【正文】 ..... 38 電流控 制器模型 ......................................................................................... 39 角度控制模型 ............................................................................................. 40 仿真結果與分析 ......................................................................................... 41 結 論 ............................................................................................................................ 43 參考文獻 ............................................................................................................................ 44 致 謝 ............................................................................................................................ 45 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 緒論 開關磁阻調速電動機發(fā)展簡介 開 關磁阻 調速 電 動 機 (The Switched Reluctance Drive, 以下簡稱 SRD)最早可以追溯 到 1970 年，英國 Leeds 大學步進電機研究小組首創(chuàng)一個開關磁阻電機雛形。到1972 年進一步對帶半導體開關的小功率電動機 (10W～ 1kW)進行了研究。 1975 年有了實質性的進展，并一直發(fā)展到可以為 50kW 的電瓶汽車提供裝置。 1980 年在英國成立了開關磁阻電機驅動裝置有限公司 (SRD Ltd.)，專門進行 SRD 系統(tǒng)的研究、開發(fā)和設計。1983 年英國 (SRD Ltd.)首先推出了 SRD 系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品命名為 OULTON。 1984 年 TASC驅動系統(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的驅動 系統(tǒng)，到 1986 年已運行 500km。該產(chǎn)品的出現(xiàn)，在電氣傳動界引起不小的反響。在很多性能指標上達到了出人意料的高水平，整個系統(tǒng)的綜合性能價格指標達到或超過了工業(yè) 中長期應用的一些變速傳動系統(tǒng)。 SRD 作為一種新型調速系統(tǒng)，兼有直流傳動和普通交流傳動的優(yōu)點，正逐步應用在家用電器 、 一般工業(yè) 、 伺服與調速、牽引電動機、高速電動機、航天器械及汽車輔助設備等領域。在發(fā)展初期，由于具有串勵直流電動機的特性， SR 電動機較多的是在電力機車上作牽引用，功率從幾十千瓦到幾百千瓦。 SRD 的應用范圍當然不會僅僅局限于牽引運輸。實際上， 轉速范圍為 1500～ 1800r/min 的 SRD 是與由 50H/60H 電源逆變器供電的異步電動機市場相適應的，而 750～ 3000r/min 的 SRD 則與傳統(tǒng)直流電動機市場相適應。另外， SRD 在低壓、小功率的應用場合大大優(yōu)于普通的異步電動機和直流電動機。比如，使用 SRD 驅動風扇，泵類、壓縮機等，可在很大速度范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率運行，可明顯地節(jié)能，并在短期內(nèi)收回成本。經(jīng)濟型小功率 SRD 也有著廣闊的市場。 我國大約在 1985 年才開始對 SRD 系統(tǒng)進行研究。 SRD 系統(tǒng)的研究已被列入我國中、小型電機 “ 八五 ” 、 “ 九五 ” 和 “ 十五 ” 科研 規(guī)劃項目。華中科技大學開關磁阻電機課題組在 “ 九五 ” 項目中研制出使用 SRD 的純電動轎車，在 “ 十五 ” 項目中將 SRD 應用到混合動力城市公交車，均取得了較好的運行效果。紡織機械研究所將 SRD 應用于毛巾印花機、卷布機，煤礦牽引及電動車輛等，取得了顯著的經(jīng) 濟效益。 美國、加拿大、南斯拉夫、埃及等國家也都開展了 SRD 系統(tǒng)的研制工作。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 2 開關磁阻電機的特點 SRD 調速系統(tǒng)之所以被越來越多的人所關注，是因為其本身有許多自己的特點和優(yōu)點 ： (1) SRM 結構簡單、優(yōu)點 較 多 SRM 是將電能轉化為機械能的裝置， 有 其突出的優(yōu)點 ： 首先， 電機無碳刷和換相器，轉子上沒有任何形式的繞組，制造成本低且轉子的機械強度高，使得電動機可高速運轉而不致變形 ； 另外轉子轉動慣量小，易于加、減速。在定子方面，它只有幾個集中繞組，線圈嵌裝容易，端部短而牢固，因此制造簡便，絕緣結構簡單，并且發(fā)熱大部分在定子，易于冷卻 ； 其次，電機轉矩方向與相電流方向無關，在寬廣的轉速和功率范圍內(nèi)均具有高輸出和高效率 ；再次， 電機 起 動轉矩大，可靠性高，能適用于危險的環(huán)境，且控制方式很靈活。 (2) SRD 系統(tǒng)中功率電路結構簡單可靠 SR 電動機的轉矩方向與繞組電流的方向無關，只需單 方向來對繞組供電，故功率電路結構簡單，可以做到每相只需一個功率開關器件。只要控制主開關器件的開通、關斷時間，即可改變電動機的工作狀態(tài)。另外，系統(tǒng)中每個功率開關器件均直接與電動機繞組相串聯(lián)，避免了直通短路現(xiàn)象。因此開關磁阻電動機調速系統(tǒng)中功率電路的保護部分可以簡化，既降低了成本，又具有較高的可靠性。 (3) SRD 系統(tǒng)效率高、起動轉矩大 SRD 系統(tǒng)是一種非常高效的調速系統(tǒng)。這是因為一方面電動機轉子不存在繞組銅耗，另一方面電動機可控參數(shù)多，靈活方便，易于在寬轉速范圍和不同負載下實現(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，這是其它一些調速系統(tǒng)不易達到的。且電機起動時，只需從電源側提供較少的電流，就能在電動機側得到較大的起動轉矩。 (4) SRD 系統(tǒng)可控參數(shù)多，控制方式簡單 控制開關磁阻電動機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，控制開通角、關斷角。可控參數(shù)多，意味著控制靈活方便，可以根據(jù)對電動機的運行要求和電動機的情況，采用不同控制方法，使之有效的運行。 (5) SRD 系統(tǒng)可靠性高、適用范圍廣 SR 電機不會發(fā)生感應電動機轉子籠斷裂或燒熔的故障，再加上 SR 電機采用簡單而堅固的轉子 結構，由單極性功率變換器供單方向電流激勵，可做到磁路上各相相互獨立和電路上各相相互獨立，因此，該系統(tǒng)具有較高的運行可靠性和容錯能力。即使某相繞組或主開關管出現(xiàn)故障，電機依然能平穩(wěn)運行，可適用在可靠性要求較高的場湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 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合下運行，并可廣泛地應用在紡織、造紙、煤礦、航空等領域。如 ： 造紙機、漿紗機、采煤機、礦用運輸機、電牽引采煤機、電機車牽引及局部風機和水泵等、家用電器和機器人上。 當然， 就目前的發(fā)展水平而言， SR 電動機主要 還 存在 如下 缺點 ： (1) 采用的是磁阻式 電動機，其能量轉換密度低于電磁式電動機。 (2) 轉矩 波動 較大，通常 SR 電動機轉矩 波動 的典型值為 177。 15%。由轉矩 波動 所導致的嗓聲及特定頻率下的諧振問題也較為突出。 (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、轉子相對位置投勵。 (5) 不能像籠型異步電動機那樣直接接人電網(wǎng)作穩(wěn)速運行，而必須與控制器一同使用。 開關磁阻調速電動機的研究動向及應用 目前， SRD 系統(tǒng)的研究主要涉及以下幾個方面： (1) SRD 系統(tǒng)的優(yōu)化 SRD 系統(tǒng)是由 SR 電機及其控制裝置構成的不 可分割的整體，因此，在設計時必須從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，對電機模型和控制系統(tǒng)綜合考慮，進行全局優(yōu)化。 (2) 無位置傳感器 SRD 系統(tǒng)的研制 位置檢測環(huán)節(jié)是 SR 電動機驅動系統(tǒng)的重要組成部分，檢測到的位置信號既是繞組開通與關斷的依據(jù)，也為轉速閉環(huán)控制提供了轉速信息。到目前為止國內(nèi)外實際應用中轉子位置檢測多數(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)結構的復雜性和成本，降低了可靠性，同時又給安裝、調試帶來了不便。因此，國內(nèi)外許多學者開始研究無位置檢測方案，如電流 波形檢測及由此變形而來的非通電相加瞬間脈沖激勵的電感簡化計算、狀態(tài)觀測器檢測、利用相磁鏈、相電流與轉子位置的關系解算轉子位置、利用相間互感與轉子位置關系檢測、電容式位置檢測技術、加測試線圈的檢測等方案。位置傳感器的取消將使 SRD 系統(tǒng)有更多的優(yōu)勢與直流及交流變頻調速相競爭。 (3) 新型控制技術的應用 高性能 DSP 和專用集成電路 (ASIC)的應用為 SRD 系統(tǒng)的高性能控制提供了可靠的硬件保證。因此，研究具有較高動態(tài)性能、算法簡單、能抑制參數(shù)變化、撓動及各種不確定性干擾的 SRD 系統(tǒng)控制技術成為近期的重要任務， SRD 系統(tǒng)的直接轉矩控制、智能控制技術的研究成為熱點。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 4 (4) 鐵損耗分析與效率研究 SRD系統(tǒng)堪稱是高效率調速系統(tǒng)，但 SR電機的鐵損耗計算是難度較大的課題之一。SR 電機的鐵損耗計算難度較大，這是因為電機供電波形復雜、電機磁路局部飽和嚴重、電機的步進運行狀態(tài)幾雙凸極結構等特點。 SR 電機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)及高速運行時，鐵損耗是較為可觀的。鐵損耗分析的目的是建立準確、實用的鐵損耗計算模型和分析、測試手段，以及從電機、電路結構和控制方案著手，研究減少損耗、提高效率的措施。 (5)振動 和噪聲研究 包括從電動機的設計和控制器軟、硬件兩方面來提高系統(tǒng)效率、降低噪音和轉矩波動，加強對轉矩波動及噪聲的理論研究。由于 SRD 系統(tǒng)是脈沖供電工作方式，瞬時轉矩波動大，低速時步進狀態(tài)明顯，振動噪聲大，這些缺點限制了其在諸如伺服驅動這類要求低速運行平穩(wěn)且有一定靜態(tài)轉矩保持能力場合下的應用。因此，研究抑制 SR電動機的振動和噪聲也是改善 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，可選取不同的目標函數(shù)，如系統(tǒng)的效率最高、平均轉矩最大、轉矩 波 動系數(shù)最小等。由于 SRD 控制參數(shù)多、電機模 型復雜，使得優(yōu)化過程計算量大，而且得到的只是針對單個系統(tǒng)的優(yōu)化結果。與傳統(tǒng)的電機調速系統(tǒng)相比， SRD系統(tǒng)實現(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)電機調速系統(tǒng)中應用的研究日益深入，它們在 SRD 系統(tǒng)中的應用也逐漸增多。如采用傳統(tǒng)的 PI 調節(jié)器，以斬波電流限為控制變量，實現(xiàn)了 SR 電機的轉速和轉矩控制。一些現(xiàn)代的控制理論和方法在 SR 電機的控制中也得到了應用，如模糊控制、模糊控制與 PI控制結合在一起的混合式調節(jié)、滑?？刂疲赃m應控制、線性回饋控制以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。這些現(xiàn)代控制技術的使用部分解決了 SRD 系統(tǒng)的非線性多變量強耦合問題，但離實用技術還有一定距離，主要表現(xiàn)在一些控制技術中為設計目的提出的模型太過復雜而難以用于 SR 電機實時控制，而有的為控制目的提出的模型則過于簡單而影響了控制的實際效果，或者因控制參數(shù)難于確定而失去實用的價值。但隨著微電子技術和高級控制技術的發(fā)展，這些控制技術必將在 SRD 系統(tǒng)中得到切實應用。 (7) 功率變換器拓撲結構 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撲結構設計、主開關器件的選擇和 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撲結構組合而成。 SRD 系統(tǒng)功率變換器研究初期，最少量主開關器件的拓撲結構曾是研究的熱點，這是因為主開關器件的減少，意味者相應的驅動電路、緩沖電路以湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 及功率損耗等相應減少，因此系統(tǒng)的體積以及成本會全面降低。隨著研究深入，這種觀點不再特別突出，主要原因是各種以減少主開關器件數(shù)目的拓撲結構在減少主開關器件數(shù)目的同時，又引進了其他諸如電容、電感等無源儲能元件以及輔助開關器件，系統(tǒng)的體積與成本并未顯著降低，其實質只是通過增加單個主開關器件的容量來減少主開關器件的數(shù)目。因此更理想的功率變換器拓撲結構應該為 ： ① 能夠獨立、快速又精確地對 SR 電機各相相電流進行控制 。 ② 磁場儲能盡可能地轉換為機械能輸出，當向電源回饋時應高效、快速 。 ③ 驅動同等功率等級的 SR 電機，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量，可以驅動更高功率等級的 SR 電機 。 ④ 每相主開關器件數(shù)目最少。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 6 第 2 章 開關磁阻電機的基本結構及工作原理 開關磁阻電機的基本組成環(huán)節(jié) 開關磁阻電動機調速系統(tǒng)主要是由 SRM、主電路、控制器和檢測器四部分組成，基本框圖如圖 所示。 圖 SRD 系統(tǒng)框圖 SRM 是 SRD 中實現(xiàn)機電能量轉換的部件，也是 SRD 有別于其他電動機驅動系統(tǒng)的主要標志。它遵循磁通總是要沿著磁導最大的路徑閉合的原理，由磁拉力作用產(chǎn)生具有磁阻性質的電磁轉矩。采用雙凸極