開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)-畢業(yè)設(shè)計(jì)(共51頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料第一部分 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘 要開(kāi)關(guān)磁阻作為一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、高效率、優(yōu)良的調(diào)速性能和靈活的可控性，愈來(lái)愈得到人們的認(rèn)可和應(yīng)用。目前已成功應(yīng)用于在電動(dòng)車(chē)用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應(yīng)用、伺服系統(tǒng)、高速驅(qū)動(dòng)、航空航天等眾多領(lǐng)域中，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(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在驅(qū)動(dòng)調(diào)速領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也在發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)受到越來(lái)越多的重視，引起了不少專(zhuān)家、學(xué)者的興趣。 本文首先介紹了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(SRD)的發(fā)展史、優(yōu)點(diǎn)、研究方向以及應(yīng)用，狀況，并對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的

2、特點(diǎn)和電磁原理進(jìn)行了闡述，從基本的電磁規(guī)律出發(fā)，說(shuō)明SRD的原理及相關(guān)理論。并利用數(shù)學(xué)模型建立SRD系統(tǒng)的模型、SRM的模型、電流控制器模型、逆變器模型、角度控制模型，并通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真，比較分析仿真波形與理想數(shù)學(xué)模型的差距。關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) 數(shù)學(xué)模型ABSTRACTSwitch magnetoresistance, as a kind of new speed drive system, switch reluctance motor with its simple structure, low cost, high efficiency, high speed and flex

3、ibility of controllability, more and more get recognized by people and application. Currently has been successfully used in electric vehicle drive system, household appliances, industrial application, servo system, high-speed drive, aerospace, etc, become ac motor speed control system, dc motor spee

4、d control system and brushless dc motor control system of strong competitors. Switch reluctance motor driving speed in the field has been widely used in power, but also more and more field, caused a lot of experts and scholars of interest.This paper first introduces a switched reluctance motor speed

5、 control system (SRD) history, advantages, research direction and application,Condition, and the SRM features and electromagnetic principle, from the basic laws of electromagnetic, the principle and the related theory SRD). Using the mathematic model and the model, SRM SRD system model, the current

6、controller model, inverter model, the Angle control model, and through MATLAB simulation and comparison analysis and simulation of the ideal mathematical model.Keywords: SRG, The mathematical model專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)目 錄第1章 緒論1.1 開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)介 開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)(The Switched Reluctance Drive, 以下簡(jiǎn)稱(chēng)SRD)最早可以追溯到1970年，英國(guó)Leed

7、s大學(xué)步進(jìn)電機(jī)研究小組首創(chuàng)一個(gè)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)雛形。到1972年進(jìn)一步對(duì)帶半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的小功率電動(dòng)機(jī)(10W1kW)進(jìn)行了研究。1975年有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，并一直發(fā)展到可以為50kW的電瓶汽車(chē)提供裝置。1980年在英國(guó)成立了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置有限公司(SRD Ltd.)，專(zhuān)門(mén)進(jìn)行SRD系統(tǒng)的研究、開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。1983年英國(guó)(SRD Ltd.)首先推出了SRD系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品命名為OULTON。1984年TASC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)公司也推出了他們的產(chǎn)品。另外SRD Ltd. 研制了一種適用于有軌電車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，到1986年已運(yùn)行500km。該產(chǎn)品的出現(xiàn)，在電氣傳動(dòng)界引起不小的反響。在很多性能指標(biāo)上達(dá)到了出人意

8、料的高水平，整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能價(jià)格指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)了工業(yè)中長(zhǎng)期應(yīng)用的一些變速傳動(dòng)系統(tǒng)。SRD作為一種新型調(diào)速系統(tǒng)，兼有直流傳動(dòng)和普通交流傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，正逐步應(yīng)用在家用電器、一般工業(yè)、伺服與調(diào)速、牽引電動(dòng)機(jī)、高速電動(dòng)機(jī)、航天器械及汽車(chē)輔助設(shè)備等領(lǐng)域。在發(fā)展初期，由于具有串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性，SR電動(dòng)機(jī)較多的是在電力機(jī)車(chē)上作牽引用，功率從幾十千瓦到幾百千瓦。SRD的應(yīng)用范圍當(dāng)然不會(huì)僅僅局限于牽引運(yùn)輸。實(shí)際上，轉(zhuǎn)速范圍為15001800r/min的SRD是與由50H/60H電源逆變器供電的異步電動(dòng)機(jī)市場(chǎng)相適應(yīng)的，而7503000r/min的SRD則與傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)市場(chǎng)相適應(yīng)。另外，SRD在低壓、小功率的

9、應(yīng)用場(chǎng)合大大優(yōu)于普通的異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)。比如，使用SRD驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，泵類(lèi)、壓縮機(jī)等，可在很大速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行，可明顯地節(jié)能，并在短期內(nèi)收回成本。經(jīng)濟(jì)型小功率SRD也有著廣闊的市場(chǎng)。我國(guó)大約在1985年才開(kāi)始對(duì)SRD系統(tǒng)進(jìn)行研究。SRD系統(tǒng)的研究已被列入我國(guó)中、小型電機(jī)“八五”、“九五”和“十五”科研規(guī)劃項(xiàng)目。華中科技大學(xué)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)課題組在“九五”項(xiàng)目中研制出使用SRD的純電動(dòng)轎車(chē)，在“十五”項(xiàng)目中將SRD應(yīng)用到混合動(dòng)力城市公交車(chē)，均取得了較好的運(yùn)行效果。紡織機(jī)械研究所將SRD應(yīng)用于毛巾印花機(jī)、卷布機(jī)，煤礦牽引及電動(dòng)車(chē)輛等，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。美國(guó)、加拿大、南斯拉夫、埃及等國(guó)家也

10、都開(kāi)展了SRD系統(tǒng)的研制工作。1.2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)SRD調(diào)速系統(tǒng)之所以被越來(lái)越多的人所關(guān)注，是因?yàn)槠浔旧碛性S多自己的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：(1) SRM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、優(yōu)點(diǎn)較多SRM是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，有其突出的優(yōu)點(diǎn)：首先，電機(jī)無(wú)碳刷和換相器，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有任何形式的繞組，制造成本低且轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度高，使得電動(dòng)機(jī)可高速運(yùn)轉(zhuǎn)而不致變形；另外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，易于加、減速。在定子方面，它只有幾個(gè)集中繞組，線圈嵌裝容易，端部短而牢固，因此制造簡(jiǎn)便，絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且發(fā)熱大部分在定子，易于冷卻；其次，電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向與相電流方向無(wú)關(guān)，在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)均具有高輸出和高效率；再次，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可靠性高，能

11、適用于危險(xiǎn)的環(huán)境，且控制方式很靈活。(2) SRD系統(tǒng)中功率電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流的方向無(wú)關(guān)，只需單方向來(lái)對(duì)繞組供電，故功率電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以做到每相只需一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件。只要控制主開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間，即可改變電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。另外，系統(tǒng)中每個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件均直接與電動(dòng)機(jī)繞組相串聯(lián)，避免了直通短路現(xiàn)象。因此開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中功率電路的保護(hù)部分可以簡(jiǎn)化，既降低了成本，又具有較高的可靠性。(3) SRD系統(tǒng)效率高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大SRD系統(tǒng)是一種非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。這是因?yàn)橐环矫骐妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不存在繞組銅耗，另一方面電動(dòng)機(jī)可控參數(shù)多，靈活方便，易于在寬轉(zhuǎn)速范圍和不同負(fù)載下實(shí)

12、現(xiàn)高效優(yōu)化控制。其系統(tǒng)效率在很寬的速度范圍內(nèi)都在87%以上，這是其它一些調(diào)速系統(tǒng)不易達(dá)到的。且電機(jī)起動(dòng)時(shí)，只需從電源側(cè)提供較少的電流，就能在電動(dòng)機(jī)側(cè)得到較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。(4) SRD系統(tǒng)可控參數(shù)多，控制方式簡(jiǎn)單控制開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的主要常用方法有以下幾種：控制相繞組電壓，控制相電流幅值，控制開(kāi)通角、關(guān)斷角?？煽貐?shù)多，意味著控制靈活方便，可以根據(jù)對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行要求和電動(dòng)機(jī)的情況，采用不同控制方法，使之有效的運(yùn)行。(5) SRD系統(tǒng)可靠性高、適用范圍廣SR電機(jī)不會(huì)發(fā)生感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子籠斷裂或燒熔的故障，再加上SR電機(jī)采用簡(jiǎn)單而堅(jiān)固的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由單極性功率變換器供單方向電流激勵(lì)，可做到磁路上各相相互獨(dú)

13、立和電路上各相相互獨(dú)立，因此，該系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行可靠性和容錯(cuò)能力。即使某相繞組或主開(kāi)關(guān)管出現(xiàn)故障，電機(jī)依然能平穩(wěn)運(yùn)行，可適用在可靠性要求較高的場(chǎng)合，如適合在高粉塵、易燃、易爆等惡劣環(huán)境下和要求超高速等場(chǎng)合下運(yùn)行，并可廣泛地應(yīng)用在紡織、造紙、煤礦、航空等領(lǐng)域。如：造紙機(jī)、漿紗機(jī)、采煤機(jī)、礦用運(yùn)輸機(jī)、電牽引采煤機(jī)、電機(jī)車(chē)牽引及局部風(fēng)機(jī)和水泵等、家用電器和機(jī)器人上。當(dāng)然，就目前的發(fā)展水平而言，SR電動(dòng)機(jī)主要還存在如下缺點(diǎn)：(1) 采用的是磁阻式電動(dòng)機(jī)，其能量轉(zhuǎn)換密度低于電磁式電動(dòng)機(jī)。 (2) 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，通常SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的典型值為15%。由轉(zhuǎn)矩波動(dòng)所導(dǎo)致的嗓聲及特定頻率下的諧振問(wèn)題也較為突

14、出。(3) 相數(shù)越多，主接線數(shù)越多，此外還有位置傳感器的出線。(4) 需要根據(jù)定、轉(zhuǎn)子相對(duì)位置投勵(lì)。(5) 不能像籠型異步電動(dòng)機(jī)那樣直接接人電網(wǎng)作穩(wěn)速運(yùn)行，而必須與控制器一同使用。1.3 開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的研究動(dòng)向及應(yīng)用目前，SRD系統(tǒng)的研究主要涉及以下幾個(gè)方面：(1) SRD系統(tǒng)的優(yōu)化SRD系統(tǒng)是由SR電機(jī)及其控制裝置構(gòu)成的不可分割的整體，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)電機(jī)模型和控制系統(tǒng)綜合考慮，進(jìn)行全局優(yōu)化。(2) 無(wú)位置傳感器SRD系統(tǒng)的研制位置檢測(cè)環(huán)節(jié)是SR電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，檢測(cè)到的位置信號(hào)既是繞組開(kāi)通與關(guān)斷的依據(jù)，也為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制提供了轉(zhuǎn)速信息。到目前為止國(guó)內(nèi)外

15、實(shí)際應(yīng)用中轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)多數(shù)是直接利用諸如光電式、磁敏式或霍爾式位置傳感器，所用傳感元件的數(shù)目也因相數(shù)的增加而增加。既增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本，降低了可靠性，同時(shí)又給安裝、調(diào)試帶來(lái)了不便。因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)始研究無(wú)位置檢測(cè)方案，如電流波形檢測(cè)及由此變形而來(lái)的非通電相加瞬間脈沖激勵(lì)的電感簡(jiǎn)化計(jì)算、狀態(tài)觀測(cè)器檢測(cè)、利用相磁鏈、相電流與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系解算轉(zhuǎn)子位置、利用相間互感與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系檢測(cè)、電容式位置檢測(cè)技術(shù)、加測(cè)試線圈的檢測(cè)等方案。位置傳感器的取消將使SRD系統(tǒng)有更多的優(yōu)勢(shì)與直流及交流變頻調(diào)速相競(jìng)爭(zhēng)。(3) 新型控制技術(shù)的應(yīng)用高性能DSP和專(zhuān)用集成電路(ASIC)的應(yīng)用為SRD系統(tǒng)的高性

16、能控制提供了可靠的硬件保證。因此，研究具有較高動(dòng)態(tài)性能、算法簡(jiǎn)單、能抑制參數(shù)變化、撓動(dòng)及各種不確定性干擾的SRD系統(tǒng)控制技術(shù)成為近期的重要任務(wù)，SRD系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制、智能控制技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)。(4) 鐵損耗分析與效率研究SRD系統(tǒng)堪稱(chēng)是高效率調(diào)速系統(tǒng)，但SR電機(jī)的鐵損耗計(jì)算是難度較大的課題之一。SR電機(jī)的鐵損耗計(jì)算難度較大，這是因?yàn)殡姍C(jī)供電波形復(fù)雜、電機(jī)磁路局部飽和嚴(yán)重、電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)幾雙凸極結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。SR電機(jī)的鐵損耗常常是影響效率的主要方面，尤其在斬波工作狀態(tài)及高速運(yùn)行時(shí)，鐵損耗是較為可觀的。鐵損耗分析的目的是建立準(zhǔn)確、實(shí)用的鐵損耗計(jì)算模型和分析、測(cè)試手段，以及從電機(jī)、電路結(jié)構(gòu)和

17、控制方案著手，研究減少損耗、提高效率的措施。(5)振動(dòng)和噪聲研究包括從電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和控制器軟、硬件兩方面來(lái)提高系統(tǒng)效率、降低噪音和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)及噪聲的理論研究。由于SRD系統(tǒng)是脈沖供電工作方式，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，低速時(shí)步進(jìn)狀態(tài)明顯，振動(dòng)噪聲大，這些缺點(diǎn)限制了其在諸如伺服驅(qū)動(dòng)這類(lèi)要求低速運(yùn)行平穩(wěn)且有一定靜態(tài)轉(zhuǎn)矩保持能力場(chǎng)合下的應(yīng)用。因此，研究抑制SR電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲也是改善SRD性能的重要課題之一。(6) 控制參數(shù)方面的優(yōu)化根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，可選取不同的目標(biāo)函數(shù)，如系統(tǒng)的效率最高、平均轉(zhuǎn)矩最大、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)最小等。由于SRD控制參數(shù)多、電機(jī)模型復(fù)雜，使得優(yōu)化過(guò)程計(jì)算量大，而且得到的

18、只是針對(duì)單個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果。與傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比，SRD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制的難度要高一些。但是隨著各種控制理論在傳統(tǒng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的研究日益深入，它們?cè)赟RD系統(tǒng)中的應(yīng)用也逐漸增多。如采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，以斬波電流限為控制變量，實(shí)現(xiàn)了SR電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。一些現(xiàn)代的控制理論和方法在SR電機(jī)的控制中也得到了應(yīng)用，如模糊控制、模糊控制與PI控制結(jié)合在一起的混合式調(diào)節(jié)、滑?？刂?，自適應(yīng)控制、線性回饋控制以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。這些現(xiàn)代控制技術(shù)的使用部分解決了SRD系統(tǒng)的非線性多變量強(qiáng)耦合問(wèn)題，但離實(shí)用技術(shù)還有一定距離，主要表現(xiàn)在一些控制技術(shù)中為設(shè)計(jì)目的提出的模型太過(guò)復(fù)雜而難以用于SR電機(jī)

19、實(shí)時(shí)控制，而有的為控制目的提出的模型則過(guò)于簡(jiǎn)單而影響了控制的實(shí)際效果，或者因控制參數(shù)難于確定而失去實(shí)用的價(jià)值。但隨著微電子技術(shù)和高級(jí)控制技術(shù)的發(fā)展，這些控制技術(shù)必將在SRD系統(tǒng)中得到切實(shí)應(yīng)用。(7) 功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究由于SRD系統(tǒng)的性能和成本很大程度上取決于功率變換器的性能和成本，因此功率變換器的研究意義重大，目前研究主要集中在功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主開(kāi)關(guān)器件的選擇和使用等方面。SRD系統(tǒng)功率變換器是由一定數(shù)量的電力電子器件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合而成。SRD系統(tǒng)功率變換器研究初期，最少量主開(kāi)關(guān)器件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)曾是研究的熱點(diǎn)，這是因?yàn)橹鏖_(kāi)關(guān)器件的減少，意味者相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路以及功

20、率損耗等相應(yīng)減少，因此系統(tǒng)的體積以及成本會(huì)全面降低。隨著研究深入，這種觀點(diǎn)不再特別突出，主要原因是各種以減少主開(kāi)關(guān)器件數(shù)目的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在減少主開(kāi)關(guān)器件數(shù)目的同時(shí)，又引進(jìn)了其他諸如電容、電感等無(wú)源儲(chǔ)能元件以及輔助開(kāi)關(guān)器件，系統(tǒng)的體積與成本并未顯著降低，其實(shí)質(zhì)只是通過(guò)增加單個(gè)主開(kāi)關(guān)器件的容量來(lái)減少主開(kāi)關(guān)器件的數(shù)目。因此更理想的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)該為： 能夠獨(dú)立、快速又精確地對(duì)SR電機(jī)各相相電流進(jìn)行控制。 磁場(chǎng)儲(chǔ)能盡可能地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，當(dāng)向電源回饋時(shí)應(yīng)高效、快速。 驅(qū)動(dòng)同等功率等級(jí)的SR電機(jī)，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量，可以驅(qū)動(dòng)更高功率等級(jí)的SR電機(jī)。 每相主開(kāi)關(guān)器件數(shù)目最少。第2章

21、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理2.1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本組成環(huán)節(jié)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由SRM、主電路、控制器和檢測(cè)器四部分組成，基本框圖如圖 2.1 所示。電源主電路SRM給定指令控制器電流檢測(cè)速度檢測(cè)位置檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路圖2.1 SRD系統(tǒng)框圖SRM是SRD中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是SRD有別于其他電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要標(biāo)志。它遵循磁通總是要沿著磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原理，由磁拉力作用產(chǎn)生具有磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。采用雙凸極結(jié)構(gòu)就是要使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)磁路的磁阻要盡可能大地變化。功率變換器向SRM提供運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量，由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電。由于SRM繞組電流是單向的，使得其功率

22、變換器主電路非常簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)形式與SR電動(dòng)機(jī)的相數(shù)、繞組形式有關(guān)，功率變換器的結(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)器件的選擇直接影響到 SRD 系統(tǒng)的性能和成本。其主要作用有：（1） 向SR電動(dòng)機(jī)傳輸電能，滿(mǎn)足機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的需要；（2） 起開(kāi)關(guān)作用，使SR電動(dòng)機(jī)的各相繞組適時(shí)通斷；（3） 為SR電動(dòng)機(jī)各相繞組的儲(chǔ)能提供回饋路徑?？刂破魇窍到y(tǒng)的中樞，綜合處理速度指令、速度反饋信號(hào)及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SRM運(yùn)行狀態(tài)的控制。其性能好壞直接影響到電機(jī)的運(yùn)行性能。檢測(cè)單元由位置檢測(cè)和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。提供轉(zhuǎn)子的位置信息從而確定各相繞組的開(kāi)通和關(guān)斷，提供電流信息來(lái)完成電流

23、跟蹤控制或采取相應(yīng)的保護(hù)措施以防止過(guò)電流。2.1.1 功率主開(kāi)關(guān)器件SR 電機(jī)的繞組只需要單方向電流，但應(yīng)能迅速?gòu)碾娫唇邮茈娔?，又能迅速向電源回饋能量。由?SRD 功率變換器只需要給電動(dòng)機(jī)提供單方向電流，故它比異步電動(dòng)機(jī) PWM 變頻器簡(jiǎn)單、可靠。然而，SR 電機(jī)的工作電流、電壓波形系統(tǒng)的運(yùn)行條件及電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的制約，很難準(zhǔn)確預(yù)料。這就使得其主開(kāi)關(guān)器件的定額計(jì)算較為復(fù)雜，主開(kāi)關(guān)器件的選擇與電動(dòng)機(jī)功率、供電電壓、峰值電流、成本等有關(guān)，還與主開(kāi)關(guān)器件本身的開(kāi)關(guān)速度、觸發(fā)難易、開(kāi)關(guān)損耗、抗沖擊性、耐用性等有關(guān)。當(dāng)前電力電子經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，可供選擇的功率器件主要有普通晶閘管、可關(guān)斷晶閘管（GTO）

24、、功率晶體管（GTR）、功率 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。2.1.2 功率變換拓?fù)潆娐饭β首儞Q器應(yīng)與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)匹配，達(dá)到效率高、控制方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等基本要求，一個(gè)理想的功率變換器主電路結(jié)構(gòu)形式應(yīng)同時(shí)具備如下條件：(1）最少數(shù)量的主開(kāi)關(guān)元件；(2)可將全部電源電壓加給電動(dòng)機(jī)相繞組；(3)主開(kāi)關(guān)器件的電壓額定值與電動(dòng)機(jī)接近；(4)具備迅速增加相繞組電流的能力；(5)可通過(guò)主開(kāi)關(guān)器件調(diào)制，有效地控制相電流；(6)在繞組磁鏈減少的同時(shí)，能將能量迅速地回饋給電源。功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)逆變器有很大差異，具有多種形式，并且與開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的相數(shù)、繞組連接形式

25、有密切的關(guān)系。其中，最常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：電機(jī)雙繞組型、電容裂相型、H 橋型、不對(duì)稱(chēng)半橋式、具有最少數(shù)量主開(kāi)關(guān)器件的功率變換器電路等。下面扼要介紹開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)幾種常見(jiàn)功率變換器的線路，進(jìn)行對(duì)比分析。(1)電機(jī)雙繞組型圖 2.2電機(jī)雙繞組型圖 2.2所示是早期使用的雙繞組結(jié)構(gòu)，通常主副繞組采用雙線并繞的形式，以得到最大的互感系數(shù)，主繞組開(kāi)關(guān)元件 S 斷開(kāi)后，主繞組的能量通過(guò)互感傳到副繞組，再通過(guò)二極管續(xù)流。該電路主開(kāi)關(guān)元件的額定工作電壓為2(1+D)，其中 是整流橋輸出的峰值電壓，D是開(kāi)關(guān)元件關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓系數(shù)，功率變換器的伏安容量為 2m(1+D)，m為電動(dòng)機(jī)的相數(shù)，為電動(dòng)機(jī)的峰值電流。雙繞組主

26、電路十分簡(jiǎn)單，每相繞組只有一只主開(kāi)關(guān)及一只續(xù)流二極管。缺點(diǎn)是主副繞組之間不可能完全耦合，主開(kāi)關(guān)元件關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的沖擊電壓，對(duì)主開(kāi)關(guān)元件的額定工作電壓要求比較高，并需有良好的吸收網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)采用雙繞組結(jié)構(gòu)，繞組利用率下降，銅耗增加、體積增大。這種主電路可適用于任意相數(shù)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，尤其適宜于低壓直流電源。(2)電容裂相型圖 2.2電路出現(xiàn)較早，在一個(gè)時(shí)期內(nèi)應(yīng)用比較廣，是一種比較成熟的主電路結(jié)構(gòu)。將整流橋輸出的電壓用雙電容裂相(電容同時(shí)也起濾波、存儲(chǔ)繞組回饋能量的作用)，采用這種電路，可對(duì)電動(dòng)機(jī)的各相獨(dú)立控制，每相只需一個(gè)主開(kāi)關(guān)元件和一個(gè)續(xù)流二極管。因?yàn)閮蓚€(gè)裂相電容上的電壓需要保持平

27、衡，所以同兩個(gè)電容并聯(lián)的繞組數(shù)應(yīng)相等，且上下橋的電容只能輪流或者同時(shí)給電動(dòng)機(jī)的繞組供電，因而這種主電路結(jié)構(gòu)只適用于偶數(shù)相的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。主開(kāi)關(guān)元件的額定工作電壓為(1D) ，采用電容裂相以后，電源電壓利用率降低，主開(kāi)關(guān)元件的電流為圖 2.3 中的兩倍(同功率情況下)。圖 2.3電容裂相型（資料來(lái)源：張全柱,郝榮泰,鄧新華.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的幾種功率變換器拓?fù)涞男阅芊治鯦電氣傳動(dòng)自動(dòng)化, 1995.）圖 2.4 H 橋型功率變換主電路（資料來(lái)源：張全柱,郝榮泰,鄧新華.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的幾種功率變換器拓?fù)涞男阅芊治鯦電氣傳動(dòng)自動(dòng)化, 1995.）(3) H 橋型圖 2.4 H 橋型功率變換主電路，這一電

28、路可認(rèn)為是上述電容裂相型電路取消了電容器分壓構(gòu)成的雙電源，并將電動(dòng)機(jī)四相繞組中點(diǎn)浮空而形成的。電機(jī)每相繞組的外施電壓為電源電壓的一半，因?yàn)槿我幌嗬@組電路必須以其它繞組為通路，換相相的磁能一部分回饋電源，另一部份注入導(dǎo)通相繞組，因此只能工作在兩相同時(shí)通電方式，從而缺少一些控制靈活性。但這一變化也給本電路帶來(lái)了特有的好處，即可以實(shí)現(xiàn)零壓續(xù)流，提高系統(tǒng)控制性能。但它只適合于四相或者四的倍數(shù)相的 SR 電機(jī)。(4) 不對(duì)稱(chēng)半橋型圖 2.5 為本系統(tǒng)所采用的不對(duì)稱(chēng)半橋型三相 SR 電機(jī)功率變換器主電路。以 A相為例，每相有兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管 S1 和 S5 及續(xù)流二極管 D1和 D5。其中，上下兩只主開(kāi)關(guān)管是

29、同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷的。當(dāng) S1、S5 導(dǎo)通時(shí)，D1 和 D5 截止，外加電源加至 A 相繞組的兩端，產(chǎn)生相電流；當(dāng) S1、S5 關(guān)斷時(shí)，A 相繞組產(chǎn)生的變壓器電壓勢(shì)極性如圖所示，則 D1、D5 正向?qū)?，電流通過(guò) D1、D5 及儲(chǔ)能電容 C續(xù)流，C 將吸收 A 相繞組的部分磁場(chǎng)能量。圖 2.5 不對(duì)稱(chēng)半橋功率變換主電路（資料來(lái)源：張全柱,郝榮泰,鄧新華.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的幾種功率變換器拓?fù)涞男阅芊治鯦電氣傳動(dòng)自動(dòng)化, 1995.）這種不對(duì)稱(chēng)半橋型線路具有如下的特點(diǎn)：(1)各主開(kāi)關(guān)管的電壓定額為Vs ；(2)由于主開(kāi)關(guān)管的電壓定額與電動(dòng)機(jī)繞組的電壓定額近似相等，用足了主開(kāi)關(guān)管的額定電壓，有效的全部電源電

30、壓可用來(lái)控制相繞組電流；(3)由于每相繞組接至各自的不對(duì)稱(chēng)半橋，每相需要兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管和兩個(gè)二極管，相與相之間是完全獨(dú)立的，故這種結(jié)構(gòu)對(duì)繞組相數(shù)沒(méi)有任何限制，適合任意相數(shù)電機(jī)，不存在上、下橋臂直通的故障隱患。2.1.3 控制器控制器是SRD系統(tǒng)的主要大腦，起決策和指揮作用。它綜合位置檢測(cè)器、電流檢測(cè)器提供的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置、速度和電流等反饋信息及外部輸入的命令，然后通過(guò)分析處理，決定控制器策略，向SRD系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器發(fā)出一系列執(zhí)行命令，進(jìn)而控制SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，達(dá)到控制目的。控制器一般由單片機(jī)或者 DSP 芯片及外圍接口電路組成，在其中實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)的比較分析以及控制運(yùn)行算法的實(shí)現(xiàn)，在 SRD 系統(tǒng)

31、中，要求控制器實(shí)現(xiàn)下述性能：（1）電流斬波控制；（2） 角度位置控制；（3） 啟動(dòng)、控制、停車(chē)及四象限運(yùn)行；（4） 速度調(diào)節(jié)。綜合采用有效的電機(jī)控制策略，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低噪聲，實(shí)現(xiàn)電機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能。2.1.4 位置檢測(cè)根據(jù)所用光電傳感器個(gè)數(shù)的不同，位置檢測(cè)的方法可分為全數(shù)檢測(cè)和半數(shù)檢測(cè)兩種。前者所用的光電傳感器的個(gè)數(shù)與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相數(shù)相同，后者所用個(gè)數(shù)為相數(shù)的一半。半數(shù)檢測(cè)能節(jié)約成本，在本文位置檢測(cè)采用光電位置傳感器，它由裝在軸上的轉(zhuǎn)盤(pán)和裝在定子上的光電傳感器件和組成。轉(zhuǎn)盤(pán)固定在轉(zhuǎn)子軸上，具有與轉(zhuǎn)子凸極和凹槽數(shù)相等的凸齒和凹槽，而且它們成均勻分布結(jié)構(gòu)都為，即外弧的弧長(zhǎng)相等；光電傳感器件由光

32、發(fā)生部件和光敏三極管接受電路組成，固定在定子或者機(jī)殼上轉(zhuǎn)盤(pán)與電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)的遮光、透光使光敏元件產(chǎn)生導(dǎo)通和關(guān)斷信號(hào)。對(duì)于四相8/6極電機(jī)，只須在定子極上安裝兩個(gè)相距1/4轉(zhuǎn)子齒距角，即相距或的光電元件，見(jiàn)圖2.6。圖 2.6 8/6 四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)位置檢測(cè)圖一般情況下，光電傳感器件在夾角為時(shí)放置在A相軸線兩側(cè)處，夾角情況下則其中一個(gè)光電傳感器件放在靠近A相軸線處與之成角處。A相是處于和轉(zhuǎn)子極重合的位置，此時(shí)其相電感最大，可以看出其與光電傳感器的齒盤(pán)是不重合的，而是由一個(gè)的夾角。位置感器的輸出是由齒盤(pán)凸極遮擋光電器件的光線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)凸極遮住光線的時(shí)候，傳感器輸出低電平，沒(méi)有遮擋的時(shí)候

33、輸出高電平，圖2.7表示的就是由傳感器產(chǎn)生的兩路輸出位置信號(hào)，并且給出它們與相繞組電感之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖2.7 一個(gè)轉(zhuǎn)子周期內(nèi)位置信號(hào)與相電感對(duì)應(yīng)變化當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)被齒盤(pán)遮住與否，兩個(gè)光電傳感器通過(guò)外圍電路輸出兩路相位分別相差的基本信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形、濾波可以獲得比較好的方波信號(hào)。通過(guò)分析兩路方波信號(hào)的位置狀態(tài)以及對(duì)兩路方波信號(hào)上升、下降沿的捕獲，可以得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的位置角度，可實(shí)現(xiàn)位置信號(hào)的反饋。同時(shí)，利用兩路信號(hào)上升、下降沿的捕獲，運(yùn)用 T方法(測(cè)出相鄰的兩個(gè)捕獲信號(hào)之間的間隔時(shí)間來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速的方法)，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)速度信號(hào)的反饋。2.1.5 電流檢測(cè)為了實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)，使電機(jī)

34、安全運(yùn)行，必須對(duì)繞組中的電流進(jìn)行檢測(cè)，電流檢測(cè)電路一定要符合以下的條件：（1） 被測(cè)主電路(強(qiáng)電部分)與控制電路(弱電部分)間應(yīng)良好隔離，且有一定的抗干擾能力。（2） 靈敏度高，檢測(cè)頻帶范圍寬，可測(cè)含有多次諧波成分的直流電路。（3） 單相電流檢測(cè)，在一定工作范圍內(nèi)具有良好的線性度。2.3 SR電機(jī)的工作原理 SRG通常采用雙凸極結(jié)構(gòu)，如圖2.8所示，定、轉(zhuǎn)子均是由普通硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子上既無(wú)繞組也無(wú)永磁體，定子上繞有集中繞組，由徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組。從本質(zhì)上說(shuō) SRG與一般的交流電機(jī)系統(tǒng)不同，其運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原則”， 即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極軸線與定

35、子磁極的軸線不重合時(shí)，便會(huì)有作用力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)距，從而使轉(zhuǎn)子向定子磁極的軸線方向運(yùn)動(dòng)或產(chǎn)生同方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，直到定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合為止；若連續(xù)給各相定子繞組通電，則產(chǎn)生連續(xù)的脈振磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子將沿著與勵(lì)磁順序相反的方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。并且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與電流方向無(wú)關(guān)，僅取決于勵(lì)磁順序。對(duì)于開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，其一個(gè)通電周期可分為兩個(gè)階段，即勵(lì)磁階段和發(fā)電階段，且以發(fā)電階段為主。當(dāng)主開(kāi)關(guān) K1 和K2 導(dǎo)通時(shí)，定子繞組接受外電路的勵(lì)磁，外部供給的電能和機(jī)械能均轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)儲(chǔ)能； 當(dāng)主開(kāi)關(guān)關(guān)斷并通過(guò)二極管 D1、D2 續(xù)流時(shí)，磁場(chǎng)儲(chǔ)能和機(jī)械能都轉(zhuǎn)化成電能回饋電源或向負(fù)載供電。正是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)這種分時(shí)

36、勵(lì)磁的特性，使得其控制靈活，可控參數(shù)多，如開(kāi)通角、關(guān)斷角、勵(lì)磁電壓以及控制方式等均對(duì)發(fā)電效果有重大影響。下面就以常用的四相8/6極開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為例進(jìn)一步闡釋其運(yùn)行機(jī)理。圖2.8 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)工作原理示意圖如圖2.9，圖中僅畫(huà)出相繞組及其供電電路，其余各相與此相相同。設(shè)發(fā)電機(jī)在外力的驅(qū)動(dòng)下，以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。在圖示位置，定子相繞組與轉(zhuǎn)子磁極軸線重合，此時(shí)給定子相繞組通電，即開(kāi)關(guān)、閉合，該相通過(guò)直流電源U進(jìn)行勵(lì)磁。磁力線由定子軛經(jīng)定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極1、鐵心、轉(zhuǎn)子極，再回經(jīng)定子極，形成閉合回路。由于定子相繞組軸線與轉(zhuǎn)子極不重合，根據(jù) “磁路最短原則”，轉(zhuǎn)子極將有向定子極運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并受到該方向的

37、力矩作用，即順時(shí)針?lè)较?，與驅(qū)動(dòng)力矩相反，同時(shí)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能將轉(zhuǎn)化成磁能貯藏在磁場(chǎng)中。當(dāng)開(kāi)關(guān)、斷開(kāi)時(shí)，相電流通過(guò)二極管、續(xù)流，繞組內(nèi)的電流方向不改變，電源E極性與原來(lái)相反，此時(shí)儲(chǔ)存在磁場(chǎng)中的磁能將釋放出來(lái)，并轉(zhuǎn)化成電能，回饋至電源，從而完成了機(jī)械能和電能之間以磁場(chǎng)為媒介的機(jī)電能量轉(zhuǎn)化過(guò)程。（）A相通電 （b）B相通電 （c）相通電 ）D相通電圖2.9開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)各相順序通電的磁場(chǎng)情況電機(jī)旋轉(zhuǎn)至繞組軸線與轉(zhuǎn)子極軸線重合時(shí)，將勵(lì)磁切換至相，則相與轉(zhuǎn)子極之間相互作用將和相與轉(zhuǎn)子極之間相同。因此，連續(xù)不斷地按照的順序給電機(jī)各相勵(lì)磁，作用在轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能將源源不斷地轉(zhuǎn)化成電能，實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行。 值得一提的

38、是，若作用在開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的外力方向改變時(shí)，只需改變各相的勵(lì)磁順序，即，即可維持其發(fā)電狀態(tài)。因此，方便的實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)是開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的一大特色。此外，在開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子的受力方向與繞組通電的方向無(wú)關(guān)，僅取決于通電順序，這也是開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)不同于一般交流電機(jī)之處。第3章 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制策略3.1 角度位置控制 在直流電壓的斬波頻率和占空比確定時(shí)，加于相繞組兩端的電壓大小不變的情況下，可通過(guò)調(diào)節(jié)SR電動(dòng)機(jī)的主開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通角和關(guān)斷角的值，來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和速度的調(diào)節(jié)，此種方法便稱(chēng)之為角度位置控制(APC)。尤其是當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較大，電機(jī)繞組電流相對(duì)較小時(shí)，最宜采用此種控制方式。角度

39、位置控制是通過(guò)控制開(kāi)通角和關(guān)斷角來(lái)改變電流波形以及電流波形與繞組電感波形的相對(duì)位置，這樣就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使電流波形的主要部分位于電感波形的上升段；在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使電流波形位于電感波形的下降段。改變開(kāi)通角，可以改變電流的波形寬度、電流波形的峰值和有效值大小以及電流波形與電感波形的相對(duì)位置；改變關(guān)斷角一般不影響電流峰值，但可以影響電流波形寬度以及與電感曲線的相對(duì)位置，電流有效值也隨之變化，因此同樣對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，只是其影響程度沒(méi)有那么大。故一般采用固定關(guān)斷角，改變開(kāi)通角的控制方式。APC控制方式有其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：首先電機(jī)轉(zhuǎn)

40、矩調(diào)節(jié)范圍大。假設(shè)定義電流存在區(qū)間t占電流周期T的比例為電流占空比，則在極端情況下，角度位置控制的電流占空比的變化范圍幾乎從0-100%，電流的大小直接影晌著轉(zhuǎn)矩的大小，因此轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的范圍將很大。其次，電動(dòng)機(jī)在角度位置控制方式下運(yùn)行效率高。通過(guò)角度優(yōu)化，能使電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載下保持較高的效率，可實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)控制或轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制。但是,角度位置控制不太適用于低速。因?yàn)檗D(zhuǎn)速降低時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)減小，使電流峰值增大，必須進(jìn)行限流，因此角度位置控制一般用于轉(zhuǎn)速較高的應(yīng)用場(chǎng)合。3.2電流斬波控制 低速工作時(shí)多采用斬波控制方式，用來(lái)限制電流峰值。低速時(shí)，繞組導(dǎo)通周期長(zhǎng)，磁鏈及電流峰值大，靠加大導(dǎo)通角，減小導(dǎo)通區(qū)

41、固然可以限流，但會(huì)降低有效利用率，因此，適合采用斬波限流。一般在低速運(yùn)行時(shí)，將使電機(jī)的開(kāi)通角和關(guān)斷角保持不變，而主要靠控制斬波電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)電流的峰值，從而起到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的，工作在CCC方式下的斬波電流波形如圖3.1所示。圖3.1 CCC方式下的斬波電流波形在 時(shí)，功率電路開(kāi)關(guān)元件接通(稱(chēng)相導(dǎo)通)，繞組電流從零開(kāi)始上升，當(dāng)電流達(dá)到斬波電流上限值時(shí)，切斷繞組電流(稱(chēng)斬波關(guān)斷)，繞組承受反壓，電流快速下降。經(jīng)時(shí)間，或電流降至斬波電流下限值時(shí)，重新導(dǎo)通(稱(chēng)斬波導(dǎo)通)，重復(fù)上述過(guò)程，則形成斬波電流波形，直至?xí)r實(shí)行相關(guān)斷，電流衰減至零。CCC控制方式又分為起動(dòng)斬波模式、定角度斬波模式和變

42、角度斬波模式。起動(dòng)斬波模式是在SR電機(jī)起動(dòng)時(shí)采用的，此時(shí)要求轉(zhuǎn)矩要大，同時(shí)又要限制相電流峰值，故通常固定開(kāi)通角和關(guān)斷角，導(dǎo)通角值相對(duì)較大；定角度斬波模式通常在電機(jī)起動(dòng)后，低速運(yùn)行時(shí)采用，導(dǎo)通角值保持不變，但值限定在一定范圍內(nèi)，相對(duì)較小；而變角度斬波模式通常在電機(jī)中速運(yùn)行時(shí)采用，此時(shí)通過(guò)電流斬波、開(kāi)通角、關(guān)斷角同時(shí)起作用來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。3.3 電壓PWM控制 在導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，使功率開(kāi)關(guān)按PWM方式工作，其脈沖周期T固定，占空比可調(diào)，在內(nèi)，繞組加正電壓，內(nèi)加零電壓或反電壓。改變占空比，則繞組電壓的平均值將會(huì)變化，進(jìn)而間接改變相繞組電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，這就是電壓斬波控制。與電流斬波

43、控制方式類(lèi)似，提高脈沖頻率，則電流波形比較平滑，電機(jī)出力增大，噪聲減小，但功率開(kāi)關(guān)元件的工作頻率增大，成本有所增加。電壓PWM控制通過(guò)調(diào)節(jié)相繞組電壓的平均值，進(jìn)而能間接地限制和調(diào)節(jié)相電流，因此既能用于高速調(diào)速系統(tǒng)，又能用于低速調(diào)速系統(tǒng)。電壓PWM控制法雖然簡(jiǎn)單，但調(diào)速范圍較小。其它特點(diǎn)則與電流斬波控制方式相反，它適合于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，缺點(diǎn)是低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。 在對(duì)SRM的機(jī)理和控制策略進(jìn)行闡述后，針對(duì)設(shè)計(jì)樣機(jī)，將采用PWM的控制方式，采用速度反饋閉環(huán)和電流反饋閉環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，并且能夠運(yùn)用DSP軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。3.4 單相起動(dòng)方式在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中，任一瞬

44、時(shí)，SR電機(jī)的繞組只有一相繞組通電產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這種起動(dòng)方式便稱(chēng)之為單相起動(dòng)方式。顯然，轉(zhuǎn)子處于不同的位置，并且給不同的相通電，所獲得的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小及方向都是不一樣的。如圖3.2所示，將各相轉(zhuǎn)子的位置角的參考坐標(biāo)統(tǒng)一取在A相最小電感處，將A, B, C, D四相繞組通電的矩角特性畫(huà)在一起。圖3.2 單相起動(dòng)運(yùn)行四相SR電動(dòng)機(jī)合成轉(zhuǎn)矩波形由上圖不難看出，各相轉(zhuǎn)矩曲線互相重疊，在任意轉(zhuǎn)子位置上都有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置不同，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小也不一樣。假設(shè)A,D相中相繞組導(dǎo)通產(chǎn)生的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相同，且此時(shí)為正向轉(zhuǎn)矩，電機(jī)為正轉(zhuǎn)向，如要改變電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)向，應(yīng)給B, C相中任一相繞組通電，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。由圖可

45、知這種單相起動(dòng)方式的最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為相鄰兩相矩角特性交點(diǎn)處的轉(zhuǎn)矩，顯然，加在SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須小于最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)才可能在任意位置都能起動(dòng)，否則便會(huì)出現(xiàn)“起動(dòng)死區(qū)”。因此，最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩代表了SR電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載起動(dòng)能力的極限。電動(dòng)機(jī)的最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩值不僅與起動(dòng)電流、相鄰相繞組矩角特性重疊有關(guān)，而且與矩角特性的波形有關(guān)。3.5 雙相起動(dòng)方式 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中，任一瞬時(shí)，SR電機(jī)的繞組會(huì)有兩相同時(shí)通電，這種起動(dòng)方式便稱(chēng)之為雙相起動(dòng)方式。如果起動(dòng)時(shí)SR電機(jī)兩相繞組同時(shí)導(dǎo)通，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩由兩相繞組共同產(chǎn)生。忽略相間磁禍合和磁路飽和的影響，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可根據(jù)各相矩角特性線形相加，如圖3.3。圖3.

46、3 雙相起動(dòng)運(yùn)行四相SR電動(dòng)機(jī)合成轉(zhuǎn)矩波形顯然 ，采用雙相起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯減小，平均轉(zhuǎn)矩增大，兩相起動(dòng)時(shí)的最小轉(zhuǎn)矩等于一相起動(dòng)時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩。與單相起動(dòng)方式相比，帶負(fù)載起動(dòng)能力明顯增強(qiáng)了。而且，兩相起動(dòng)方式的最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比值減小，所以起動(dòng)過(guò)程較平穩(wěn)。再者，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，雙相起動(dòng)的電流幅值明顯小于單相起動(dòng)的電流幅值，降低了主開(kāi)關(guān)管的電流容量要求，減少了系統(tǒng)成本。在任意轉(zhuǎn)子位置，兩相起動(dòng)的轉(zhuǎn)矩均比較一致，產(chǎn)生的電流沖擊和機(jī)械沖擊比較小，起動(dòng)性能明顯優(yōu)于一相起動(dòng)。通過(guò)以上對(duì)電機(jī)起動(dòng)方式的分析可見(jiàn)，雙相起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，對(duì)于提高電機(jī)的容量，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)有著重要意義。同時(shí)，對(duì)于單邊磁拉

47、力引起的噪聲也有一定的降低，對(duì)于本設(shè)計(jì)的四相電機(jī)來(lái)說(shuō)，若在運(yùn)行中有兩相繞組同時(shí)通電，則相當(dāng)于一相繞組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的單邊磁拉力分解成不同圓周角度上的兩部分力，故而對(duì)徑向磁拉力引起的噪聲的降低也有一定的貢獻(xiàn)。第4章 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立4.1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 建立SR電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的主要困難在于電動(dòng)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(dòng)機(jī)的性能，但卻很難進(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(gè)精確的數(shù)學(xué)模型，但是計(jì)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(shí)不得不在實(shí)用與理想之間尋求一種折衷的處理方法。4.1.1建立模型常用的方法 目前人們

48、針對(duì)電機(jī)磁鏈的變化，常采用以下幾種方法來(lái)建立模型口： (a)理想線性模型 若不計(jì)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(wú)關(guān)，且不考慮磁場(chǎng)邊緣擴(kuò)散效應(yīng)，可用SR電動(dòng)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(shí)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

49、同的解析式來(lái)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(shí)，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(kāi)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(dòng)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(jiǎn)單的解析表達(dá)式來(lái)表示，因此很難建立精確可解的數(shù)學(xué)模型。 (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(lái)擬合磁鏈的變化規(guī)律將是一項(xiàng)

50、很困難的工作。且針對(duì)一般擬合的函數(shù)，繞組的電流、電感等是也無(wú)法用簡(jiǎn)單的解析表達(dá)式來(lái)進(jìn)行表示。 (d)查表法該方法是把實(shí)測(cè)或計(jì)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(jì)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(wèn)題。4.1.2 SR電機(jī)的方程 SR電動(dòng)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(méi)有什么區(qū)別，對(duì)于m相SR電動(dòng)機(jī)，若不計(jì)磁滯、渦流及繞組間互感時(shí)，可列出如圖4.1所示的一對(duì)電端口和一對(duì)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)示

51、意圖 圖中，表示電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，為SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，代表粘性摩擦系數(shù)，表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 建立SR電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)，為了簡(jiǎn)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(jì)磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)； (2)在一個(gè)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(shí)轉(zhuǎn)速為。 下面分別針對(duì)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(lái)說(shuō)，SR電動(dòng)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

52、函數(shù)，即： （4.1）由于SR電動(dòng)機(jī)各相之間的互感相對(duì)自感來(lái)說(shuō)甚小，為了便于計(jì)算，一般忽略相間互感，因此，磁鏈方程也可簡(jiǎn)寫(xiě)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(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。（2）電壓方程由基爾霍夫定律可列寫(xiě)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(shì)作用之和，故第k相繞組電壓方程： （4.3）將4.2代入上式可得： （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(dòng)勢(shì)，所以稱(chēng)

53、為變壓器電動(dòng)勢(shì)；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(dòng)勢(shì)，所以稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)，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(dòng)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(dòng)方程： （4.5） 以上分別從電端口、機(jī)械端口列寫(xiě)了系統(tǒng)方程，兩者是通過(guò)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(dòng)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(dòng)機(jī)中的電磁及力學(xué)關(guān)系，但由于及難以解析，實(shí)用起來(lái)卻很麻煩，因此，往往必須根據(jù)具體電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及所要求的精確程度加以適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。4.2 SR電機(jī)系統(tǒng)的線性分析4.2.1電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系分析 影響

54、SRD運(yùn)行特性最主要因素是SR電動(dòng)機(jī)的相電流波形、電流的峰值以及電流峰值出現(xiàn)的位置。由于SR電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是磁阻性質(zhì)的，又是雙凸極結(jié)構(gòu)，其磁路是非線性的，加上運(yùn)行時(shí)的開(kāi)關(guān)性和可控性，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系十分復(fù)雜。雖然求解上節(jié)導(dǎo)出的非線性偏微分方程式(4.4)可得的精確解，但式(4.4)沒(méi)有解析解，只有數(shù)值解，很難計(jì)算。為弄清電機(jī)內(nèi)部的基本電磁關(guān)系，有必要從簡(jiǎn)化的線性模型，也就是上節(jié)所說(shuō)的理想線性模型開(kāi)始進(jìn)行分析研究，若不計(jì)電動(dòng)機(jī)磁路飽和的影響，假定相繞組的電感與電流的大小無(wú)關(guān)，且不考慮磁場(chǎng)邊緣擴(kuò)散效應(yīng)，這時(shí)，相繞組的電感隨轉(zhuǎn)子位置角周期性變化的規(guī)律可用圖4.2說(shuō)明。圖4.2電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系 圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角(機(jī)械角)，它的基準(zhǔn)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，對(duì)應(yīng)于定子槽中心線與轉(zhuǎn)子凹槽中心線對(duì)齊的位置，這時(shí)相電感為最小值；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)半個(gè)極距時(shí)，該相定、轉(zhuǎn)子凸極中心完全對(duì)齊，這時(shí)相電感為最大值。隨著定、轉(zhuǎn)子磁極重疊部分的增加和減少，相電感則在和之間線性地上升和下降，的變化的頻率正比于轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)，變化的周期即為極距的大小，其中，為轉(zhuǎn)子相鄰兩極之間的機(jī)械角度，對(duì)于本系統(tǒng)所研究的8/6極SR電機(jī)極距的大小為。由圖中，可以得到“理想化”的線性SR電動(dòng)機(jī)電感的分段線性方程，其繞組電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系如下： =