畢業(yè)設(shè)計(jì)--開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的輸出電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　xx畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書</p><p>　　學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：電氣工程系</p><p>　學(xué)號(hào)xx學(xué)生姓名xx專 業(yè)班 級(jí)應(yīng)電09-3</p><p>　題目題目名稱開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的輸出電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2、</p><p>　題目性質(zhì)1.理工類：工程設(shè)計(jì) （√ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）。2.文管類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術(shù)類（ ）。</p><p>　題目類型1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（ √ ） 2.論文（ ）</p><p>　題目來源科研課題（ ）

3、 生產(chǎn)實(shí)際（ ）自選題目（ √ ） </p><p>　主要內(nèi)容1、學(xué)習(xí)和掌握開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）的結(jié)構(gòu)和工作原理。2、了解和掌握開關(guān)磁阻電機(jī)母線電壓控制系統(tǒng)的構(gòu)成和各個(gè)環(huán)節(jié)以及設(shè)計(jì)。3、學(xué)會(huì)用Matlab軟件，并進(jìn)行開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的運(yùn)行仿真。4、進(jìn)行開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)輸出電壓控制的設(shè)計(jì)。6、使用Matlab，編寫和調(diào)試開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的輸出電壓控制系統(tǒng)</p><p>　基本要求

4、1、按電氣工程學(xué)院本科生學(xué)位論文撰寫規(guī)范的要求完成設(shè)計(jì)論文一份（不少于2.4萬字），A0圖紙。2、說明書及插圖一律打印，要求條理清晰、文筆流暢、圖形及文字符號(hào)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。3、按學(xué)院指定的地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照進(jìn)度計(jì)劃完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。</p><p>　參考資料電機(jī)學(xué)開關(guān)磁阻電機(jī)相關(guān)書籍和論文MATLAB編程手冊(cè)電力電子技術(shù)</p><p>　周 次1—4周5—8周9—11周12—1

5、5周16—17周</p><p>　應(yīng)完成的內(nèi)容查閱資料，學(xué)習(xí)理論知識(shí)。了解題目概況、工作原理及系統(tǒng)組成了解和設(shè)計(jì)開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)。了解和掌握輸出電壓控制方法。利用MATLAB軟件對(duì)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析進(jìn)行開關(guān)磁阻電機(jī)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</p><p>　指導(dǎo)教師：李珍國(guó)職稱：副教授 年 月 日系級(jí)教學(xué)單位審批：年

6、 月 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有穩(wěn)固、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、工作可靠、成本低廉、系統(tǒng)可靈活控制、調(diào)速性能優(yōu)良、運(yùn)行效率較高、溫度上升低等多個(gè)有點(diǎn)，他綜合了交流變頻調(diào)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(diào)速系統(tǒng)關(guān)于優(yōu)良的可控制性的特點(diǎn)，被專家視為電氣傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展過程中的一個(gè)里程碑。&l

7、t;/p><p>　　開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（SRG）的定子磁極和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁極上既沒有纏繞線圈，也不是永磁鐵。因此和其它電機(jī)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固、轉(zhuǎn)矩慣性比高以及調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、牽引和家用電器等領(lǐng)域。然而在中低速下的發(fā)電階段期間電機(jī)的運(yùn)動(dòng)電勢(shì)有可能會(huì)低于發(fā)電電壓，從而使電機(jī)利用率和轉(zhuǎn)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

8、再搭建電壓閉環(huán)。本文利用MATLAB軟件對(duì)一臺(tái)三相12/8極SRG進(jìn)行仿真，并求取和分析數(shù)據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞　開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)；電流斬波；電壓閉環(huán)；MATLAB仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Switched reluctance motor control system with a

9、 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 syst

10、em such as stable and durable, more suitable for harsh environment 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 sy

11、stem.</p><p>　　The stator poles and rotor poles of the Switched Reluctance Generator (SRG) are all salient pole shape, and only on the stator pole has concentrated coil around, there's not only coil wind

12、ing 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 aviati

13、on, traction, and home appliances.However, the motor's electric potential of movement may be</p><p>　　Keywords　Switched Reluctance Generator; Current chopping; Voltage loop; MATLAB simulation</p>

14、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1

15、.1.1 選題目的和意義1</p><p>　　1.1.2 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述2</p><p>　　1.1.3 研究的基本內(nèi)容3</p><p>　　第2章 開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理4</p><p>　　2.1 開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)4</p><p>　　2.2 開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理5</p>

16、;<p>　　2.3 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電狀態(tài)的工作特點(diǎn)6</p><p>　　2.3.1 開關(guān)磁阻電機(jī)的有效發(fā)電條件6</p><p>　　2.3.2 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的自然輸出特性7</p><p>　　2.3.3 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的等效模型8</p><p>　　2.3.4 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的特點(diǎn)9<

17、;/p><p>　　2.4 本章小結(jié)9</p><p>　　第3章 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的方程及其數(shù)學(xué)模型10</p><p>　　3.1 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的方程10</p><p>　　3.1.1 電壓方程10</p><p>　　3.1.2 磁鏈方程11</p><p>　　3.1.3 機(jī)械運(yùn)

18、動(dòng)方程11</p><p>　　3.1.4 轉(zhuǎn)矩方程12</p><p>　　3.1.5 電動(dòng)勢(shì)平衡方程12</p><p>　　3.2 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型12</p><p>　　3.2.1 相電感的數(shù)學(xué)模型14</p><p>　　3.2.2 相磁鏈的數(shù)學(xué)模型15</p><p

19、>　　3.3 本章小結(jié)16</p><p>　　第4章 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)17</p><p>　　4.1 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱功率變換器17</p><p>　　4.1.1 自勵(lì)模式17</p><p>　　4.1.2 他勵(lì)模式17</p><p>　　4.1.3 不對(duì)稱功率變換器的工作狀態(tài)

20、18</p><p>　　4.2 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的控制方式19</p><p>　　4.2.1 角度位置控制（APC）20</p><p>　　4.2.2 電流斬波控制（CCC）21</p><p>　　4.2.3 脈寬調(diào)制控制（PWM）22</p><p>　　4.3 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓控制系統(tǒng)23<

21、;/p><p>　　4.3.1 穩(wěn)壓裝置23</p><p>　　4.3.2 滯環(huán)控制器24</p><p>　　4.3.3 電壓指令發(fā)生器25</p><p>　　4.4 本章小結(jié)26</p><p>　　第5章 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)輸出電壓控制系統(tǒng)的仿真27</p><p>　　5.1 仿真

22、參數(shù)的設(shè)置27</p><p>　　5.2 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)線性模型仿真27</p><p>　　5.2.1 相電感仿真模型28</p><p>　　5.2.2 相電流控制仿真模型28</p><p>　　5.2.3 不對(duì)稱功率變換器仿真模型30</p><p>　　5.2.4 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的典型的仿真模型

23、31</p><p>　　5.3 本章小結(jié)40</p><p><b>　　結(jié)論41</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)42</b></p><p><b>　　致謝44</b></p><p>　　附錄1 開題報(bào)告45</p&

24、gt;<p>　　附錄2 文獻(xiàn)綜述49</p><p>　　附錄3 中期報(bào)告52</p><p>　　附錄4 中文譯文63</p><p>　　附錄5 外文原文68</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景<

25、;/b></p><p>　　1842年在英國(guó)研制出了類似SR電機(jī)的電磁制動(dòng)機(jī)，但是由于當(dāng)時(shí)條件的限制并未得到發(fā)展，直至20世紀(jì)60年代，隨著晶閘管的使用，SR電機(jī)重新煥發(fā)新生。20世紀(jì)70年代，美國(guó)福特電動(dòng)機(jī)公司研制出最早的SR電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。至20世紀(jì)80年代，迅猛發(fā)展為新一代的調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前，SR電機(jī)在國(guó)外已經(jīng)得到很大的發(fā)展，產(chǎn)品已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、家用電器、通用工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)

26、、牽引電機(jī)、高轉(zhuǎn)速電機(jī)等【1】。</p><p>　　我國(guó)從1984年開始，以較高的起點(diǎn)開始SR電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究、開發(fā)工作，目前已經(jīng)研制了50W~30kW、20多個(gè)規(guī)格的工業(yè)產(chǎn)品樣機(jī)，國(guó)內(nèi)關(guān)于SRD研究的書刊也相繼出版。近幾年來南京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)對(duì)開關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在航空應(yīng)用進(jìn)行了可行性研究，在基礎(chǔ)理論方面對(duì)起動(dòng)特性和發(fā)電品質(zhì)及強(qiáng)勵(lì)磁拓?fù)潆娐?、發(fā)電控制策略、無轉(zhuǎn)子位置傳感器技術(shù)控

27、制策略等方面進(jìn)行了專題研究；在工程實(shí)踐上，南京航空航天大學(xué)開發(fā)了3kW和6kW兩套原理樣機(jī)，電機(jī)采用的是風(fēng)冷形式。不過在大功率方面的研究還很少，僅有原理樣機(jī)方面的仿真。目前，南京航空航天大學(xué)與陜西航空電氣有限責(zé)任公司正在進(jìn)行合作，正在研發(fā)大功率的開關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。但是我國(guó)SR電機(jī)的理論研究與實(shí)際應(yīng)用中仍存在很大不足，與世界先進(jìn)國(guó)家之間仍有很大差距【2】。</p><p>　　1.1.1 選題目的和意義 &

28、lt;/p><p>　　開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)和其他的發(fā)電機(jī)相比較具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它的定、轉(zhuǎn)子均是簡(jiǎn)單的疊片式雙凸極結(jié)構(gòu)，定子上繞有集中繞組，而轉(zhuǎn)子上沒有繞組和磁鋼，電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低僅僅受到轉(zhuǎn)子所用材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，因此電機(jī)可以在很高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，并且冷卻方便，因此對(duì)高溫等惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；</p><p>　　具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，電機(jī)的定子各相

29、繞組之間在物理結(jié)構(gòu)以及電磁方面都是相互獨(dú)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；</p><p>　　具有良好的調(diào)節(jié)性能，通過調(diào)節(jié)它的開通角和關(guān)斷角，可以在轉(zhuǎn)速大幅度變化的情況下調(diào)節(jié)輸出來滿足負(fù)載要求；</p><p>　　可以做成轉(zhuǎn)速很高的發(fā)電裝置，從而能夠達(dá)到很高的能流密度；</p><p>　　能夠比較方便地實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間

30、的雙向轉(zhuǎn)換，可以作為起動(dòng)/發(fā)電機(jī)使用；</p><p>　　輸出的電能為脈沖直流電，非常適合用于蓄電池貯存電能。</p><p>　　這些特點(diǎn)的存在使得開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在航空、航天以及船舶等以發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的較高性能、遠(yuǎn)航程運(yùn)動(dòng)載體中，可以用作發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)和主要電源發(fā)電系統(tǒng)，并且在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域取得一席之地【3】。</p><p>　　通過對(duì)于本課題的研究，可以為開

31、關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)，有利于提高開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在飛機(jī)、艦船和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域獲得更為廣泛的應(yīng)用有著重要意義。</p><p>　　1.1.2 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)作為一種新型調(diào)速電機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最新一代無極調(diào)速系統(tǒng)。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（SRD

32、）由開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM或SR電機(jī)）、功率變換器、控制器和檢測(cè)器四個(gè)部分組成，控制器內(nèi)包含控制電路與功率變換器，而轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器則安裝在電機(jī)的一端【1】【2】。</p><p>　　目前調(diào)節(jié)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的輸出電壓主要靠調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，主要的控制</p><p>　　方法有：角度位置控制（APC)、電流斬波控制(CCC)、PWM控制。</p><p>　　CCC控制方

33、案能夠確保變換器的可靠工作，同時(shí)減小了相電流對(duì)于開關(guān)管的沖擊，能夠有效的實(shí)現(xiàn)低脈動(dòng)的恒壓發(fā)電。PWM控制方式的調(diào)節(jié)周期是PWM信號(hào)的周期,它的調(diào)節(jié)周期比CCC控制方式短,而且占空比和勵(lì)磁電流具有很好的線性關(guān)系,可控性良好,尤其是在低速時(shí)它的控制特性優(yōu)于CCC控制方式;但是由于開關(guān)頻率快,在大功率時(shí)它的開關(guān)損耗大,從而降低了系統(tǒng)的效率,因此PWM控制方式在轉(zhuǎn)速變化范圍大時(shí)以及中、小功率場(chǎng)合能夠體現(xiàn)出它的特殊的優(yōu)勢(shì)。目前，美國(guó)已經(jīng)成功的將開

34、關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)應(yīng)用到航空航天方面，并且將它應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)中。而在我國(guó)關(guān)于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電方面的研究也取得了比較高的成績(jī)【4】。</p><p>　　同時(shí)，在對(duì)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)電機(jī)的仿真、設(shè)計(jì)理論和磁場(chǎng)數(shù)值分析等方面也做了許多工作。建立了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。建立了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的MATLAB/SIMULINK仿真模型，利用MATLAB軟件對(duì)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)進(jìn)行了綜合仿真【5】。</p>

35、<p>　　由于它具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能較優(yōu)異，而且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率，系統(tǒng)的可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，SRD產(chǎn)品已經(jīng)廣泛或者開始應(yīng)用于機(jī)床設(shè)備、泵類負(fù)載、油田、紡織設(shè)備、家用電器、電動(dòng)車與驅(qū)動(dòng)、煤炭工業(yè)、高速運(yùn)行應(yīng)用場(chǎng)合等。此外，由于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)易于維護(hù)，可以工作在某些惡劣的環(huán)境下，因此其在風(fēng)力發(fā)電中得到廣泛應(yīng)用【5】。</p><p>　　1.1.3 研究的基本內(nèi)容</

36、p><p>　　1、學(xué)習(xí)和掌握開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）的結(jié)構(gòu)和工作原理。</p><p>　　2、了解和掌握開關(guān)磁阻電機(jī)母線電壓控制系統(tǒng)的構(gòu)成和各個(gè)環(huán)節(jié)以及設(shè)計(jì)。</p><p>　　3、學(xué)會(huì)用MATLAB軟件，并進(jìn)行開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的運(yùn)行仿真。</p><p>　　4、進(jìn)行開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)輸出電壓控制的設(shè)計(jì)。</p><p>

37、　　5、使用MATLAB，編寫和調(diào)試開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的輸出電壓控制系統(tǒng)。</p><p>　　第2章 開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　2.1 開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu) </p><p>　　SRG采用的是雙凸極結(jié)構(gòu)，它的定子和轉(zhuǎn)子都是由普通的硅鋼片疊壓而成的。轉(zhuǎn)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(duì)的兩個(gè)繞組可以串聯(lián)在一起或者并聯(lián)在

38、一起，它們稱為“一相”。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)可以設(shè)計(jì)成多種類不同相數(shù)的結(jié)構(gòu)，而且定子和轉(zhuǎn)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(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示【1】【2】【3】。</p><p>　　圖2-1 開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)由雙凸極磁阻電機(jī)、功率變換器、轉(zhuǎn)子位置傳感

39、器（或非直接位置檢測(cè)器）和控制器組成【7】。</p><p>　　磁阻電機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換的核心部件。而功率變換器對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能具有至關(guān)重要的作用，它主要具有兩個(gè)方面的作用：</p><p>　　連接直流電源或者整流電路與電機(jī)繞組，為機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能提供足夠的勵(lì)磁，同時(shí)通過對(duì)于開關(guān)的控制來實(shí)現(xiàn)不同的控制目標(biāo)；</p><p>　　2、連接電機(jī)繞組與負(fù)載或

40、者電網(wǎng)，為電機(jī)繞組提供儲(chǔ)能的回饋電路?？刂破飨喈?dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的大腦，它依據(jù)接收到的各種檢測(cè)信號(hào)，起著決策和指揮的作用。而位置傳感器的作用是負(fù)責(zé)捕獲位置信號(hào)，它是開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的自同步運(yùn)行與系統(tǒng)控制的重要基礎(chǔ)。以上的各個(gè)部分相輔相成，構(gòu)成了一個(gè)有機(jī)的整體，共同完成著磁阻電機(jī)的發(fā)電功能。</p><p>　　2.2 開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理</p><p>　　SRG的工作原理遵循“磁阻最小原理”

41、—磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)SRG旋轉(zhuǎn)，在適當(dāng)?shù)奈恢媒o某相通電，轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極不重合，便會(huì)有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩相反的阻力矩使其趨向于磁阻最小的位置，即轉(zhuǎn)子凸極中心與定子磁極軸線對(duì)齊的位置，同時(shí)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成磁能儲(chǔ)存在磁場(chǎng)中；在適當(dāng)?shù)奈恢媒o此相斷電，儲(chǔ)存在磁場(chǎng)中的磁能便釋放出來，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能為媒介的機(jī)電能量轉(zhuǎn)化過程。用同樣的方法給下一相通電，連續(xù)不斷地按

42、照順序給電機(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【8】。</p><p>　　圖2-2 開關(guān)磁阻電機(jī)一相電路原理圖</p><p>　　圖2-2是一臺(tái)12∕8極SR電機(jī)結(jié)構(gòu)和一相電路的示意圖，定子有3相，每相2對(duì)極，共12個(gè)極，即12組繞組。轉(zhuǎn)子有8個(gè)極。Ta1、Ta2是A相主開關(guān)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(zhuǎn)

43、子呈雙凸極形狀，極數(shù)不相等，都由疊片構(gòu)成。轉(zhuǎn)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(jié)合的形式在各極上得到徑磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子帶有位置檢測(cè)器以提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，使定子繞組按一定的順序通斷，保持電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。電機(jī)每相繞組遇到的磁阻隨著轉(zhuǎn)子磁極的中心線與定子磁極的中心線對(duì)準(zhǔn)或錯(cuò)開而變化，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極中心線與定子磁極中心線重合時(shí)，相繞組電感最大，當(dāng)轉(zhuǎn)子槽中心線對(duì)準(zhǔn)定子磁極中心線時(shí)，相繞組電感最小。其他相電路與此類似【9】。</p&g

44、t;<p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行和電動(dòng)運(yùn)行兩者從本質(zhì)上看都是開關(guān)磁阻電機(jī)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(lì)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的開關(guān)時(shí)刻，可以使開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)或發(fā)電的工作狀態(tài)。</p><p>　　2.3 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電狀態(tài)的工作特點(diǎn)</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行

45、時(shí)具有一定的特殊性，由于開關(guān)磁阻電機(jī)的本體只有定子繞組，其中勵(lì)磁繞組和電樞繞組合二為一。由此可見，開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行的本質(zhì)與一般的發(fā)電機(jī)不一樣，它的勵(lì)磁過程和發(fā)電過程是作為周期性分時(shí)控制的。這也是開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行的實(shí)際控制的特殊性。</p><p>　　2.3.1 開關(guān)磁阻電機(jī)的有效發(fā)電條件</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行時(shí)其輸出的功率是發(fā)電功率和勵(lì)磁功率的差，為了

46、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</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　進(jìn)入發(fā)電區(qū)域后，勵(lì)磁電流的大小能夠反映勵(lì)磁的強(qiáng)度，也能夠反映儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的大小，通過對(duì)于勵(lì)磁電流的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于發(fā)電過程的控制。</p><p>　　當(dāng)它的勵(lì)磁電流不變時(shí)，如果轉(zhuǎn)速ω過低，則有L（di/dt

47、)<0，產(chǎn)生的電流將下降，并且下降的將越來越快。如果轉(zhuǎn)速過高，則運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)將大于反相電壓，L（di/dt)>0,發(fā)電階段的相電流將上升。因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)有效的發(fā)電運(yùn)行，需要在發(fā)電區(qū)域的起始處滿足</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中：Ic為勵(lì)磁電流。</p><p>　　式（2-2）為發(fā)電運(yùn)行的

48、有效條件，其中的勵(lì)磁電流越大，并且轉(zhuǎn)速越高，則它的發(fā)電的出力也越大，所以發(fā)電運(yùn)行的效率也就越高。</p><p>　　2.3.2 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的自然輸出特性</p><p>　　實(shí)際上，處于控制參數(shù)不變的情況下，勵(lì)磁電流Ic也會(huì)受到電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，勵(lì)磁電流為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><

49、;p>　　其中：θw為t2對(duì)應(yīng)的位置。</p><p>　　從式（2-3）中可以看到，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低時(shí)，則Ic越大，說明在低速的時(shí)候電機(jī)比較容易勵(lì)磁，式（2-3）用角度的方式來表示可以得到</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　由式（2-4）可以得到：當(dāng)轉(zhuǎn)速越低時(shí)，則發(fā)電區(qū)的電流值就越大，因?yàn)楫?dāng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和外

50、加的電壓一定的時(shí)候，發(fā)電運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)的大小就取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也取決于勵(lì)磁電流的大小Ic。式（2-4）說明了開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行在低速的時(shí)候容易出力，這就是它的自然特性，也是開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)之一。然而以上的結(jié)論都是從電機(jī)的線性模型分析而得到的，在實(shí)際的工作情況下，必須要考慮電機(jī)鐵芯的飽和因素。當(dāng)勵(lì)磁的強(qiáng)度達(dá)到一定的程度的時(shí)候，鐵芯進(jìn)入飽和的工作狀態(tài)，將會(huì)減小，此時(shí)將會(huì)影響到發(fā)電。在開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電的實(shí)際運(yùn)行的過程中，

51、由于存在的一些外界的制約因素，發(fā)電的勵(lì)磁強(qiáng)度總是受到限制。從這個(gè)角度看，開關(guān)磁阻電機(jī)的速度越高就會(huì)越有利于它的發(fā)電運(yùn)行，低速發(fā)電的時(shí)候效率會(huì)偏低。</p><p>　　2.3.3 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的等效模型</p><p>　　根據(jù)相電流的解析線性分析，可以推導(dǎo)出來關(guān)于開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)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(gè)同時(shí)可以表示為</p&

52、gt;<p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　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θon、關(guān)斷角θoff以及電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)都有關(guān)，開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行時(shí)的工作特點(diǎn)使得它的輸出可以等效為一個(gè)電流源，如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 一相繞組等效電路圖</p><p>　　由于

53、電流源具有內(nèi)阻大、易于并聯(lián)等特性，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)更為靈活。對(duì)于開關(guān)磁阻電機(jī)來說，從自啟動(dòng)的能力和能否正反轉(zhuǎn)等方面來考慮，其相數(shù)m≥3，且一般都滿足</p><p><b>　　（2-6）</b></p><p>　　式中：Zs——定子的齒極數(shù)；</p><p>　　Zr——為轉(zhuǎn)子的齒極數(shù)。</p><p>　　對(duì)于多相

54、的開關(guān)磁阻電機(jī)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(guān)磁阻電機(jī)具有很高的容錯(cuò)性，綜合以上的考慮選擇三相12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)，可能夠?qū)崿F(xiàn)啟動(dòng)/發(fā)電的功能。</p><p>　　開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行輸出的是脈沖電能，它的勵(lì)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。</p><p>　　2.

55、3.4 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的特點(diǎn)</p><p>　　通過對(duì)于開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行的過程的分析，能夠得到它的發(fā)電運(yùn)行具有的以下幾個(gè)特點(diǎn)：</p><p>　　由于開關(guān)磁阻電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組共同使用同一套繞組，它的勵(lì)磁和發(fā)電過程必須采用周期性分時(shí)控制。它的發(fā)電過程本身不能直接進(jìn)行控制，只能夠通過對(duì)于勵(lì)磁過程的調(diào)節(jié)，來控制發(fā)電量的輸出。而且在低速的時(shí)候發(fā)電輸出的動(dòng)態(tài)性能會(huì)比較差，而且

56、隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)輸出的動(dòng)態(tài)性能會(huì)越來越好。</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)的每相的繞組可以等效為一個(gè)電流源的輸出，，相與相間的并聯(lián)比較容易實(shí)現(xiàn)，它的結(jié)構(gòu)多種多樣。發(fā)電運(yùn)行同樣能夠工作在缺相的狀態(tài)，具有良好的容錯(cuò)性，因此發(fā)電運(yùn)行具有很高的可靠性，優(yōu)于其它種類的發(fā)電機(jī)。</p><p>　　電機(jī)的發(fā)電運(yùn)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(chǔ)能裝置，例如蓄電

57、池或者是大容量的電解電容等。</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行具有比較好的調(diào)節(jié)性，它的可控參數(shù)比較多【1】。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了典型的開關(guān)磁阻電機(jī)的組成，并對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理做了詳細(xì)的描述。首先介紹了SRG的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，論述和分析了開關(guān)磁阻電機(jī)的

58、發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。最后詳細(xì)論述了開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的特點(diǎn)。</p><p>　　開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的方程及其數(shù)學(xué)模型</p><p>　　SRG運(yùn)行理論與任何電磁式機(jī)電裝置運(yùn)行理論在本質(zhì)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(xué)模型。</p><p>　　3.1 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的方程</p><p>　　3.1.1 電壓方程<

59、;/p><p>　　SRG的相繞組共有兩種工作狀態(tài)：勵(lì)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3-1所示。</p><p>　　圖3-1 一相繞組等效電路圖</p><p>　　圖3-1（a）中，開關(guān)管 Tk1、Tk2導(dǎo)通，電機(jī)繞組處于勵(lì)磁狀態(tài)，此時(shí)的狀態(tài)下相繞組的電壓方程為：</p><p><b>　　（3-1）</b

60、></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　Uk—第k相繞組的電壓；</p><p>　　Rk—第k相繞組的電阻；</p><p>　　ik—第k相繞組的電流；</p><p>　　Lk—第k相繞組的電感；</p><p><b>　

61、　θ—轉(zhuǎn)子位置角；</b></p><p>　　ω—電機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度，ω=dθ/dt。</p><p>　　圖3-1（b）中，當(dāng)開關(guān)管 Tk1、Tk2關(guān)斷，相電流通過二極管Dk1、Dk2續(xù)流，電機(jī)繞組處于發(fā)電狀態(tài)，此狀態(tài)下相繞組的電壓方程為：</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>

62、　　在電壓方程中，等式右端第一項(xiàng)為第 k 相回路中的電阻壓降；第二項(xiàng)是由相電流變化引起繞組中的磁鏈變化而感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，稱為變壓器電動(dòng)勢(shì)；第三項(xiàng)是由轉(zhuǎn)子位置角改變引起繞組中的磁鏈變化而感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，稱為運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)【9】。</p><p>　　3.1.2 磁鏈方程</p><p>　　SRG各相繞組的磁鏈?zhǔn)窃撓嗬@組的電流與自感、其余各相繞組的電流與互感以及轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。由于 SRG 各相之

63、間的互感相對(duì)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 </p><p><b>　　ψk為：</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　因?yàn)镾RG磁路的非線性，每相繞組的電感Lk是相電流ik與轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)【9】。</p><p&

64、gt;　　3.1.3 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程</p><p>　　根據(jù)力學(xué)原理，可以寫出SRG在原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　T1—原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；</b>&l

65、t;/p><p>　　Te—電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；</p><p><b>　　D—阻尼系數(shù)；</b></p><p>　　J—電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。</p><p>　　3.1.4 轉(zhuǎn)矩方程</p><p>　　SRG的電磁轉(zhuǎn)矩可以通過其磁場(chǎng)儲(chǔ)能或磁共能對(duì)轉(zhuǎn)子位置角的偏導(dǎo)數(shù)求得，即：</p><

66、;p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中：Wm′(ik,θ)—繞組的磁共能，其表達(dá)式如下：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　在對(duì)SRG性能做定性分析時(shí)，假定電機(jī)的磁路不飽和，相電感與相電流的大小無關(guān)，此時(shí)式(3-5)可以簡(jiǎn)化為：</p><

67、p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　由式(3-1)～式(3-4)以及式(3-7)可以建立SRG的數(shù)學(xué)模型【9】。</p><p>　　3.1.5 電動(dòng)勢(shì)平衡方程</p><p>　　由電路的基本定理寫出電機(jī)單相電動(dòng)勢(shì)平衡方程式：</p><p><b>　?。?-8）</b>

68、;</p><p>　　其中Us為母線電壓，i為瞬時(shí)相電流，θ為轉(zhuǎn)子位置角，R為繞組電阻，ψ( i,θ)為磁鏈，其大小與電流i和轉(zhuǎn)子位置角θ 有關(guān)。</p><p>　　式中“＋”為繞組與電源導(dǎo)通期間；“－”為繞組與電源關(guān)斷后續(xù)流期間【10】。</p><p>　　3.2 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　建立SRG的數(shù)學(xué)模型比較

69、困難，由于電機(jī)的磁路飽和、渦流、磁滯效應(yīng)等因素產(chǎn)生的非線性影響著電機(jī)的性能，所以很難進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。考慮了非線性的所有因素，雖然可以得到一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，但計(jì)算相當(dāng)繁瑣。因此，在性能分析求解數(shù)學(xué)模型時(shí)應(yīng)當(dāng)在實(shí)用和理論之間折衷處理。</p><p>　　到目前為止，主要采用四種方法建立SRG的數(shù)學(xué)模型：理想線性模型、準(zhǔn)線性模型、非線性模型和查表法。</p><p>　　理想線性模型 若不計(jì)

70、電機(jī)磁路飽和的影響，相電感與相電流的</p><p>　　大小無關(guān)，且忽略磁通的邊緣效應(yīng)以及所有的損耗，此條件下的電機(jī)模型就</p><p>　　是理想線性模型，相電感僅僅是轉(zhuǎn)子位置角的分段線性函數(shù)。</p><p>　　這種方法大大簡(jiǎn)化了電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系，可以了解電機(jī)工作的基本特</p><p>　　性和各參數(shù)間的相互關(guān)系，并作為深入探討

71、各種控制方式的依據(jù)。但求解的</p><p>　　誤差較大，精度較低。</p><p>　　準(zhǔn)線性模型 為了避免繁瑣的計(jì)算，又近似考慮磁路的飽和效應(yīng)，</p><p>　　可以將實(shí)際的非線性磁化曲線進(jìn)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</p><p>　　段，另一段為飽和

72、段。</p><p>　　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</p><p>　　夠解析計(jì)算，具有一定的精度。但精確性仍然較差，計(jì)算誤差同樣不盡人意。</p><p>　　非線性模型 針對(duì)不同的相電流值，計(jì)算得到相電感曲線，再</p><p>　　結(jié)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(zhuǎn)子位置角的

73、</p><p><b>　　函數(shù)。</b></p><p>　　這種方法相對(duì)于理想線性模型和準(zhǔn)線性模型，精度大大提高，具有精確、</p><p>　　高效、實(shí)用的特點(diǎn)，特別適合于仿真研究和實(shí)時(shí)控制。</p><p>　　查表發(fā) 把實(shí)測(cè)或計(jì)算所得的相同相電流、相同位置角間隔的電機(jī)磁鏈特性數(shù)據(jù)ψ(i,θ)反演為相同磁鏈、

74、相同位置角間隔的相電流特性數(shù)據(jù)i(ψ,θ)，以及轉(zhuǎn)矩特性數(shù)據(jù)Te(i，θ)以表格的形式存入計(jì)算機(jī)中，然后用查表法來求解電機(jī)模型。</p><p>　　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</p><p>　　態(tài)問題【9】【11】。</p><p><b>　　本文采用線性模型。</b></p><p

75、>　　由于電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系十分復(fù)雜，故難以對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行有效的分析。為了簡(jiǎn)化分析過程，弄清開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部的基本電磁關(guān)系和基本特性，現(xiàn)做如下必要的假設(shè)：</p><p>　　不計(jì)電動(dòng)機(jī)磁路飽和，繞組電感L與繞組電流i無關(guān)</p><p>　　極間的磁通邊緣效應(yīng)忽略不計(jì)</p><p><b>　　忽略所有的功率損耗</b>&l

76、t;/p><p><b>　　開關(guān)動(dòng)作瞬時(shí)完成</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω 是常數(shù)</p><p>　　在上述的假設(shè)條件下，建立了開關(guān)磁阻電機(jī)的理想線性模型。</p><p>　　3.2.1 相電感的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　圖3-2 相電感線性模型</p>&l

77、t;p>　　SRG在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，θ1為轉(zhuǎn)子凸極的前沿與定子磁極的后沿相遇的位置。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過θ1后，相電感開始線性上升至θ2，θ2為轉(zhuǎn)子凸極前沿與定子磁極前沿重疊處，這時(shí)轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極完全疊，相電感變?yōu)樽畲笾?Lmax。基于電機(jī)綜合性能的考慮，其轉(zhuǎn)子極弧βr通常要求大于定子極弧βs，因此在θ2～θ3區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極全部重疊，相電感保持在最大值 Lmax。θu為轉(zhuǎn)子凸極中心與定子磁極軸線對(duì)齊的位置，稱為對(duì)

78、齊位置。θ3為轉(zhuǎn)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，直到θ4處降為最小值 Lmin，θ4為轉(zhuǎn)子凸極后沿與定子磁極前沿重合處。在θ4～θ5區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極不相重疊，電感保持最小值 Lmin不變。θa為轉(zhuǎn)子凹槽中心與定子磁極軸線重合的位置，稱為不對(duì)齊位置。θ5與θ1位置相同，如此周而復(fù)始，往復(fù)循環(huán)。相電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化關(guān)系如圖3-2所示【1】【9】。</p><p>　　由圖3

79、-2所示理想電感模型，在相電感的一個(gè)周期θ1～θ5內(nèi)，可以將相電感分成四段，則相電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系式可以表示為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　K=(Lmax?Lmin)/(θ2?θ1)=(Lmax?Lmin)/βs；</p>

80、<p>　　Lmin—相電感最小值；</p><p>　　Lmax—相電感最大值；</p><p><b>　　βs—定子極弧。</b></p><p>　　3.2.2 相磁鏈的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)由恒定直流電源Us供電時(shí)，忽略繞組電阻壓降iR，則式（3-8）可簡(jiǎn)化為：</p&

81、gt;<p><b>　　（3-10）</b></p><p>　　式中＋Us為繞組勵(lì)磁階段的外加電壓，－Us為主開關(guān)管關(guān)斷后續(xù)流階段所加電壓。</p><p>　　根據(jù)初始條件ψ0=0。則ψo(hù)ffmax=ψ，磁鏈分段線性解析式為：</p><p><b>　?。?-11）</b></p>&l

82、t;p>　　式中θon、θoff分別表示開通角和關(guān)斷角。</p><p>　　由式(3-11)可見，在某一轉(zhuǎn)速度下，通電時(shí)相繞組磁鏈將以一恒定比率Us/ω隨導(dǎo)通角增加而增加；在關(guān)斷瞬間，即θ＝θoff處，磁鏈獲得最大值ψmax；關(guān)斷后，磁鏈則以恒定比率Us/ω下降，如圖3-3所示【11】。</p><p>　　圖3-3 磁鏈線性模型</p><p><b

83、>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要講述了開關(guān)磁阻電機(jī)的各個(gè)方程，從開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行的勵(lì)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(dǎo)出了相關(guān)的磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程、電動(dòng)勢(shì)平衡方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，為開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立創(chuàng)造條件。從開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行的勵(lì)磁階段和發(fā)電階段的工作狀態(tài)研究了它的各個(gè)方面的線性模型，并由此建立了相電感、磁鏈、轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型，為

84、以后的研究創(chuàng)造條件。</p><p>　　第4章 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)</p><p>　　4.1 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱功率變換器</p><p>　　SRG的不對(duì)稱橋式功率變換器有自勵(lì)模式和他勵(lì)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(lì)模式和他勵(lì)模式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖4-1,、4-2所示。</p><p>

85、　　4.1.1 自勵(lì)模式</p><p>　　如圖4-1所示，Us是起勵(lì)電源，給SRG提供初始勵(lì)磁。SRG發(fā)出的電能給電容C充電，當(dāng)電容C達(dá)到所需的初始值后，斷開Us，此后SRG依賴電容C的存儲(chǔ)功能給繞組勵(lì)磁，進(jìn)行自勵(lì)發(fā)電。以A相為例，當(dāng)開關(guān)管Ta1、Ta2導(dǎo)通時(shí)，電路處于勵(lì)磁狀態(tài)，電容C對(duì)A相繞組進(jìn)行勵(lì)磁，同時(shí)給負(fù)載供電；當(dāng)開關(guān)管Ta1、Ta2關(guān)斷時(shí)，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

86、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(fù)載供電【9】【11】。</p><p>　　圖4-1 自勵(lì)模式下的不對(duì)稱功率變換器</p><p>　　自勵(lì)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</p><p><b>　　常用的形式。</b></p><p>　　4.1.2

87、 他勵(lì)模式</p><p>　　如圖4-2所示，Us為勵(lì)磁電源，始終給SRG提供勵(lì)磁；電容C起著儲(chǔ)能和穩(wěn)壓的雙重作用。以A相為例，當(dāng)開關(guān)管Ta1、Ta2導(dǎo)通時(shí)，電路處于勵(lì)磁狀態(tài)，勵(lì)磁電源Us對(duì)A相繞組進(jìn)行勵(lì)磁；當(dāng)開關(guān)管Ta1、Ta2關(guān)斷時(shí)，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(fù)載供電【9】【11】【12】。</p><p>　　圖4-2 他勵(lì)模式下的不

88、對(duì)稱功率變換器</p><p>　　他勵(lì)模式中，勵(lì)磁回路與發(fā)電回路彼此獨(dú)立。勵(lì)磁電壓與發(fā)電電壓無關(guān)，</p><p>　　兩者可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，控制比較方便。</p><p>　　4.1.3 不對(duì)稱功率變換器的工作狀態(tài)</p><p>　　隨著各相橋臂開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，每相繞組有三種工作狀態(tài)：勵(lì)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

89、給出了三種工作狀態(tài)。</p><p>　　圖4-3 自勵(lì)模式功率變換器的工作狀態(tài)</p><p>　　圖4-3(a)中，A相上下兩個(gè)開關(guān)管Ta1、Ta2同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)加到相繞組上的電壓為正的直流電壓Uc，相繞組處于勵(lì)磁狀態(tài)。SRG把從直流電源吸收的電能和從主軸輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成磁能，儲(chǔ)存在電機(jī)磁路中，相電流上升。其電壓方程為：</p><p><b>　　

90、（4-1）</b></p><p>　　式中：Ra—A相繞組的電阻；</p><p>　　ia—A相繞組的電流；</p><p>　　La—A 相繞組的電感。</p><p>　　圖4-3（b）中，A相上面開關(guān)管Ta1關(guān)斷，下面開關(guān)管Ta2導(dǎo)通，此時(shí)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

91、為：</p><p><b>　　（4-2）</b></p><p>　　圖4-3(c)中，A相上下兩個(gè)開關(guān)管Ta1、Ta2同時(shí)關(guān)斷，此時(shí)加到相繞組上的電壓為負(fù)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(jī)械能和儲(chǔ)存在電機(jī)磁路中的磁能轉(zhuǎn)化成電能輸出。其電壓方程為：</p><p><b>

92、;　?。?-3）</b></p><p>　　如式(4-3)，在發(fā)電狀態(tài)，若運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)小于加到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流下降；若運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)等于加到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流保持不變；若運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)大于加到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流上升，這是理想的</p><p>　　相電流波形，有利于系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的提高【9】【13】。</p><p>　　4.2 開關(guān)磁阻

93、發(fā)電機(jī)的控制方式</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)由于它的雙凸極結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，磁路和電路的非線性以及開關(guān)性，使得電機(jī)的各個(gè)物理量隨轉(zhuǎn)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(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部的電磁過程依然建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、能量守恒定律等基本電磁關(guān)系的基礎(chǔ)上。</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)的可控制量分別有繞組兩端的相電壓、相電流、開通角以及關(guān)斷角等參數(shù)，針對(duì)

94、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(diào)制控制（PWM）。</p><p>　　4.2.1 角度位置控制（APC）</p><p>　　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(guān)器件的開通角θon和關(guān)斷角θoff，來改變繞組的通電和斷電時(shí)刻，來調(diào)節(jié)相電流的波形。</p><p>　　圖4-4

95、APC控制方式</p><p>　　由于開通角θon和關(guān)斷角θoff都可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此APC可分為只改變開通角θon、只改變關(guān)斷角θoff和同時(shí)改變開通角θon和關(guān)斷角θoff三種方式。由于只改變開通角θon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(duì)位置，從而能夠改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；然而關(guān)斷角θoff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(duì)位置。所以，

96、在開關(guān)磁阻電機(jī)的控制中一般采用改變開通角θon而固定關(guān)斷角θoff的方式。</p><p>　　APC的具體實(shí)現(xiàn)是在θ=θon時(shí)，使開關(guān)器件導(dǎo)通，在θ=θoff時(shí)使開關(guān)器件關(guān)斷。如果θon減小或者θoff增大，則導(dǎo)致勵(lì)磁時(shí)間的增加，則勵(lì)磁電流增大，SRG的發(fā)電能力增大。但是θon的過小或者θoff的過大反而會(huì)使SRG的發(fā)電能力降低，因此在控制時(shí)應(yīng)該找到一個(gè)合適的值使其具有盡量大的發(fā)電能力。</p>

97、<p>　　這種方式比較簡(jiǎn)單，但是由于相電流不可控，它的變換率很大，對(duì)于開通角θon和關(guān)斷角θoff的微小變化都具有十分敏感的反應(yīng)，在調(diào)節(jié)上具有困難，因此一般不選用APC方式。</p><p>　　4.2.2 電流斬波控制（CCC）</p><p>　　電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，特別是在啟動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(duì)功率開關(guān)器件以及電機(jī)造成損壞，

98、需要我們對(duì)電流峰值進(jìn)行限定，因此可以采用電流斬波控制來獲取恒轉(zhuǎn)矩的機(jī)械特性。</p><p>　　傳統(tǒng)的CCC控制方式就是使相電流i與斬波限iref進(jìn)行比較，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ>θon時(shí)，處于導(dǎo)通區(qū)間，如果i<iref，則主開關(guān)導(dǎo)通，進(jìn)行勵(lì)磁，使相電流上升并逐漸達(dá)到斬波限iref；如果i>iref，則主開關(guān)關(guān)斷，電流下降；如此反復(fù)，使相電流維持在斬波限的附近并且伴有微小的波動(dòng)。</p>

99、<p>　　圖4-5 CCC控制方式</p><p>　　本次畢設(shè)采用的CCC 方式是通過設(shè)置斬波閾值，來限制相電流的上、下幅值。使得在一個(gè)控制周期內(nèi)，檢測(cè)相電流和給定電流的上下限幅值相比較，當(dāng)檢測(cè)到的相電流大于給定電流的上限幅值時(shí)，開關(guān)器件關(guān)斷，從而相電流減??；當(dāng)檢測(cè)到的相電流小于給定電流的下限幅值時(shí)，開關(guān)器件開通，從而相電流增大。如此反復(fù)，最終使得相電流在給定值的附近上下波動(dòng)。</p>

100、<p>　　CCC方式與APC方式都很簡(jiǎn)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(guān)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。</p><p>　　4.2.3 脈寬調(diào)制控制（PWM）</p><p>　　PWM方式中，脈沖周

101、期固定，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比開調(diào)節(jié)加在繞組兩端的相電壓的值。PWM的 控制方式就是將開通角θon和關(guān)斷角θoff固定在一個(gè)優(yōu)化值上，在θon～θoff的區(qū)間內(nèi)用PWM信號(hào)來對(duì)開關(guān)器件的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)控勵(lì)磁電流的大小的目的。同時(shí)D越大，則勵(lì)磁電流越大，SRG 的有效輸出電源也就越大。</p><p>　　圖4-6 PWM控制方式</p>

102、;<p>　　PWM方式的一個(gè)最為突出的優(yōu)點(diǎn)就是它的可控性能好。勵(lì)磁電流和占空比之間具有很好的線性關(guān)系，而且PWM信號(hào)的周期即為系統(tǒng)的調(diào)控周期，從而能夠獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。但是需要比較高的開關(guān)頻率，而開關(guān)器件的頻繁通斷增加了器件的開關(guān)損耗，所以系統(tǒng)效率略有降低【1】【9】【13】。</p><p>　　綜上所述，常常采用電流斬波控制方式對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行控制。</p><p>

103、;　　4.3 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓控制系統(tǒng)</p><p>　　開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的發(fā)電控制系統(tǒng)由開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、不對(duì)稱功率變換器、PI調(diào)節(jié)器、位置檢測(cè)器等組成。其控制框圖如圖4-7所示。</p><p>　　圖4-7 系統(tǒng)控制框圖</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)變速恒壓發(fā)電，采用的控制策略為電壓外閉環(huán)和電流內(nèi)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(shí)

104、際測(cè)量到的電壓Uout進(jìn)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(diào)節(jié)器，經(jīng)過Pi調(diào)節(jié)器，經(jīng)過它的調(diào)節(jié)作用后輸出電流內(nèi)環(huán)的電流指令iref。同時(shí)位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的每相的實(shí)時(shí)位置信號(hào)θk。并將轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置信號(hào)θk輸入給角度判斷邏輯控制模塊，與開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的開通角θon和關(guān)斷角θoff進(jìn)行比較判斷，計(jì)算出每相所處的階段，當(dāng)θk≥θon時(shí)，進(jìn)入勵(lì)磁階段，勵(lì)磁電源開始對(duì)繞組勵(lì)磁，進(jìn)而進(jìn)入電流內(nèi)環(huán)。在內(nèi)環(huán)的電流環(huán)，參考電流i

105、ref與功率變換器的各相的實(shí)測(cè)電流ik進(jìn)行比較，比較后的結(jié)果經(jīng)過電流滯環(huán)，輸出的信號(hào)為各相主開關(guān)管的觸發(fā)信號(hào)，即輸出開關(guān)表。來實(shí)現(xiàn)給開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁以及在各相的電感下降的區(qū)域建立能量磁場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能，變速輸入模塊則是用來給開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)提供變速的原動(dòng)力的。通過輸出的各相主開關(guān)的觸發(fā)信號(hào)來觸發(fā)功率管，實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁和發(fā)電的交替進(jìn)行，源源不斷的將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。以下分別介紹各個(gè)模塊【9】【14】。</p>&

106、lt;p>　　4.3.1 穩(wěn)壓裝置</p><p>　　開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)壓裝置采用PI調(diào)節(jié)器，但是由于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)本身具有的非線性的存在，使得PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)kp和ki的值很難通過計(jì)算的方法得到。而且kp的值越大，則系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但是超調(diào)量會(huì)受到影響進(jìn)而變大；ki的越大，則靜差越小，它的過渡時(shí)間則越長(zhǎng)。通過反復(fù)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(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的輸出

107、電壓Uo相比較得到誤差量△U，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器然后進(jìn)行限幅可以得到開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的電流內(nèi)環(huán)的額定電流iref【15】。</p><p>　　4.3.2 滯環(huán)控制器</p><p>　　采用不對(duì)稱橋式功率變換器的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓控制系統(tǒng)中，當(dāng)采用傳統(tǒng)的電流斬波控制方法的時(shí)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)電階段也采用電流斬波控制方式，則可以一直把相電流限制在斬波的

108、上下限以內(nèi)，從而避免了相電流的減小。它的第k相的繞組的發(fā)電階段和勵(lì)磁階段的控制過程如圖4-8所示【9】。</p><p>　　圖4-8 勵(lì)磁階段和發(fā)電階段的電流滯環(huán)</p><p>　　在圖4-8（a）和4-8（b）中，STk(m)表示的是開關(guān)管Tk當(dāng)前的開關(guān)狀態(tài)，STk(m-1)表示的是開關(guān)管Tk維持上一次的開關(guān)狀態(tài)不變。STk(m)=1表示的是開關(guān)管 Tk1和開關(guān)管Tk2均導(dǎo)通的狀態(tài)；

109、STk(m)=0表示的是開關(guān)管Tk1關(guān)斷而開關(guān)管 Tk2導(dǎo)通的狀態(tài)；STk(m)=-1表示的是開關(guān)管Tk1和開關(guān)管Tk2均關(guān)斷的狀態(tài)；STk(m)=STk(m-1)表示的是開關(guān)管Tk1和開關(guān)管Tk2均保持上一次的開關(guān)狀態(tài)不變的狀態(tài)。勵(lì)磁階段和發(fā)電階段的數(shù)學(xué)模型分別如式(4-4)、式(4-5)所示【9】。</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>

110、<b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中：ε為脈動(dòng)系數(shù)。這種方法會(huì)造成開關(guān)損耗的增加，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，尤其是在開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的低速區(qū)域?qū)?huì)很明顯。</p><p>　　4.3.3 電壓指令發(fā)生器</p><p>　　由于在原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩不變的情況下，受材料、幾何尺寸以及散熱等條件的影響，磁鏈的大小幾乎與轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此，為

111、了保證發(fā)電階段的相同轉(zhuǎn)子位置下的相電流和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下狀況下的相同轉(zhuǎn)子位置下的相電流的大小相等，如果忽略了繞組電阻Rk，則磁鏈ψk表達(dá)式如下為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　其中：ψkmax為開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的最大磁鏈；</p><p>　　Uc*為開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)所需的發(fā)電電壓穩(wěn)定值。</p>

112、<p>　　開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下，UC*=Us。由式(4-7)可以看出</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中：ωe為開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的額定旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度。</p><p>　　若考慮電阻Rk，則可以對(duì)發(fā)電電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。在控制過程中發(fā)電電壓Uc、直流電源側(cè)的電流idc的表達(dá)式分別如式(

113、4-8)、式(4-9)所示。</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　其中：ik1—?jiǎng)?lì)磁模式下的第k相繞組的電流；</p><p>　　ik2—發(fā)電模式下的第k相繞組的電流；</p><p>　　iL

114、1—放電模式下的電感電流；</p><p>　　iL2—回饋模式下的電感電流?！?】</p><p><b>　　4.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了關(guān)于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的兩種模式的不對(duì)稱橋式功率變換器，這兩種模式分別為自勵(lì)模式和他勵(lì)模式，并且對(duì)自勵(lì)模式下的不對(duì)稱功率變換器的工作狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。還有關(guān)于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)