波電流的上下幅值進(jìn)行比較，從而起到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。實(shí)現(xiàn)方式有以下兩種。①限制電流上、下幅值的控制②電流上限和關(guān)斷時間恒定學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題2：開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式有哪些？2）電流斬波控制（CCC）（2）電流斬波控制具有以下特點(diǎn)①適用于低速和制動運(yùn)行，電機(jī)在低速運(yùn)行時，繞組中旋轉(zhuǎn)電動勢較小，電流上升速度大；在制動運(yùn)行時，旋轉(zhuǎn)電動勢的方向與繞組端電壓的方向相同，電流上升的速率比低速運(yùn)行時更大，電流斬波方式可以有效地限制峰值電流，使電機(jī)獲得恒轉(zhuǎn)矩輸出的機(jī)械特性。②電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，電流斬波時電流波形呈較寬的平頂狀，因此電機(jī)樹池的轉(zhuǎn)矩也比較平穩(wěn)，合成轉(zhuǎn)矩的脈動明顯比其他控制方式小。③用作調(diào)速系統(tǒng)時，抗負(fù)載擾動的動態(tài)響應(yīng)慢，在電流斬波控制中，由于電流峰值被限制，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)載擾動下出現(xiàn)突變時，電流峰值無法自適應(yīng)，系統(tǒng)在負(fù)載擾動下的動態(tài)響應(yīng)十分緩慢。學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題2：開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式有哪些？3）電壓控制（1）電壓控制方式電壓控制是某相繞組導(dǎo)通階段，在主開關(guān)的控制信號中加入PWM信號，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)繞組端電壓的大小，從而改變相電流值，具體方式是在固定開通角和關(guān)斷角的情況下，用PWM信號來調(diào)制主開關(guān)器件相控信號，通過調(diào)節(jié)此PWM信號的占空比從而改變相繞組的平均電壓，進(jìn)而改變輸出轉(zhuǎn)矩。學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題2：開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式有哪些？3）電壓控制（2）電壓控制具有以下特點(diǎn)該控制方式可以控制斬波頻率和占空比兩個參數(shù)，可控性好。一般情況下斬波頻率是固定的，通過選擇適當(dāng)?shù)臄夭l率，也就控制了相電流頻率。占空比與相電流最大值之間有較好的線性關(guān)系，調(diào)節(jié)PWM的占空比即可調(diào)節(jié)相電流最大值。通過PWM方式調(diào)節(jié)繞組電壓平均值，間接調(diào)節(jié)和限制過大的繞組電流。因此該方式即能用于高速運(yùn)行又適合低速運(yùn)行。該控制方式適用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負(fù)載擾動的動態(tài)響應(yīng)快。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動較大，調(diào)速范圍有限。學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題2：開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式有哪些？4）組合控制對于實(shí)際的開關(guān)磁阻電機(jī)的控制，可以根據(jù)不同的運(yùn)行工況并結(jié)合上述控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選用幾種控制方式的組合，使電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能更好。目前比較常用的組合控制方式有以下兩種。（1）高速與低速電流斬波控制組合（2）變角度電壓PWM控制組合學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題3：開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器是怎樣的？

理想的功率變換器主電路結(jié)構(gòu)應(yīng)同時具備以下條件：（1)少而有效的主開關(guān)器件（2)可以將全部電源電壓加給電機(jī)繞組（3)可以通過主開關(guān)器件調(diào)制，有效控制每相電流（4)可以迅速增加相繞組電流（5)在負(fù)半軸繞組磁鏈減少的同時，能將能量回饋給電源學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題3：開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器是怎樣的？1）雙開關(guān)型功率變換器雙開關(guān)型功率變換器電路每具有兩個主開關(guān)器件及兩個續(xù)流二極管，當(dāng)兩個主開關(guān)器件同時導(dǎo)通時，電源向電機(jī)繞組供電；同時斷開時，相電流通過續(xù)流二極管續(xù)流，將電機(jī)繞組中磁場儲能以電能形式迅速回饋電源，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題3：開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器是怎樣的？2）雙繞組型功率變換器該功率變換器電路中，每相有主、副兩個繞組，主、副繞組雙線并繞，同名端反接，匝數(shù)比為1:1。當(dāng)主開關(guān)導(dǎo)通時，電源對主繞組供電；當(dāng)主開關(guān)關(guān)斷時，靠磁耦合將主繞組的電流轉(zhuǎn)移到副繞組，通過二極管續(xù)流，向電源迅速回饋電能，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相。學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題3：開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器是怎樣的？3）電容裂相型功率變換器電容裂相型功率變換器電路是指將整流輸出的電壓通過雙電容裂相形成的電路，其電容同時還起到濾波、存儲繞組回饋能量作用。采用這種電路，可對電機(jī)的各相進(jìn)行獨(dú)立控制，每相只需要一個主開關(guān)器件和一個續(xù)流二極管。學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題3：開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器是怎樣的？4）H橋型功率變換器H橋型功率變換器電路可以看作電容裂相電路取消了電容器分壓，并將各相繞組中點(diǎn)浮空而形成的電路。換相時磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導(dǎo)通相繞組，引起中點(diǎn)電位的較大浮動。學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題3：開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器是怎樣的？5）能量回收型功率變換器能量回收型功率變換器通常有諧振能量回收、阻尼能量回收以及斬波能量回收幾種形式。學(xué)習(xí)任務(wù)3開關(guān)磁阻電機(jī)的控制問題3：開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器是怎樣的？6）最少開關(guān)器件型功率變換器在該電路結(jié)構(gòu)中，每個主開關(guān)器件連接一個以上的相繞組，每個繞組連接在上、下主開關(guān)器件之間，該電路允許利用總電源來增大或減少相電流，但由于每個主開關(guān)器件為兩個繞組共用，將導(dǎo)致相電流下降時間增加，這使得增加電機(jī)相數(shù)、減少轉(zhuǎn)矩脈動又不增加變換器成本成為可能，但是由于電流的增加，使得相繞組電流下降較慢。學(xué)習(xí)任務(wù)4開關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用問題1：開關(guān)磁阻電機(jī)的性能要求有哪些？1）相數(shù)和極數(shù)2）極弧3）定子直徑和鐵芯長度4）氣隙長度和轉(zhuǎn)子外徑5）轉(zhuǎn)子極高6）定子極高學(xué)習(xí)任務(wù)4開關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用問題2：開關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)？開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單