華中科技大學(xué)電氣專業(yè)新型電機(jī)大作業(yè)開關(guān)磁阻電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用

1、開關(guān)磁阻電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 新型電機(jī)論文作業(yè)一、 引言風(fēng)電行業(yè)現(xiàn)狀概要與開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)展簡介風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，隨著全球化石能源的枯竭和供應(yīng)緊張以及氣候變化形勢的日益嚴(yán)峻，世界各國都認(rèn)識到了發(fā)展可再生能源的重要性，風(fēng)能作為清潔可再生能源之一，受到了各國的高度重視，世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也因此得到了迅速發(fā)展。中國風(fēng)能資源十分豐富：陸上和近海可供開發(fā)和利用的風(fēng)能儲量分別為2.53億千瓦和7.5億千瓦,具有發(fā)展風(fēng)能的潛力和得天優(yōu)厚的優(yōu)勢。在未來的能源市場上，充分開發(fā)和挖掘這一潛力和優(yōu)勢，將有助于持續(xù)保持本國的能源活力和維持經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)

2、展。在開發(fā)利用風(fēng)能的過程中，風(fēng)電場的建設(shè)是其必須的環(huán)節(jié)，而風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用又是建設(shè)風(fēng)電場的重中之重。中國風(fēng)能儲量很大、分布面廣，開發(fā)利用潛力巨大。屬于風(fēng)能資源較豐富的國家?！笆晃濉逼陂g，中國的并網(wǎng)風(fēng)電得到迅速發(fā)展。 從自然環(huán)境來看，我國居于非常有利的優(yōu)勢地位。我國地域廣闊，海岸線長、風(fēng)力資源十分豐富。據(jù)統(tǒng)計，全國平均風(fēng)能密度大約為100 W/m2，風(fēng)能總量為3226 GW，其中可供開發(fā)利用的陸上風(fēng)能總量大約為253 GW。在我國東南沿海及附近島嶼、內(nèi)蒙和河西走廊，以及我國東北、西北、華北、海南及西青藏高原等部分地區(qū)，每年的年平均風(fēng)速在3 m/s以上時間近4000 h，一些地區(qū)的年平均風(fēng)速在67

3、 m/s以上，對于風(fēng)力發(fā)電來說，具有很大的開發(fā)價值和廣闊的利用空間。按“十一五”發(fā)展規(guī)劃，至2010年我國風(fēng)電裝機(jī)總量將突破10 GW。 風(fēng)力發(fā)電問題近年來已成為電力行業(yè)研究的熱點(diǎn)。在風(fēng)電發(fā)展的過程中，直驅(qū)永磁同步電機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。開關(guān)磁阻電機(jī)是80年代初隨著電力電子、微電腦和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及效率高等突出特點(diǎn)，成為交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的強(qiáng)有力的競爭者，引起各國學(xué)者和企業(yè)界的廣泛關(guān)注。跨國電機(jī)公司Emerson電氣公司還將開關(guān)磁阻電機(jī)視為其下世紀(jì)調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)的新的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。目前開關(guān)磁

4、阻電機(jī)已廣泛或開始應(yīng)用于工業(yè)、航空業(yè)和風(fēng)電等各個領(lǐng)域。二、 風(fēng)電機(jī)組的特性原理2.1風(fēng)機(jī)特性研究風(fēng)力機(jī)的種類很多，目前大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用的風(fēng)力機(jī)絕大多數(shù)都是水平軸、下風(fēng)向式、三葉片。風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電過程是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程。在這個過程中，風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的過程起了相當(dāng)重要的作用，它直接決定了最終風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)換效率。但不管采用什么形式的風(fēng)力機(jī)，都不可能將風(fēng)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。德國科學(xué)家貝茨（Betz）于1926年建立了著名的風(fēng)能轉(zhuǎn)化理論，即貝茨理論。貝茨假設(shè)風(fēng)輪是理想的，既沒有輪轂，且有無限多葉片組成，氣流通過風(fēng)輪時也沒有阻力；此外假定氣流經(jīng)過整個掃風(fēng)面是均勻的，

5、氣流流過風(fēng)輪的速度方向?yàn)檩S向。理想風(fēng)輪的氣流模型如圖2-4所示。 圖2-4理想風(fēng)輪的氣流模型其中，v是風(fēng)輪上游的風(fēng)速，是通過風(fēng)輪的風(fēng)速，是風(fēng)輪下游的風(fēng)速。通過風(fēng)輪的氣流上游截面積為，下游截面積為。根據(jù)理論和能量的轉(zhuǎn)化，一定有，根據(jù)貝茨理論，則有設(shè)S為風(fēng)輪平面面積，為空氣密度，則風(fēng)能作用于槳葉上的力為 （2.1）由此計算槳葉接收的功率為： (2.2)由上游至下游的動能變化： （2.3）因能量守恒，則 （2.4）可以求得： （2.5） （2.6）由于槳葉前風(fēng)速是認(rèn)為給定的，故對P微分求其最大值，P是的函數(shù)，則有 若令其為0，解得 代入P的表達(dá)式，可求出P的最大值： （2.7）由此，除以氣流通過掃風(fēng)

6、面S所具有的動能，得到風(fēng)輪的理論最大效率： （2.8）這就是著名的貝茨定理，它說明理想的最佳條件下，對風(fēng)能的利用率也不到60%，有很大一部分能量化為了旋轉(zhuǎn)動能而損耗在槳葉背面也就是說，實(shí)際風(fēng)力機(jī)的效率必定小于0.59，所以在實(shí)際的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中，就是要最大限度地接近該風(fēng)能的最大利用數(shù)值。風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩T與風(fēng)速v的關(guān)系可以表示為: （2.9）其中是反應(yīng)轉(zhuǎn)矩大小的系數(shù)。轉(zhuǎn)化機(jī)械功率為： (2.10)風(fēng)力機(jī)實(shí)際得到的有用功率為： （2.11）其中R為風(fēng)輪半徑，為風(fēng)力機(jī)運(yùn)行機(jī)械角速度，為風(fēng)能機(jī)械轉(zhuǎn)化效率，且葉尖速比（表示風(fēng)輪運(yùn)行速度快慢）為 要使得系統(tǒng)獲得最佳的功率輸出系數(shù)，即得到最大,根據(jù)不同的（葉

7、片回轉(zhuǎn)平面與槳葉界面弦長之間的夾角）和值可得出功率系數(shù)近似特性曲線（關(guān)系見圖2.3），求得，所以的取值是實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤控制的關(guān)鍵。 圖2-5 與葉尖速比以及槳距角的關(guān)系2.2最大風(fēng)能追蹤根據(jù)貝茲(Betz)定理，風(fēng)力機(jī)獲得的機(jī)械功為: （2.11）其中，為風(fēng)能利用系數(shù)，為空氣密度，S為風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)面積，V為上游風(fēng)速葉尖速比可以用下式表示： （2.12）其中，為風(fēng)輪的角速度，為電網(wǎng)頻率，為風(fēng)輪半徑。對某一確定的風(fēng)力機(jī)，當(dāng)和V一定時，風(fēng)力機(jī)所獲得的機(jī)械功率僅與風(fēng)能利用系數(shù)有關(guān)，是槳距角和葉尖速比的函數(shù)，即，某一風(fēng)速下，當(dāng)槳距角一定時，則僅由葉尖速比決定。在某一風(fēng)速下，總會有一個最佳葉尖速比，對應(yīng)了

8、最大風(fēng)能利用系數(shù)，因此，只要控制保持最佳葉尖速比，就能獲得最大風(fēng)能。由式（2.11）和（2.12）可得風(fēng)力機(jī)最大輸出功率和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如下： （2.13） 圖2-6槳距角下風(fēng)能利用系數(shù)曲線 圖2-7系數(shù)曲線 圖2-8風(fēng)力機(jī)輸出功率特性曲線如圖2-8所示，是一組在不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率特性，最佳功率曲線是各風(fēng)速下最大輸出功率點(diǎn)的連線。從中可以看出在同一個風(fēng)速下，不同轉(zhuǎn)速會使風(fēng)力機(jī)輸出不同的功率，要想追蹤最佳功率曲線，保持最佳葉尖比，即最大限度地獲得風(fēng)能，就必須在風(fēng)速變化時及時調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，在直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，即調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，這是最大風(fēng)能捕獲的主要思想。

9、應(yīng)用以上思想，在直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，在最大功率輸出方式下。當(dāng)風(fēng)力大于風(fēng)力機(jī)啟動的最低風(fēng)力后，風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)，此時風(fēng)力機(jī)為優(yōu)化槳距角定漿距運(yùn)行，由變頻器控制系統(tǒng)來控制系統(tǒng)輸出，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，獲得相應(yīng)的，實(shí)現(xiàn)最佳功率曲線的追蹤和最大風(fēng)能的捕獲。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增大，超過額定轉(zhuǎn)速后，變頻器控制通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速基本失效，系統(tǒng)變槳距裝置開始動作，調(diào)節(jié)風(fēng)輪受力，減少風(fēng)輪機(jī)械能的獲取，保護(hù)風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)組，避免因超速和超功率運(yùn)行引起的事故。此時風(fēng)力機(jī)工作在額定功率輸出模式，輸出穩(wěn)定。通過以上的分析，就可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤和最大功率的輸出控制，獲得較為平穩(wěn)的能量，保證了公用直流母線的能量平穩(wěn)獲取和后

10、續(xù)逆變并網(wǎng)電能質(zhì)量。三、 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)非常相似，它是雙凸極可變磁阻電機(jī)。電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組串聯(lián)構(gòu)成一對磁極，稱為“一相”。由于低于三相的SR電動機(jī)沒有自起動能力；而相數(shù)多的SR電動機(jī)步距角小，利于減小轉(zhuǎn)矩脈動，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且主開關(guān)器件多，成本高，故目前應(yīng)用較多的是四相8/6和三相6/4極結(jié)構(gòu)。從原理上看，SR電動機(jī)與步進(jìn)電動機(jī)相似，運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。所以當(dāng)鐵芯與磁場的軸線不重合時，便會有作用力將鐵芯拉到磁場的軸線

11、上來，這個作用力就是磁阻電機(jī)運(yùn)行的動力。這是SR電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的相似之處，但是，一般步進(jìn)電動機(jī)是開環(huán)控制，而SR電機(jī)則是閉環(huán)控制；另外一般步進(jìn)電動機(jī)是用在角位移較精密的傳動方面上，而SR電機(jī)是典型的功率型電氣傳動裝置，主要應(yīng)用在牽引傳動方面。因此，SR電機(jī)要突出速度控制和實(shí)現(xiàn)高效率，所以其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計思路也大不相同。如圖所示為四相8/6極SR電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖(圖中只簡要畫出A相繞組及其供電圖3-1 四相8/6極SR電動機(jī)結(jié)構(gòu)電路。 現(xiàn)以圖中四相8/6極SR電機(jī)結(jié)構(gòu)所示為例，介紹開關(guān)磁阻電動機(jī)的工作原理。圖中，是電子開關(guān)，是二極管，是直流電源。電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子呈凸極形狀，極數(shù)互不相等，轉(zhuǎn)子由

12、疊片構(gòu)成，且?guī)в形恢脵z測器以提供轉(zhuǎn)子位置信號，使定子繞組按一定的順序通斷，維持電動機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。電機(jī)磁阻隨著轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極的中心線對準(zhǔn)或錯開而變化，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁極中心線位置時，相繞組電感最大，當(dāng)轉(zhuǎn)子極間中心線對準(zhǔn)定子磁極中心線時，相繞組電感最小。圖3-1中，當(dāng)定子D-D極勵磁時，所產(chǎn)生的磁力則力圖使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線1-1與定子極軸線D-D重合的位置，并使D相勵磁繞組的電感最大。若以圖中定、轉(zhuǎn)子所處的相對位置作為起始位置，則依次給DABC相繞組通電，轉(zhuǎn)子即會以逆時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給BADC相通電，則電機(jī)即會沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)。可以看出，SR電動機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向

13、無關(guān)，而僅取決于相繞組通電的順序。另外，從圖1-1可以看出，當(dāng)主開關(guān)器件導(dǎo)通時，A相繞組從直流電源吸收電能，而當(dāng)關(guān)斷時，繞組電流經(jīng)續(xù)流二極管繼續(xù)流通，并回饋給電源，因此，SR電機(jī)傳圖3-2 相電感、轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置的變化圖a)相電感隨轉(zhuǎn)子位置的變化b)一定電流下轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置的變化動的共性特點(diǎn)是具有能量再生作用，系統(tǒng)效率高。 從上面簡單的分析可以知道，SR電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是由磁路選擇最小磁阻結(jié)構(gòu)的趨勢來產(chǎn)生的。由于電動機(jī)磁路的非線性，通常SR電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)根據(jù)磁共能來計算，即： （3-1）式中轉(zhuǎn)矩，磁共能，轉(zhuǎn)子位置角，繞組電流顯然，磁共能的改變不僅取決于轉(zhuǎn)子的位置，還取決于繞組電流的大小。在對SR電

14、動機(jī)性能作定性分析時，為避免繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，不妨忽略磁路飽和及邊緣效應(yīng)，并假定電感同電流無關(guān)。這時，一對定子極下電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化曲線如圖1-2a所示，電動機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，電感變化的周期數(shù)正比于轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，該周期的長度為轉(zhuǎn)子極距?；趫D3-2a的簡化線性模型，式(3-1)可化簡為式(3-2)，即： （3-2）由上式可知，相繞組在恒定電流作用下，產(chǎn)生的對應(yīng)轉(zhuǎn)矩如圖1-2b所示。由此可見，SR電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向不受電流方向的影響，僅取決于電感隨轉(zhuǎn)角的變化；在相通電的過程中，若，則產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩；若，則產(chǎn)生制動力矩。因此，通過控制加到SR電動機(jī)繞組中電流脈沖的幅值、寬度及其與轉(zhuǎn)子的相對位置，即可控制S

15、R電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小與方向，這正是SR電動機(jī)調(diào)速控制的基本原理。SRD系統(tǒng)的組成圖3-3 SRD系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)一般SRD系統(tǒng)由SR電機(jī)和控制系統(tǒng)組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。SRD系統(tǒng)包括:SR電動機(jī)、功率變換器、控制與檢測單元、輸入輸出設(shè)備。其中控制系統(tǒng)主要包括功率驅(qū)動部份和控制器及檢測部分。功率驅(qū)動部分是將蓄電池或交流電整流后得到的直流電能量經(jīng)適當(dāng)轉(zhuǎn)換后提供給SR電機(jī)。由于電機(jī)繞組電流是單向的，使得其功率變換器主電路不僅結(jié)構(gòu)較簡單，而且相繞組與主開關(guān)器件是串聯(lián)的可以避免直接短路的故障。功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式與供電電壓、電動機(jī)相數(shù)及主開關(guān)器件的種類等有關(guān)，它是SRD系統(tǒng)能量傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，工

16、作在強(qiáng)電環(huán)境下，直接用來控制SR電機(jī)相繞組電流的通斷來驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)，是影響系統(tǒng)性能價格比的主要因素?？刂破骷皺z測單元是SRD系統(tǒng)的核心部分，它綜合處理電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對SR電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。若控制器發(fā)出一系列控制信號，使電動機(jī)各相主開關(guān)器件按一定的規(guī)律導(dǎo)通，則電動機(jī)會按逆時針或順時針方向旋轉(zhuǎn)，并輸出機(jī)械能；若輸出相反順序的觸發(fā)信號，則電動機(jī)將反轉(zhuǎn)。它工作在弱電環(huán)境下，通過接受外圍鍵盤等設(shè)備下達(dá)的指令，檢測轉(zhuǎn)子的位置和繞組電流的大小等信息，送入CPU并結(jié)合控制策略，得出控制方法，然后將控制輸出信號送入功率電路，且同時將電機(jī)的運(yùn)行

17、狀態(tài)通過顯示設(shè)備顯示出來，其設(shè)計的好壞直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能。開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Generator，簡稱SRG)技術(shù)是集微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、紅外光電技術(shù)、現(xiàn)代電磁理論設(shè)計和制作技術(shù)為一體的高新技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是3：1. 電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、調(diào)速范圍寬。SRM 為雙凸極定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子上只有幾個集成繞組，轉(zhuǎn)子上無繞組，轉(zhuǎn)子機(jī)械彈性好。2. 各相獨(dú)立工作，系統(tǒng)可靠性高。SRM 可做到磁路上及電路上各相相互獨(dú)立，當(dāng)某相發(fā)生故障時，通過切除故障相可以保證系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。3. 功率電路可靠簡單。SRM 轉(zhuǎn)矩方向只與各相通電順序有關(guān)，而與繞組電流的方向無關(guān)，功率電路

18、可以做到每相一個功率開關(guān)。同時，SRM 系統(tǒng)中每個功率元件均與電機(jī)繞組相串聯(lián)，根本上避免了直通短路的現(xiàn)象。目前在高度發(fā)展的電力電子和微機(jī)控制技術(shù)支持下，SRM 已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(Switched Reluctance Generator，簡稱SRG)作為SRM的一種，具有良好的特性，并且在風(fēng)電場合可以省去齒輪箱、降低風(fēng)電設(shè)備成本、提高風(fēng)能利用率，所以將S R G 應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有重要的理論研究意義和實(shí)用價值。四、開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 建立SR電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的主要困難在于電動機(jī)的磁路飽和、渦流和磁滯效應(yīng)等產(chǎn)生的非線性，這些非線性影響著電動機(jī)的性能，但卻很難

19、進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬?？紤]了非線性的所有因素，雖然可以建立一個精確的數(shù)學(xué)模型，但是計算相當(dāng)?shù)姆爆?。因此，在性能分析和求解建立?shù)學(xué)模型時不得不在實(shí)用與理想之間尋求一種折衷的處理方法。 目前人們針對電機(jī)磁鏈的變化，常采用以下幾種方法來建立模型口： (a)理想線性模型 若不計電機(jī)磁路的飽以及邊緣效應(yīng)等影響，假定電機(jī)相繞組的電感與電流大小無關(guān)，且不考慮磁場邊緣擴(kuò)散效應(yīng)，可用SR電動機(jī)的理想線性模型將磁鏈近似為電流的線性函數(shù)，這種方法可了解電機(jī)工作的基本特性和各參數(shù)之間的相互關(guān)系，并可作為深入探討各種控制方式的依據(jù)，但求解的誤差較大，精度較低。 (b)準(zhǔn)線性模型 因?yàn)榇沛溤陲柡蛥^(qū)和非飽和區(qū)有不同的線性變化率，為

20、了近似地考慮磁路的飽和效應(yīng)、邊緣效應(yīng)，可將實(shí)際的非線性磁化曲線分段線性化，同時不考慮相間禍合效應(yīng)，可將曲線分為兩段(線性區(qū)和飽和區(qū))或三段(線性區(qū)、低飽和區(qū)和高飽和區(qū))，這樣可以用不同的解析式來表示每段磁化曲線。 以上兩種模型，電感參數(shù)均有解析表達(dá)式；在用于分析電機(jī)性能時，電流和轉(zhuǎn)矩也均有解析解，因此一般可用于定性分析。事實(shí)上，由于電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路的飽和、渦流以及磁滯效應(yīng)所產(chǎn)生的非線性，加上電機(jī)運(yùn)行期間的開關(guān)性，在電機(jī)運(yùn)行期間，繞組電感為電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。但是SR電動機(jī)定子繞組的電流、磁鏈等參數(shù)隨著轉(zhuǎn)子位置變化的規(guī)律很復(fù)雜，難以用簡單的解析表達(dá)式來表示，因此很難建立精確可解的數(shù)學(xué)模

21、型。 (c)非線性函數(shù)擬合模型 將磁鏈用一非線性函數(shù)近似擬合，函數(shù)的選取決定擬合的精確度。顯然，磁鏈隨著轉(zhuǎn)子位置不同而變化的規(guī)律是很復(fù)雜的，采用非線性函數(shù)來擬合磁鏈的變化規(guī)律將是一項(xiàng)很困難的工作。且針對一般擬合的函數(shù)，繞組的電流、電感等是也無法用簡單的解析表達(dá)式來進(jìn)行表示。 (d)查表法該方法是把實(shí)測或計算所得的等角度、等電流間隔電機(jī)磁特性數(shù)據(jù)反演為等角度、等磁鏈間隔的電流特性數(shù)據(jù)，的連同矩角特性數(shù)據(jù)的以表格形式存入計算機(jī)中，然后用查表法數(shù)值求解非線性模型，這種方法較為直接、也較為精確，既可用于穩(wěn)態(tài)分析，也可用于解瞬態(tài)問題。開關(guān)磁阻電機(jī)電動機(jī)運(yùn)行的理論與任何電磁式機(jī)電裝置運(yùn)行的理論在本質(zhì)上沒有

22、什么區(qū)別，對于m相SR電動機(jī)，若不計磁滯、渦流及繞組間互感時，可列出如圖4.1所示的一對電端口和一對機(jī)械端口的二端口裝置系統(tǒng)示意圖。圖4.1 m相SR電動機(jī)系統(tǒng)示意圖 圖中，表示電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，為SR電動機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，代表粘性摩擦系數(shù)，表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 建立SR電動機(jī)數(shù)學(xué)模型時，為了簡化分析，特作如下假設(shè)： (1)忽略鐵心的磁滯和渦流效應(yīng)，且不計磁場邊緣效應(yīng)； (2)在一個電流脈沖周期，轉(zhuǎn)速恒定不變； (3)主電路供給電源的直流電壓恒定不變。 在建立各項(xiàng)方程前，設(shè)相SR電機(jī)各相結(jié)構(gòu)和參數(shù)一樣，且第相的磁鏈為、電壓為、電阻為、電感為、電流為、轉(zhuǎn)矩為，轉(zhuǎn)子位置角為，電機(jī)的實(shí)時轉(zhuǎn)速為。 下面

23、分別針對這種“理想”的機(jī)電系統(tǒng)建立磁鏈方程、電壓方程和機(jī)械聯(lián)系方程。（1）磁鏈方程一般來說，SR電動機(jī)的各相繞組磁鏈為該相電流與自感、其余各相電流以及轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，即： （4.1）由于SR電動機(jī)各相之間的互感相對自感來說甚小，為了便于計算，一般忽略相間互感，因此，磁鏈方程也可簡寫成該相電流和電感的乘積，即： （4.2）其中，每相的電感是相電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，它隨著轉(zhuǎn)子角位置而變化，這正是SR電動機(jī)的特點(diǎn)。（2）電壓方程由基爾霍夫定律可列寫出第相回路電壓平衡方程。施加在各定子繞組端的電壓等于電阻壓降和因磁鏈變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢作用之和，故第k相繞組電壓方程： （4.3）將4.2代入上式可

24、得：（4.4）上式表明，電源電壓與電路中三部分電壓降之和相平衡。其中，等式右端第一項(xiàng)為第相回路中的電阻壓降；第二項(xiàng)是由電流變化引起磁鏈變化而感應(yīng)的電動勢，所以稱為變壓器電動勢；第三項(xiàng)是由轉(zhuǎn)子位置改變引起繞組中磁鏈變化而感應(yīng)的電動勢，所以稱為運(yùn)動電動勢，它與電磁機(jī)械能量轉(zhuǎn)換直接有關(guān)。（3）機(jī)械方程 按照力學(xué)定律可得出在電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用下的轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動方程： （4.5）以上分別從電端口、機(jī)械端口列寫了系統(tǒng)方程，兩者是通過電磁轉(zhuǎn)矩耦合在一起的，轉(zhuǎn)矩表達(dá)式反映出了機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。應(yīng)該指出，上述SR電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型盡管從理論上完整、準(zhǔn)確地描述了SR電動機(jī)中的電磁及力學(xué)關(guān)系，但由于及難以解析，

25、實(shí)用起來卻很麻煩，因此，往往必須根據(jù)具體電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及所要求的精確程度加以適當(dāng)?shù)暮喕?。五?開關(guān)磁阻電機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢普通的發(fā)電機(jī)，如如異步發(fā)電機(jī)、感應(yīng)發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)要輸出固定電壓，其轉(zhuǎn)速也須固定。而風(fēng)速是時刻變化的，所以風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速必須固定不變，導(dǎo)致網(wǎng)通利用效率低下。顯然，如果使用變速發(fā)電機(jī)就能提高風(fēng)能利用效率（即變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)），而開關(guān)磁阻電機(jī)正滿足了這樣的要求。具體而言開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電有如下優(yōu)勢2： 1. 可以方便的發(fā)出電壓恒定的直流電，尤其對于它勵方式，輸出電壓直接由勵磁電壓決定，而與轉(zhuǎn)速無關(guān)。在自勵方式下，也可以通過自身的控制器實(shí)現(xiàn)電壓恒定。 2. 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)

26、結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子上無刷、無繞阻、無永久磁體，因此成本低廉；不存在銅耗，發(fā)電效率高；同時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小，啟動轉(zhuǎn)矩低，動態(tài)響應(yīng)好。低頻時不會出現(xiàn)像變頻供電的感應(yīng)電機(jī)在低頻時出現(xiàn)的不穩(wěn)定和振蕩問題。因此即使在網(wǎng)速較低的情況下，通過合理的設(shè)計，也可以在風(fēng)力直接驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)較高的發(fā)電效率，從而省去了齒輪箱。 3. 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有優(yōu)良的高速性能，能夠在寬廣的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，因而可以適應(yīng)不同網(wǎng)速的要求，高效的利用網(wǎng)通。 4. 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)可控參數(shù)多，如開通角，關(guān)斷角，直流斬波限，勵磁電壓等，可方便的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制策略。 5. 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有自勵能力，只需要小容量的直流起勵電源，就可以自動建立

27、電壓。若與蓄電池構(gòu)成互補(bǔ)系統(tǒng)，更可以體現(xiàn)分時勵磁和發(fā)電的優(yōu)勢。 6. 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)各相在物理和電磁上相互獨(dú)立，即使缺相的情況下，仍可維持工作，具有很強(qiáng)的容錯能力。雙饋發(fā)電機(jī)最早起源于繞線式轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)是在繞線式異步發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上安裝一個滑環(huán)。此種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)是通過對其轉(zhuǎn)差頻率的控制，來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的雙饋調(diào)速。由于控制的是電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，控制功率僅為定子繞組輸入功率的幾分之一，因此所需功率變換器的功率較小。目前有有刷和無刷雙饋電機(jī)兩種，有刷雙饋電機(jī)由于其有刷結(jié)構(gòu)，運(yùn)行可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)，不適合運(yùn)行在環(huán)境惡劣的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。無刷雙饋電機(jī)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這種電機(jī)的不足。由于無刷雙饋電機(jī)兼

28、有籠型、繞線型異步電機(jī)和電勵磁同步電機(jī)的共同優(yōu)點(diǎn)，還可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)和運(yùn)行速度，因此比較適合變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。雙饋系統(tǒng)在變頻器中僅流過轉(zhuǎn)差功率，其變頻器的容量小。但由于要求功率雙向流過變頻器，它必須是四象限雙PWM 變頻器，由兩套IGBT 變換器構(gòu)成，價格是同容量單象限變頻器的一倍左右。另外，由于發(fā)電機(jī)要求，需要齒輪箱和高速傳動裝置配合，增加成本和降低了傳動效率的同時，也增加了系統(tǒng)維護(hù)的難度。并且雙饋感應(yīng)電機(jī)輸出的是交流電，需要通過逆變器進(jìn)行交直流變換，降低了轉(zhuǎn)換的效率，增加的系統(tǒng)成本。與之相比，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)輸出的是直流電，可以降低系統(tǒng)成本。而且，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，轉(zhuǎn)

29、子上無繞組。開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)沒有獨(dú)立的勵磁繞組，而是與集中嵌放的定子電樞合二為一，并通過控制器分時控制實(shí)現(xiàn)勵磁與發(fā)電，因而簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性。同時，由于發(fā)電機(jī)相繞組間無電磁耦合，容錯能力大大增強(qiáng)。另外，由于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，其熱量主要集中在定子外殼，因此具有很好的耐高溫特性。六、總結(jié)隨著能源危機(jī)的不斷加深，能源解決問題變得越來越緊迫，風(fēng)力發(fā)電作為新能源中發(fā)展最早，技術(shù)最全面的技術(shù)受到了人們廣泛的重視，所以風(fēng)能技術(shù)的研究也越來越多。作為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的一種，開關(guān)磁阻電機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景，是未來風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的一個重要的方向。通過新型電機(jī)這門課程的學(xué)習(xí)，我知道了在傳統(tǒng)電機(jī)之外還有其他的應(yīng)用非常廣泛的微特電機(jī)，在現(xiàn)代社會