開關磁阻發(fā)電機輸出電壓控制系統(tǒng)設計說明

1、 . .PAGE83 / NUMPAGES90本科畢業(yè)設計（論文）開關磁阻發(fā)電機輸出電壓控制系統(tǒng)設計燕山大學畢業(yè)設計(論文)任務書學院：電氣工程學院 系級教學單位：電氣工程系學號學生專 業(yè)班 級應電09-3題目題目名稱開關磁阻發(fā)電機的輸出電壓控制系統(tǒng)設計題目性質1.理工類：工程設計 （ ）；工程技術實驗研究型（ ）；理論研究型（ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）。2.文管類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術類（ ）。題目類型1.畢業(yè)設計（ ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ） 生產實際（ ）自選題目（ ）主要容1、學習和掌握開關磁阻電機（SRM）的結構和工作原理。2、了解和掌握開關磁阻

2、電機母線電壓控制系統(tǒng)的構成和各個環(huán)節(jié)以與設計。3、學會用Matlab軟件，并進行開關磁阻發(fā)電機的運行仿真。4、進行開關磁阻發(fā)電機輸出電壓控制的設計。6、使用Matlab，編寫和調試開關磁阻發(fā)電機的輸出電壓控制系統(tǒng)基本要求1、按電氣工程學院本科生學位論文撰寫規(guī)的要求完成設計論文一份（不少于2.4萬字），A0圖紙。2、說明書與插圖一律打印，要求條理清晰、文筆流暢、圖形與文字符號符合國家現(xiàn)行標準。3、按學院指定的地點進行設計，嚴格按照進度計劃完成畢業(yè)設計任務。參考資料電機學開關磁阻電機相關書籍和論文MATLAB編程手冊電力電子技術周 次14周58周911周1215周1617周應完成的容查閱資料，學習

3、理論知識。了解題目概況、工作原理與系統(tǒng)組成了解和設計開關磁阻電機控制系統(tǒng)。了解和掌握輸出電壓控制方法。利用MATLAB軟件對開關磁阻發(fā)電機控制系統(tǒng)進行仿真和分析進行開關磁阻電機的輸出電壓控制系統(tǒng)仿真整理仿真數(shù)據(jù)，并撰寫論文指導教師：珍國職稱：副教授 年 月 日系級教學單位審批： 年 月 日摘要開關磁阻電機調速系統(tǒng)具有穩(wěn)固、結構簡便、工作可靠、成本低廉、系統(tǒng)可靈活控制、調速性能優(yōu)良、運行效率較高、溫度上升低等多個有點，他綜合了交流變頻調速系統(tǒng)的穩(wěn)固耐用、比較適用于惡劣環(huán)境下的使用的優(yōu)良特性和直流調速系統(tǒng)關于優(yōu)良的可控制性的特點，被專家視為電氣傳動系統(tǒng)發(fā)展過程中的一個里程碑。開關磁阻發(fā)電機（SRG

4、）的定子磁極和轉子磁極都是凸極形狀，而且只在定子磁極上繞有集中線圈，但是轉子磁極上既沒有纏繞線圈，也不是永磁鐵。因此和其它電機相比較，具有結構簡單、牢固、轉矩慣性比高以與調速圍寬等優(yōu)點?，F(xiàn)在已經廣泛應用于航空、牽引和家用電器等領域。然而在中低速下的發(fā)電階段期間電機的運動電勢有可能會低于發(fā)電電壓，從而使電機利用率和轉換效率降低。為此本課題擬采取電流斬波的方式解決，并在其外部再搭建電壓閉環(huán)。本文利用MATLAB軟件對一臺三相12/8極SRG進行仿真，并求取和分析數(shù)據(jù)。關鍵詞開關磁阻發(fā)電機；電流斬波；電壓閉環(huán)；MATLAB仿真AbstractSwitched reluctance motor con

5、trol system with a solid, simple structure, reliable operation, low cost, flexible controlled system, speed performance, high efficiency, low temperature rise of more than a little. It combines the advantages of the AC variable speed system such as stable and durable, more suitable for harsh environ

6、ment used and the DC speed control system such as it can be controlled easily.Which is seen by experts as a milestone in the development of electric drive system. The stator poles and rotor poles of the Switched Reluctance Generator (SRG) are all salient pole shape, and only on the stator pole has c

7、oncentrated coil around, theres not only coil winding on the rotor magnetic pole, but also no permanent magnets.So compared with other motors, it was good in simple structure, strong, high torque to inertia ratio and wide speed range and so on. Now widely used in aviation, traction, and home applian

8、ces.However, the motors electric potential of movement may be less than the generated voltage during the low power phase,thus reduce motor utilization and conversion efficiency. Therefore this topic proposed take current chopped wave solutions, and re-build their external voltage loop.This paper use

9、 of MATLAB software to a three-phase 12/8 pole SRG simulation, and calculate and analysis the data. KeywordsSwitched Reluctance Generator; Current chopping; Voltage loop; MATLAB simulation 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc23022 摘要 PAGEREF _Toc23022 I HYPERLINK l _Toc14381 Abstract PAGEREF _Toc143

10、81 II HYPERLINK l _Toc11782 第1章 緒論 PAGEREF _Toc11782 1 HYPERLINK l _Toc7976 1.1 課題背景 PAGEREF _Toc7976 1 HYPERLINK l _Toc1644 1.1.1 選題目的和意義 PAGEREF _Toc1644 1 HYPERLINK l _Toc18581 1.1.2 國外文獻綜述 PAGEREF _Toc18581 2 HYPERLINK l _Toc25199 1.1.3 研究的基本容 PAGEREF _Toc25199 3 HYPERLINK l _Toc23383 第2章 開關磁阻電機

11、的結構和工作原理 PAGEREF _Toc23383 4 HYPERLINK l _Toc9961 2.1 開關磁阻電機的結構 PAGEREF _Toc9961 4 HYPERLINK l _Toc17472 2.2 開關磁阻電機的工作原理 PAGEREF _Toc17472 5 HYPERLINK l _Toc17222 2.3 開關磁阻電機發(fā)電狀態(tài)的工作特點 PAGEREF _Toc17222 6 HYPERLINK l _Toc31616 2.3.1 開關磁阻電機的有效發(fā)電條件 PAGEREF _Toc31616 6 HYPERLINK l _Toc17309 2.3.2 開關磁阻電機發(fā)

12、電運行的自然輸出特性 PAGEREF _Toc17309 7 HYPERLINK l _Toc9942 2.3.3 開關磁阻電機發(fā)電運行的等效模型 PAGEREF _Toc9942 8 HYPERLINK l _Toc24749 2.3.4 開關磁阻電機發(fā)電運行的特點 PAGEREF _Toc24749 9 HYPERLINK l _Toc1556 2.4 本章小結 PAGEREF _Toc1556 9 HYPERLINK l _Toc25797 第3章 開關磁阻發(fā)電機的方程與其數(shù)學模型 PAGEREF _Toc25797 10 HYPERLINK l _Toc17652 3.1 開關磁阻發(fā)電

13、機的方程 PAGEREF _Toc17652 10 HYPERLINK l _Toc13527 3.1.1 電壓方程 PAGEREF _Toc13527 10 HYPERLINK l _Toc25673 3.1.2 磁鏈方程 PAGEREF _Toc25673 11 HYPERLINK l _Toc1872 3.1.3 機械運動方程 PAGEREF _Toc1872 11 HYPERLINK l _Toc15895 3.1.4 轉矩方程 PAGEREF _Toc15895 12 HYPERLINK l _Toc24160 3.1.5 電動勢平衡方程 PAGEREF _Toc24160 12 H

14、YPERLINK l _Toc794 3.2 開關磁阻發(fā)電機的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc794 12 HYPERLINK l _Toc18907 3.2.1 相電感的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc18907 14 HYPERLINK l _Toc17852 3.2.2 相磁鏈的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc17852 15 HYPERLINK l _Toc21728 3.3 本章小結 PAGEREF _Toc21728 16 HYPERLINK l _Toc1423 第4章 開關磁阻發(fā)電機的控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc1423 17 HYPERLINK l _Toc260

15、79 4.1 開關磁阻發(fā)電機的不對稱功率變換器 PAGEREF _Toc26079 17 HYPERLINK l _Toc1989 4.1.1 自勵模式 PAGEREF _Toc1989 17 HYPERLINK l _Toc19391 4.1.2 他勵模式 PAGEREF _Toc19391 17 HYPERLINK l _Toc27710 4.1.3 不對稱功率變換器的工作狀態(tài) PAGEREF _Toc27710 18 HYPERLINK l _Toc18729 4.2 開關磁阻發(fā)電機的控制方式 PAGEREF _Toc18729 19 HYPERLINK l _Toc11295 4.2.

16、1 角度位置控制（APC） PAGEREF _Toc11295 20 HYPERLINK l _Toc14155 4.2.2 電流斬波控制（CCC） PAGEREF _Toc14155 21 HYPERLINK l _Toc22034 4.2.3 脈寬調制控制（PWM） PAGEREF _Toc22034 22 HYPERLINK l _Toc25483 4.3 開關磁阻發(fā)電機的穩(wěn)壓控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc25483 23 HYPERLINK l _Toc15778 4.3.1 穩(wěn)壓裝置 PAGEREF _Toc15778 23 HYPERLINK l _Toc10247 4.3.2

17、 滯環(huán)控制器 PAGEREF _Toc10247 24 HYPERLINK l _Toc15947 4.3.3 電壓指令發(fā)生器 PAGEREF _Toc15947 25 HYPERLINK l _Toc31954 4.4 本章小結 PAGEREF _Toc31954 26 HYPERLINK l _Toc30776 第5章 開關磁阻發(fā)電機輸出電壓控制系統(tǒng)的仿真 PAGEREF _Toc30776 27 HYPERLINK l _Toc28742 5.1 仿真參數(shù)的設置 PAGEREF _Toc28742 27 HYPERLINK l _Toc23494 5.2 開關磁阻發(fā)電機線性模型仿真 PA

18、GEREF _Toc23494 27 HYPERLINK l _Toc9975 5.2.1 相電感仿真模型 PAGEREF _Toc9975 28 HYPERLINK l _Toc16962 5.2.2 相電流控制仿真模型 PAGEREF _Toc16962 28 HYPERLINK l _Toc18425 5.2.3 不對稱功率變換器仿真模型 PAGEREF _Toc18425 30 HYPERLINK l _Toc1407 5.2.4 開關磁阻發(fā)電機的典型的仿真模型 PAGEREF _Toc1407 31 HYPERLINK l _Toc8346 5.3 本章小結 PAGEREF _Toc

19、8346 40 HYPERLINK l _Toc21815 結論 PAGEREF _Toc21815 41 HYPERLINK l _Toc25286 參考文獻 PAGEREF _Toc25286 42 HYPERLINK l _Toc16468 致 PAGEREF _Toc16468 44 HYPERLINK l _Toc15275 附錄1 開題報告 PAGEREF _Toc15275 45 HYPERLINK l _Toc22926 附錄2 文獻綜述 PAGEREF _Toc22926 49 HYPERLINK l _Toc11354 附錄3 中期報告 PAGEREF _Toc11354

20、52 HYPERLINK l _Toc23052 附錄4 中文譯文 PAGEREF _Toc23052 63 HYPERLINK l _Toc7275 附錄5 外文原文 PAGEREF _Toc7275 68第1章 緒論1.1 課題背景1842年在英國研制出了類似SR電機的電磁制動機，但是由于當時條件的限制并未得到發(fā)展，直至20世紀60年代，隨著晶閘管的使用，SR電機重新煥發(fā)新生。20世紀70年代，美國福特電動機公司研制出最早的SR電機調速系統(tǒng)。至20世紀80年代，迅猛發(fā)展為新一代的調速電機驅動系統(tǒng)。目前，SR電機在國外已經得到很大的發(fā)展，產品已經廣泛的應用于電動車驅動系統(tǒng)、家用電器、通用工業(yè)

21、、伺服與調速系統(tǒng)、牽引電機、高轉速電機等1。我國從1984年開始，以較高的起點開始SR電機調速系統(tǒng)的研究、開發(fā)工作，目前已經研制了50W30kW、20多個規(guī)格的工業(yè)產品樣機，國關于SRD研究的書刊也相繼出版。近幾年來航空航天大學、交通大學和西北工業(yè)大學對開關磁阻起動/發(fā)電機系統(tǒng)在航空應用進行了可行性研究，在基礎理論方面對起動特性和發(fā)電品質與強勵磁拓撲電路、發(fā)電控制策略、無轉子位置傳感器技術控制策略等方面進行了專題研究；在工程實踐上，航空航天大學開發(fā)了3kW和6kW兩套原理樣機，電機采用的是風冷形式。不過在大功率方面的研究還很少，僅有原理樣機方面的仿真。目前，航空航天大學與航空電氣XX公司正在進

22、行合作，正在研發(fā)大功率的開關磁阻起動/發(fā)電機系統(tǒng)。但是我國SR電機的理論研究與實際應用中仍存在很大不足，與世界先進國家之間仍有很大差距2。1.1.1選題目的和意義開關磁阻發(fā)電機和其他的發(fā)電機相比較具有以下特點：結構簡單，它的定、轉子均是簡單的疊片式雙凸極結構，定子上繞有集中繞組，而轉子上沒有繞組和磁鋼，電機轉速的高低僅僅受到轉子所用材料的結構強度的限制，因此電機可以在很高的轉速下運行，并且冷卻方便，因此對高溫等惡劣環(huán)境適應性強；具有較強的容錯能力，電機的定子各相繞組之間在物理結構以與電磁方面都是相互獨立的，因此在出現(xiàn)一相或者兩相故障的情況下，仍然能夠有一定功率的電能輸出；具有良好的調節(jié)性能，通

23、過調節(jié)它的開通角和關斷角，可以在轉速大幅度變化的情況下調節(jié)輸出來滿足負載要求；可以做成轉速很高的發(fā)電裝置，從而能夠達到很高的能流密度；能夠比較方便地實現(xiàn)機械能和電能之間的雙向轉換，可以作為起動/發(fā)電機使用；輸出的電能為脈沖直流電，非常適合用于蓄電池貯存電能。這些特點的存在使得開關磁阻發(fā)電機在航空、航天以與船舶等以發(fā)動機作為動力的較高性能、遠航程運動載體中，可以用作發(fā)動機的起動系統(tǒng)和主要電源發(fā)電系統(tǒng)，并且在風力發(fā)電領域取得一席之地3。通過對于本課題的研究，可以為開關磁阻發(fā)電機供電系統(tǒng)的設計提供一定的理論依據(jù)，有利于提高開關磁阻發(fā)電機供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對開關磁阻發(fā)電機在飛機、艦船和風力發(fā)電等領域獲

24、得更為廣泛的應用有著重要意義。1.1.2 國外文獻綜述開關磁阻電機作為一種新型調速電機，調速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調速系統(tǒng)的優(yōu)點，是繼HYPERLINK :/baike.baidu /view/1390601.htm變頻調速系統(tǒng)、HYPERLINK :/baike.baidu /view/2776588.htm無刷直流電動機調速系統(tǒng)的最新一代無極調速系統(tǒng)。其驅動系統(tǒng)（SRD）由開關磁阻電機（SRM或SR電機）、功率變換器、控制器和檢測器四個部分組成，控制器包含控制電路與功率變換器，而轉子位置檢測器則安裝在電機的一端12。目前調節(jié)開關磁阻發(fā)電機的輸出電壓主要靠調節(jié)勵磁電流，主要的控制方法有：角度

25、位置控制（APC)、電流斬波控制(CCC)、PWM控制。CCC控制方案能夠確保變換器的可靠工作，同時減小了相電流對于開關管的沖擊，能夠有效的實現(xiàn)低脈動的恒壓發(fā)電。PWM控制方式的調節(jié)周期是PWM信號的周期,它的調節(jié)周期比CCC控制方式短,而且占空比和勵磁電流具有很好的線性關系,可控性良好,尤其是在低速時它的控制特性優(yōu)于CCC控制方式;但是由于開關頻率快,在大功率時它的開關損耗大,從而降低了系統(tǒng)的效率,因此PWM控制方式在轉速變化圍大時以與中、小功率場合能夠體現(xiàn)出它的特殊的優(yōu)勢。目前，美國已經成功的將開關磁阻發(fā)電機應用到航空航天方面，并且將它應用于戰(zhàn)斗機中。而在我國關于開關磁阻發(fā)電機在風力發(fā)電方

26、面的研究也取得了比較高的成績4。同時，在對開關磁阻發(fā)電機電機的仿真、設計理論和磁場數(shù)值分析等方面也做了許多工作。建立了開關磁阻發(fā)電機的數(shù)學模型。建立了開關磁阻發(fā)電機的MATLAB/SIMULINK仿真模型，利用MATLAB軟件對開關磁阻發(fā)電機供電系統(tǒng)進行了綜合仿真5。由于它具有的結構簡單堅固，調速圍寬，調速性能較優(yōu)異，而且在整個調速圍都具有較高的效率，HYPERLINK :/baike.baidu /view/2147419.htm系統(tǒng)的可靠性高等優(yōu)點，SRD產品已經廣泛或者開始應用于機床設備、泵類負載、油田、紡織設備、家用電器、電動車與驅動、煤炭工業(yè)、高速運行應用場合等。此外，由于開關磁阻發(fā)

27、電機易于維護，可以工作在某些惡劣的環(huán)境下，因此其在風力發(fā)電中得到廣泛應用5。1.1.3 研究的基本容1、學習和掌握開關磁阻電機（SRM）的結構和工作原理。2、了解和掌握開關磁阻電機母線電壓控制系統(tǒng)的構成和各個環(huán)節(jié)以與設計。3、學會用MATLAB軟件，并進行開關磁阻發(fā)電機的運行仿真。4、進行開關磁阻發(fā)電機輸出電壓控制的設計。5、使用MATLAB，編寫和調試開關磁阻發(fā)電機的輸出電壓控制系統(tǒng)。第2章 開關磁阻電機的結構和工作原理2.1 開關磁阻電機的結構SRG采用的是雙凸極結構，它的定子和轉子都是由普通的硅鋼片疊壓而成的。轉子上既沒有繞組也沒有永磁體，而定子上繞有集中繞組，并且徑向相對的兩個繞組可以

28、串聯(lián)在一起或者并聯(lián)在一起，它們稱為“一相”。開關磁阻發(fā)電機可以設計成多種類不同相數(shù)的結構，而且定子和轉子的極數(shù)可以有不同的搭配。常見的搭配有三相6/4極、三相6/8極、三相12/8極，四相8/6極、四相8/10極等。其中三相12/8極的電機的結構圖如圖2-1所示123。圖2-1 開關磁阻電機結構圖開關磁阻發(fā)電機由雙凸極磁阻電機、功率變換器、轉子位置傳感器（或非直接位置檢測器）和控制器組成7。磁阻電機是整個系統(tǒng)的能量轉換的核心部件。而功率變換器對于整個系統(tǒng)的運行性能具有至關重要的作用，它主要具有兩個方面的作用：連接直流電源或者整流電路與電機繞組，為機械能轉化為電能提供足夠的勵磁，同時通過對于開關

29、的控制來實現(xiàn)不同的控制目標；2、連接電機繞組與負載或者電網，為電機繞組提供儲能的回饋電路?？刂破飨喈斢谡麄€系統(tǒng)的大腦，它依據(jù)接收到的各種檢測信號，起著決策和指揮的作用。而位置傳感器的作用是負責捕獲位置信號，它是開關磁阻發(fā)電機的自同步運行與系統(tǒng)控制的重要基礎。以上的各個部分相輔相成，構成了一個有機的整體，共同完成著磁阻電機的發(fā)電功能。2.2 開關磁阻電機的工作原理SRG的工作原理遵循“磁阻最小原理”磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。原動機帶動SRG旋轉，在適當?shù)奈恢媒o某相通電，轉子凸極與定子磁極不重合，便會有磁阻力作用在轉子上并產生與驅動轉矩相反的阻力矩使其趨向于磁阻最小的位置，即轉子凸極中心與定

30、子磁極軸線對齊的位置，同時轉子上的機械能轉化成磁能儲存在磁場中；在適當?shù)奈恢媒o此相斷電，儲存在磁場中的磁能便釋放出來，并轉化成電能回饋至電源，從而完成了機械能和電能之間以磁能為媒介的機電能量轉化過程。用同樣的方法給下一相通電，連續(xù)不斷地按照順序給電機各相勵磁，作用在轉子上的機械能將源源不斷地轉化成電能，實現(xiàn)發(fā)電運行8。圖2-2 開關磁阻電機一相電路原理圖圖2-2是一臺128極SR電機結構和一相電路的示意圖，定子有3相，每相2對極，共12個極，即12組繞組。轉子有8個極。Ta1、Ta2是A相主開關管,Da1、Da2是A相續(xù)流二極管，C為濾波電容，Us是直流電源。它的定子和轉子呈雙凸極形狀，極數(shù)不

31、相等，都由疊片構成。轉子沒有繞組，定子繞組可根據(jù)需要采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)結合的形式在各極上得到徑磁場，轉子帶有位置檢測器以提供轉子位置信號，使定子繞組按一定的順序通斷，保持電機的連續(xù)運行。電機每相繞組遇到的磁阻隨著轉子磁極的中心線與定子磁極的中心線對準或錯開而變化，當轉子磁極中心線與定子磁極中心線重合時，相繞組電感最大，當轉子槽中心線對準定子磁極中心線時，相繞組電感最小。其他相電路與此類似9。開關磁阻電機發(fā)電運行和電動運行兩者從本質上看都是開關磁阻電機在不同控制策略下的表現(xiàn)出來的不同特性。兩者的區(qū)別僅在于，前者的勵磁階段位于電感減小的區(qū)間，而后者則位于電感增大的區(qū)間。因此，合適的控制每相通電

32、的開關時刻，可以使開關磁阻電機運行在電動或發(fā)電的工作狀態(tài)。2.3 開關磁阻電機發(fā)電狀態(tài)的工作特點開關磁阻電機發(fā)電運行時具有一定的特殊性，由于開關磁阻電機的本體只有定子繞組，其中勵磁繞組和電樞繞組合二為一。由此可見，開關磁阻電機的發(fā)電運行的本質與一般的發(fā)電機不一樣，它的勵磁過程和發(fā)電過程是作為周期性分時控制的。這也是開關磁阻電機的發(fā)電運行的實際控制的特殊性。2.3.1 開關磁阻電機的有效發(fā)電條件開關磁阻電機處于發(fā)電運行時其輸出的功率是發(fā)電功率和勵磁功率的差，為了能夠輸出更大的功率，發(fā)電區(qū)域的電流需要足夠大。由它的線性模型分析可得 （2-1）進入發(fā)電區(qū)域后，勵磁電流的大小能夠反映勵磁的強度，也能夠

33、反映儲存磁場能量的大小，通過對于勵磁電流的控制可以實現(xiàn)對于發(fā)電過程的控制。當它的勵磁電流不變時，如果轉速過低，則有L（di/dt)0,發(fā)電階段的相電流將上升。因此，為了能夠實現(xiàn)有效的發(fā)電運行，需要在發(fā)電區(qū)域的起始處滿足 （2-2）式中：Ic為勵磁電流。式（2-2）為發(fā)電運行的有效條件，其中的勵磁電流越大，并且轉速越高，則它的發(fā)電的出力也越大，所以發(fā)電運行的效率也就越高。2.3.2 開關磁阻電機發(fā)電運行的自然輸出特性實際上，處于控制參數(shù)不變的情況下，勵磁電流Ic也會受到電機轉速的影響，勵磁電流為：（2-3）其中：w為t2對應的位置。從式（2-3）中可以看到，當轉速越低時，則Ic越大，說明在低速的

34、時候電機比較容易勵磁，式（2-3）用角度的方式來表示可以得到（2-4）由式（2-4）可以得到：當轉速越低時，則發(fā)電區(qū)的電流值就越大，因為當電機的結構參數(shù)和外加的電壓一定的時候，發(fā)電運行的運動電動勢的大小就取決于電機的轉速，也取決于勵磁電流的大小Ic。式（2-4）說明了開關磁阻電機的發(fā)電運行在低速的時候容易出力，這就是它的自然特性，也是開關磁阻發(fā)電機的發(fā)電運行的優(yōu)點之一。然而以上的結論都是從電機的線性模型分析而得到的，在實際的工作情況下，必須要考慮電機鐵芯的飽和因素。當勵磁的強度達到一定的程度的時候，鐵芯進入飽和的工作狀態(tài)，將會減小，此時將會影響到發(fā)電。在開關磁阻電機發(fā)電的實際運行的過程中，由于

35、存在的一些外界的制約因素，發(fā)電的勵磁強度總是受到限制。從這個角度看，開關磁阻電機的速度越高就會越有利于它的發(fā)電運行，低速發(fā)電的時候效率會偏低。2.3.3 開關磁阻電機發(fā)電運行的等效模型根據(jù)相電流的解析線性分析，可以推導出來關于開關磁阻電機的發(fā)電運行狀態(tài)的典型的相電流波形在不同的電感區(qū)域的解析式，將這些分段函數(shù)用一個同時可以表示為 （2-5）如果它的外加電源和它的角速度都是常數(shù)，那么電流波形與開通角on、關斷角off以與電機的結構參數(shù)都有關，開關磁阻電機的發(fā)電運行時的工作特點使得它的輸出可以等效為一個電流源，如圖2-3所示。圖2-3 一相繞組等效電路圖由于電流源具有阻大、易于并聯(lián)等特性，這使得電

36、機的結構更為靈活。對于開關磁阻電機來說，從自啟動的能力和能否正反轉等方面來考慮，其相數(shù)m3，且一般都滿足（2-6）式中：Zs定子的齒極數(shù)；Zr為轉子的齒極數(shù)。對于多相的開關磁阻電機而言，由于它的繞組具有電流源的特性，所以即使是在缺相的條件下，它仍然能正常工作，因而開關磁阻電機具有很高的容錯性，綜合以上的考慮選擇三相12/8極開關磁阻電機，可能夠實現(xiàn)啟動/發(fā)電的功能。開關磁阻發(fā)電機發(fā)電運行輸出的是脈沖電能，它的勵磁階段通過外界來給電源提供能量，而發(fā)電階段則向外界提供能量，比較適合作為蓄電池的脈沖充電的電源。2.3.4 開關磁阻電機發(fā)電運行的特點通過對于開關磁阻電機的發(fā)電運行的過程的分析，能夠得到

37、它的發(fā)電運行具有的以下幾個特點：由于開關磁阻電機的勵磁繞組與電樞繞組共同使用同一套繞組，它的勵磁和發(fā)電過程必須采用周期性分時控制。它的發(fā)電過程本身不能直接進行控制，只能夠通過對于勵磁過程的調節(jié)，來控制發(fā)電量的輸出。而且在低速的時候發(fā)電輸出的動態(tài)性能會比較差，而且隨著轉速的升高，電機輸出的動態(tài)性能會越來越好。開關磁阻電機的每相的繞組可以等效為一個電流源的輸出，相與相間的并聯(lián)比較容易實現(xiàn)，它的結構多種多樣。發(fā)電運行同樣能夠工作在缺相的狀態(tài)，具有良好的容錯性，因此發(fā)電運行具有很高的可靠性，優(yōu)于其它種類的發(fā)電機。電機的發(fā)電運行輸出的是脈沖電能，如果想得到穩(wěn)定的輸出電壓，那么在輸出端則必須并聯(lián)儲能裝置，

38、例如蓄電池或者是大容量的電解電容等。開關磁阻電機的發(fā)電運行具有比較好的調節(jié)性，它的可控參數(shù)比較多1。2.4 本章小結本章主要介紹了典型的開關磁阻電機的組成，并對開關磁阻電機的結構和工作原理做了詳細的描述。首先介紹了SRG的基本結構與工作原理，論述和分析了開關磁阻電機的發(fā)電運行狀態(tài)。最后詳細論述了開關磁阻電機發(fā)電運行的特點。開關磁阻發(fā)電機的方程與其數(shù)學模型SRG運行理論與任何電磁式機電裝置運行理論在本質上沒有區(qū)別，其主要有以下方程式組成，由此可以建立SRG的數(shù)學模型。3.1 開關磁阻發(fā)電機的方程3.1.1 電壓方程SRG的相繞組共有兩種工作狀態(tài)：勵磁狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)。其中的一相繞組的等效電路如圖3

39、-1所示。圖3-1 一相繞組等效電路圖圖3-1（a）中，開關管 Tk1、Tk2導通，電機繞組處于勵磁狀態(tài)，此時的狀態(tài)下相繞組的電壓方程為：（3-1）式中：Uk第k相繞組的電壓；Rk第k相繞組的電阻；ik第k相繞組的電流；Lk第k相繞組的電感；轉子位置角；電機旋轉機械角速度，=d/dt。圖3-1（b）中，當開關管 Tk1、Tk2關斷，相電流通過二極管Dk1、Dk2續(xù)流，電機繞組處于發(fā)電狀態(tài)，此狀態(tài)下相繞組的電壓方程為：（3-2）在電壓方程中，等式右端第一項為第 k 相回路中的電阻壓降；第二項是由相電流變化引起繞組中的磁鏈變化而感應的電動勢，稱為變壓器電動勢；第三項是由轉子位置角改變引起繞組中的磁

40、鏈變化而感應的電動勢，稱為運動電動勢9。3.1.2 磁鏈方程SRG各相繞組的磁鏈是該相繞組的電流與自感、其余各相繞組的電流與互感以與轉子位置角的函數(shù)。由于 SRG 各相之間的互感相對于自感來說很小，為了便于分析，一般忽略各相之間的互感。因此，第k相繞組的磁鏈 k為：（3-3）因為SRG磁路的非線性，每相繞組的電感Lk是相電流ik與轉子位置角的函數(shù)9。3.1.3 機械運動方程根據(jù)力學原理，可以寫出SRG在原動機轉矩作用下，轉子的機械運動方程為：（3-4）式中： T1原動機轉矩；Te電機電磁轉矩； D阻尼系數(shù)； J電機的轉動慣量。3.1.4 轉矩方程SRG的電磁轉矩可以通過其磁場儲能或磁共能對轉子

41、位置角的偏導數(shù)求得，即：（3-5）式中：Wm(ik,)繞組的磁共能，其表達式如下：（3-6）在對SRG性能做定性分析時，假定電機的磁路不飽和，相電感與相電流的大小無關，此時式(3-5)可以簡化為：（3-7）由式(3-1)式(3-4)以與式(3-7)可以建立SRG的數(shù)學模型9。3.1.5 電動勢平衡方程由電路的基本定理寫出電機單相電動勢平衡方程式：（3-8）其中Us為母線電壓，i為瞬時相電流，為轉子位置角，R為繞組電阻，( i,)為磁鏈，其大小與電流i和轉子位置角 有關。式中“”為繞組與電源導通期間；“”為繞組與電源關斷后續(xù)流期間10。3.2 開關磁阻發(fā)電機的數(shù)學模型建立SRG的數(shù)學模型比較困難

42、，由于電機的磁路飽和、渦流、磁滯效應等因素產生的非線性影響著電機的性能，所以很難進行數(shù)學模擬?？紤]了非線性的所有因素，雖然可以得到一個準確的數(shù)學模型，但計算相當繁瑣。因此，在性能分析求解數(shù)學模型時應當在實用和理論之間折衷處理。到目前為止，主要采用四種方法建立SRG的數(shù)學模型：理想線性模型、準線性模型、非線性模型和查表法。理想線性模型 若不計電機磁路飽和的影響，相電感與相電流的大小無關，且忽略磁通的邊緣效應以與所有的損耗，此條件下的電機模型就是理想線性模型，相電感僅僅是轉子位置角的分段線性函數(shù)。這種方法大大簡化了電機部的電磁關系，可以了解電機工作的基本特性和各參數(shù)間的相互關系，并作為深入探討各種

43、控制方式的依據(jù)。但求解的誤差較大，精度較低。準線性模型 為了避免繁瑣的計算，又近似考慮磁路的飽和效應，可以將實際的非線性磁化曲線進行分段線性化的近似處理，且忽略磁耦合的影響。一般可用兩段線性特性來近似一系列非線性磁化曲線，一段為非飽和段，另一段為飽和段。 這種方法既克服了理想線性模型只能用于定性分析的缺陷，又使問題能夠解析計算，具有一定的精度。但精確性仍然較差，計算誤差同樣不盡人意。非線性模型 針對不同的相電流值，計算得到相電感曲線，再結合傅立葉分解和曲線擬合的方法，將相電感表示為相電流和轉子位置角的函數(shù)。這種方法相對于理想線性模型和準線性模型，精度大大提高，具有精確、高效、實用的特點，特別適

44、合于仿真研究和實時控制。查表發(fā) 把實測或計算所得的一樣相電流、一樣位置角間隔的電機磁鏈特性數(shù)據(jù)(i,)反演為一樣磁鏈、一樣位置角間隔的相電流特性數(shù)據(jù)i(,)，以與轉矩特性數(shù)據(jù)Te(i，)以表格的形式存入計算機中，然后用查表法來求解電機模型。這種方法較為直接，也較為精確，既可用于穩(wěn)態(tài)分析，也可用于求解瞬態(tài)問題911。本文采用線性模型。由于電機部的電磁關系十分復雜，故難以對開關磁阻電機的運行進行有效的分析。為了簡化分析過程，弄清開關磁阻電機部的基本電磁關系和基本特性，現(xiàn)做如下必要的假設：不計電動機磁路飽和，繞組電感L與繞組電流i無關極間的磁通邊緣效應忽略不計忽略所有的功率損耗開關動作瞬時完成轉子的

45、轉動角速度 是常數(shù)在上述的假設條件下，建立了開關磁阻電機的理想線性模型。3.2.1相電感的數(shù)學模型圖3-2 相電感線性模型SRG在原動機帶動下沿順時針方向旋轉，1為轉子凸極的前沿與定子磁極的后沿相遇的位置。轉子轉過1后，相電感開始線性上升至2，2為轉子凸極前沿與定子磁極前沿重疊處，這時轉子凸極與定子磁極完全疊，相電感變?yōu)樽畲笾?Lmax?；陔姍C綜合性能的考慮，其轉子極弧r通常要求大于定子極弧s，因此在23區(qū)域，轉子凸極與定子磁極全部重疊，相電感保持在最大值 Lmax。u為轉子凸極中心與定子磁極軸線對齊的位置，稱為對齊位置。3為轉子凸極后沿與定子磁極后沿相遇的位置，至此，相電感開始線性下降，直

46、到4處降為最小值 Lmin，4為轉子凸極后沿與定子磁極前沿重合處。在45區(qū)域，轉子凸極與定子磁極不相重疊，電感保持最小值 Lmin不變。a為轉子凹槽中心與定子磁極軸線重合的位置，稱為不對齊位置。5與1位置一樣，如此周而復始，往復循環(huán)。相電感隨轉子位置角的變化關系如圖3-2所示19。由圖3-2所示理想電感模型，在相電感的一個周期15，可以將相電感分成四段，則相電感與轉子位置角的關系式可以表示為：（3-9）式中：K=(LmaxLmin)/(21)=(LmaxLmin)/s；Lmin相電感最小值；Lmax相電感最大值；s定子極弧。3.2.2 相磁鏈的數(shù)學模型當開關磁阻電機由恒定直流電源Us供電時，忽

47、略繞組電阻壓降iR，則式（3-8）可簡化為：（3-10） 式中Us為繞組勵磁階段的外加電壓，Us為主開關管關斷后續(xù)流階段所加電壓。根據(jù)初始條件0=0。則offmax=，磁鏈分段線性解析式為：（3-11）式中on、off分別表示開通角和關斷角。由式(3-11)可見，在某一轉速度下，通電時相繞組磁鏈將以一恒定比率Us/隨導通角增加而增加；在關斷瞬間，即off處，磁鏈獲得最大值max；關斷后，磁鏈則以恒定比率Us/下降，如圖3-3所示11。圖3-3 磁鏈線性模型3.3 本章小結本章主要講述了開關磁阻電機的各個方程，從開關磁阻電機的發(fā)電運行的勵磁階段和發(fā)電階段的工作狀態(tài)研究了它的電路方程，并由此導出了

48、相關的磁鏈方程、轉矩方程、電動勢平衡方程和機械運動方程，為開關磁阻電機數(shù)學模型的建立創(chuàng)造條件。從開關磁阻電機的發(fā)電運行的勵磁階段和發(fā)電階段的工作狀態(tài)研究了它的各個方面的線性模型，并由此建立了相電感、磁鏈、轉矩的數(shù)學模型，為以后的研究創(chuàng)造條件。第4章 開關磁阻發(fā)電機的控制系統(tǒng)4.1 開關磁阻發(fā)電機的不對稱功率變換器SRG的不對稱橋式功率變換器有自勵模式和他勵模式之分，兩者的主要區(qū)別在于電源的連接方式不同。以三相SRG為例，自勵模式和他勵模式的拓撲結構分別如圖4-1,、4-2所示。4.1.1 自勵模式如圖4-1所示，Us是起勵電源，給SRG提供初始勵磁。SRG發(fā)出的電能給電容C充電，當電容C達到所

49、需的初始值后，斷開Us，此后SRG依賴電容C的存儲功能給繞組勵磁，進行自勵發(fā)電。以A相為例，當開關管Ta1、Ta2導通時，電路處于勵磁狀態(tài)，電容C對A相繞組進行勵磁，同時給負載供電；當開關管Ta1、Ta2關斷時，電路處于發(fā)電狀態(tài)，A相電流通過二極管Da1、Da2續(xù)流，繞組電流方向保持不變，但直流母線電流方向相反，一方面給電容C充電，另一方面給負載供電911。圖4-1 自勵模式下的不對稱功率變換器自勵模式中，建壓后不再需要外電源，系統(tǒng)體積較小，效率高，是比較常用的形式。4.1.2 他勵模式如圖4-2所示，Us為勵磁電源，始終給SRG提供勵磁；電容C起著儲能和穩(wěn)壓的雙重作用。以A相為例，當開關管T

50、a1、Ta2導通時，電路處于勵磁狀態(tài)，勵磁電源Us對A相繞組進行勵磁；當開關管Ta1、Ta2關斷時，電路處于發(fā)電狀態(tài)，A相電流通過二極管Da1、Da2續(xù)流，給電容C充電，并給負載供電91112。圖4-2 他勵模式下的不對稱功率變換器他勵模式中，勵磁回路與發(fā)電回路彼此獨立。勵磁電壓與發(fā)電電壓無關，兩者可以獨立調節(jié)，控制比較方便。4.1.3 不對稱功率變換器的工作狀態(tài)隨著各相橋臂開關器件的導通和關斷，每相繞組有三種工作狀態(tài)：勵磁狀態(tài)，續(xù)流狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)。以A相為例，圖4-3給出了三種工作狀態(tài)。圖4-3 自勵模式功率變換器的工作狀態(tài)圖4-3(a)中，A相上下兩個開關管Ta1、Ta2同時導通，此時加到

51、相繞組上的電壓為正的直流電壓Uc，相繞組處于勵磁狀態(tài)。SRG把從直流電源吸收的電能和從主軸輸入的機械能轉化成磁能，儲存在電機磁路中，相電流上升。其電壓方程為： （4-1）式中：RaA相繞組的電阻；iaA相繞組的電流； LaA 相繞組的電感。圖4-3（b）中，A相上面開關管Ta1關斷，下面開關管Ta2導通，此時加到相繞組上的電壓為零，相繞組處于續(xù)流狀態(tài)，相電流通過二極管Da2續(xù)流。其電壓方程為： （4-2）圖4-3(c)中，A相上下兩個開關管Ta1、Ta2同時關斷，此時加到相繞組上的電壓為負的直流電壓Uc，相繞組處于發(fā)電狀態(tài)，相電流通過二極管Da1、Da2續(xù)流。SRG把從主軸輸入的機械能和儲存在

52、電機磁路中的磁能轉化成電能輸出。其電壓方程為： （4-3）如式(4-3)，在發(fā)電狀態(tài)，若運動電動勢小于加到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流下降；若運動電動勢等于加到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流保持不變；若運動電動勢大于加到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流上升，這是理想的相電流波形，有利于系統(tǒng)轉換效率的提高913。4.2 開關磁阻發(fā)電機的控制方式開關磁阻電機由于它的雙凸極結構的特點，磁路和電路的非線性以與開關性，使得電機的各個物理量隨轉子的位置周期性變化，定子繞組電流和磁通波形非常不規(guī)則。但是，開關磁阻電機部的電磁過程依然建立在電磁感應定律、全電流定律、能量守恒定律等基本電磁關系的基礎上。開關磁阻電機的可控制

53、量分別有繞組兩端的相電壓、相電流、開通角以與關斷角等參數(shù)，針對以上的變量的控制方式一般分為三種：角度位置控制（APC）、電流斬波控制（CCC）和脈寬調制控制（PWM）。4.2.1 角度位置控制（APC）APC方式是指在加在繞組上的電壓一定的情況下，通過改變繞組上的主開關器件的開通角on和關斷角off，來改變繞組的通電和斷電時刻，來調節(jié)相電流的波形。圖4-4 APC控制方式由于開通角on和關斷角off都可以進行調節(jié)，因此APC可分為只改變開通角on、只改變關斷角off和同時改變開通角on和關斷角off三種方式。由于只改變開通角on可改變電流波形的寬度、峰值和有效值大小和電流波形與電感波形的相對位

54、置，從而能夠改變電機的轉矩和轉速；然而關斷角off一般不影響電流的峰值，但是它能改變電流波形的寬度還有電流波形與電感波形的相對位置。所以，在開關磁阻電機的控制中一般采用改變開通角on而固定關斷角off的方式。APC的具體實現(xiàn)是在=on時，使開關器件導通，在=off時使開關器件關斷。如果on減小或者off增大，則導致勵磁時間的增加，則勵磁電流增大，SRG的發(fā)電能力增大。但是on的過小或者off的過大反而會使SRG的發(fā)電能力降低，因此在控制時應該找到一個合適的值使其具有盡量大的發(fā)電能力。這種方式比較簡單，但是由于相電流不可控，它的變換率很大，對于開通角on和關斷角off的微小變化都具有十分敏感的反

55、應，在調節(jié)上具有困難，因此一般不選用APC方式。4.2.2 電流斬波控制（CCC）電機在低速運行時，特別是在啟動時，旋轉電機的壓降很小，它的相電流上升得很快，為了避免電流脈沖過大對功率開關器件以與電機造成損壞，需要我們對電流峰值進行限定，因此可以采用電流斬波控制來獲取恒轉矩的機械特性。傳統(tǒng)的CCC控制方式就是使相電流i與斬波限iref進行比較，當轉子位置角on時，處于導通區(qū)間，如果iiref，則主開關關斷，電流下降；如此反復，使相電流維持在斬波限的附近并且伴有微小的波動。圖4-5 CCC控制方式本次畢設采用的CCC 方式是通過設置斬波閾值，來限制相電流的上、下幅值。使得在一個控制周期，檢測相電

56、流和給定電流的上下限幅值相比較，當檢測到的相電流大于給定電流的上限幅值時，開關器件關斷，從而相電流減?。划敊z測到的相電流小于給定電流的下限幅值時，開關器件開通，從而相電流增大。如此反復，最終使得相電流在給定值的附近上下波動。CCC方式與APC方式都很簡便，但是與APC方式的不可控相比，CCC方式的可控性能好。與后面的 PWM 方式相比，又具有了較小的開關損耗，因此是比較常用的控制方式。由于電流的斬波頻率不固定，它隨著電流誤差的變化而變化，不利于電磁噪聲的消除，而且發(fā)電期間的相電流不可控。4.2.3 脈寬調制控制（PWM）PWM方式中，脈沖周期固定，通過調節(jié)PWM波的占空比開調節(jié)加在繞組兩端的相

57、電壓的值。PWM的 控制方式就是將開通角on和關斷角off固定在一個優(yōu)化值上，在onoff的區(qū)間用PWM信號來對開關器件的觸發(fā)信號進行調制，以通過調節(jié)PWM信號的占空比來調節(jié)勵磁電壓的平均值，從而達到調控勵磁電流的大小的目的。同時D越大，則勵磁電流越大，SRG 的有效輸出電源也就越大。圖4-6 PWM控制方式PWM方式的一個最為突出的優(yōu)點就是它的可控性能好。勵磁電流和占空比之間具有很好的線性關系，而且PWM信號的周期即為系統(tǒng)的調控周期，從而能夠獲得良好的動態(tài)性能。但是需要比較高的開關頻率，而開關器件的頻繁通斷增加了器件的開關損耗，所以系統(tǒng)效率略有降低1913。綜上所述，常常采用電流斬波控制方式

58、對開關磁阻電機進行控制。4.3 開關磁阻發(fā)電機的穩(wěn)壓控制系統(tǒng)開關磁阻發(fā)電機的發(fā)電控制系統(tǒng)由開關磁阻發(fā)電機、不對稱功率變換器、PI調節(jié)器、位置檢測器等組成。其控制框圖如圖4-7所示。圖4-7 系統(tǒng)控制框圖為了實現(xiàn)變速恒壓發(fā)電，采用的控制策略為電壓外閉環(huán)和電流閉環(huán)的電流斬波控制模式，首先給定參考電壓指令Uref，將其與實際測量到的電壓Uout進行比較，比較之后輸出它們的差值，作為電壓誤差指令，輸入PI調節(jié)器，經過Pi調節(jié)器，經過它的調節(jié)作用后輸出電流環(huán)的電流指令iref。同時位置檢測器檢測轉子的每相的實時位置信號k。并將轉子的實時位置信號k輸入給角度判斷邏輯控制模塊，與開關磁阻發(fā)電機的開通角on和

59、關斷角off進行比較判斷，計算出每相所處的階段，當kon時，進入勵磁階段，勵磁電源開始對繞組勵磁，進而進入電流環(huán)。在環(huán)的電流環(huán)，參考電流iref與功率變換器的各相的實測電流ik進行比較，比較后的結果經過電流滯環(huán)，輸出的信號為各相主開關管的觸發(fā)信號，即輸出開關表。來實現(xiàn)給開關磁阻發(fā)電機的勵磁以與在各相的電感下降的區(qū)域建立能量磁場以實現(xiàn)發(fā)電功能，變速輸入模塊則是用來給開關磁阻發(fā)電機提供變速的原動力的。通過輸出的各相主開關的觸發(fā)信號來觸發(fā)功率管，實現(xiàn)開關磁阻發(fā)電機的勵磁和發(fā)電的交替進行，源源不斷的將機械能轉化為電能。以下分別介紹各個模塊914。4.3.1 穩(wěn)壓裝置開關磁阻發(fā)電機控制系統(tǒng)的穩(wěn)壓裝置采用

60、PI調節(jié)器，但是由于開關磁阻發(fā)電機本身具有的非線性的存在，使得PI調節(jié)器的參數(shù)kp和ki的值很難通過計算的方法得到。而且kp的值越大，則系統(tǒng)的響應速度越快，但是超調量會受到影響進而變大；ki的越大，則靜差越小，它的過渡時間則越長。通過反復的試湊，可以得到較為合適的kp值和ki值。給定電壓Uref和開關磁阻發(fā)電機的輸出電壓Uo相比較得到誤差量U，再經過PI調節(jié)器然后進行限幅可以得到開關磁阻發(fā)電機的電流環(huán)的額定電流iref15。4.3.2 滯環(huán)控制器采用不對稱橋式功率變換器的開關磁阻發(fā)電機的穩(wěn)壓控制系統(tǒng)中，當采用傳統(tǒng)的電流斬波控制方法的時候，處于發(fā)電階段的相電流為不加控制的反壓續(xù)流狀態(tài)。如果在發(fā)電