【正文】 .......... 38 電流控制器模型 ......................................................................................... 39 角度控制模型 ............................................................................................. 40 仿真結(jié)果與分析 ......................................................................................... 41 結(jié) 論 ............................................................................................................................ 43 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................ 44 致 謝 ............................................................................................................................ 45 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 緒論 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)發(fā)展簡介 開 關(guān)磁阻 調(diào)速 電 動 機(jī) (The Switched Reluctance Drive, 以下簡稱 SRD)最早可以追溯 到 1970 年，英國 Leeds 大學(xué)步進(jìn)電機(jī)研究小組首創(chuàng)一個開關(guān)磁阻電機(jī)雛形。到1972 年進(jìn)一步對帶半 導(dǎo)體開關(guān)的小功率電動機(jī) (10W～ 1kW)進(jìn)行了研究。 1975 年有了實質(zhì)性的進(jìn)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(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動裝置有限公司 (SRD Ltd.)，專門進(jìn)行 SRD 系統(tǒng)的研究、開發(fā)和設(shè)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(qū)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(qū)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(biāo)上達(dá)到了出人意料的高水平，整個系統(tǒng)的綜合性能價格指標(biāo)達(dá)到或超過了工業(yè) 中長期應(yīng)用的一些變速傳動系統(tǒng)。 SRD 作為一種新型調(diào)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(yīng)用在家用電器 、 一般工業(yè) 、 伺服與調(diào)速、牽引電動機(jī)、高速電動機(jī)、航天器械及汽車輔助設(shè)備等領(lǐng)域。在發(fā)展初期，由于具有串勵直流電動機(jī)的特性， SR 電動機(jī)較多的是在電力機(jī)車上作牽引用，功率從幾十千瓦到幾百千瓦。 SRD 的應(yīng)用范圍當(dāng)然不會僅僅局限于牽引運輸。實際上，轉(zhuǎn)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(jī)市場相適應(yīng)的，而 750～ 3000r/min 的 SRD 則與傳統(tǒng)直流電動機(jī)市場相適應(yīng)。另外， SRD 在低壓、小功率的應(yīng)用場合大大優(yōu)于普通的異步電動機(jī)和直流電動機(jī)。比如，使用 SRD 驅(qū)動風(fēng)扇，泵類、壓縮機(jī)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(jì)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(jìn)行研究。 SRD 系統(tǒng)的研究已被列入我國中、小型電機(jī) “ 八五 ” 、 “ 九五 ” 和 “ 十五 ” 科研規(guī)劃項目。華中科技大學(xué)開關(guān)磁阻電機(jī)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(yīng)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(jī)械研究所將 SRD 應(yīng)用于毛巾印花機(jī)、卷布機(jī)，煤礦牽引及電動車輛等，取得了顯著的經(jīng) 濟(jì)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 開關(guān)磁阻電機(jī)的特點 SRD 調(diào)速系統(tǒng)之所以被越來越多的人所關(guān)注，是因為其本身有許多自己的特點和優(yōu)點 ： (1) SRM 結(jié)構(gòu)簡單、優(yōu)點 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 ：首先， 電機(jī)無碳刷和換相器，轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組，制造成本低且轉(zhuǎn)子的機(jī)械強度高，使得電 動機(jī)可高速運轉(zhuǎn)而不致變形 ； 另外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單，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 動轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單可靠 SR 電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流的方向無關(guān)，只需單方向來對繞組供電，故功率電路結(jié)構(gòu)簡單，可以做到每相只需一個功率開關(guān)器件。只要控制主開關(guān)器 件的開通、關(guān)斷時間，即可改變電動機(jī)的工作狀態(tài)。另外，系統(tǒng)中每個功率開關(guān)器件均直接與電動機(jī)繞組相串聯(lián)，避免了直通短路現(xiàn)象。因此開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中功率電路的保護(hù)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(zhuǎn)矩大 SRD 系統(tǒng)是一種非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。這是因為一方面電動機(jī)轉(zhuǎn)子不存在繞組銅耗，另一方面電動機(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)起動時，只需從電源側(cè)提 供較少的電流，就能在電動機(jī)側(cè)得到較大的起動轉(zhuǎn)矩。 (4) SRD 系統(tǒng)可控參數(shù)多，控制方式簡單 控制開關(guān)磁阻電動機(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，控制開通角、關(guān)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(jī)的運行要求和電動機(jī)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(jī)不會發(fā)生感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子籠斷裂或燒熔的故障，再加上 SR 電機(jī)采用簡單而堅固的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由單極性功率變換器供單方向電流激勵，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(guān)管出現(xiàn)故障，電機(jī)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)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(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)、礦用運輸機(jī)、電牽引采煤機(jī)、電機(jī)車牽引及局部風(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 電動機(jī)主要 還 存在 如下 缺點 ： (1) 采用的是磁阻式電動機(jī)，其能量轉(zhuǎn)換密度低于電磁式電動機(jī)。 (2) 轉(zhuǎn)矩 波動 較大，通常 SR 電動機(jī)轉(zhuǎn) 矩 波動 的典型值為 177。 15%。由轉(zhuǎn)矩 波動 所導(dǎo)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(zhuǎn)子相對位置投勵。 (5) 不能像籠型異步電動機(jī)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(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)的研究動向及應(yīng)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(jī)及其控制裝置構(gòu)成的不可分割的整體，因此，在設(shè)計時必須從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，對電機(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(jī)驅(qū)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(guān)斷的依據(jù)，也為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制提供了轉(zhuǎn)速信息。到目前為止國內(nèi)外實際應(yīng)用中轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本，降低了可靠性，同時又給安裝、調(diào)試帶來了不便。因此，國內(nèi)外許多學(xué)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(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、電容式位置檢測技術(shù)、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(diào)速相競爭。 (3) 新型控制技術(shù)的應(yīng)用 高性能 DSP 和專用集成電路 (ASIC)的應(yīng)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(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。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)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(diào)速系統(tǒng)，但 SR電機(jī)的鐵損耗計算是難度較大的課題之一。SR 電機(jī)的鐵損耗計算難度較大，這是因為電機(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)運行狀態(tài)幾雙凸極結(jié)構(gòu)等特點。 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)及高速運行時，鐵損耗是較為可觀的。鐵損耗分析的目的是建立準(zhǔn)確、實用的鐵損耗計算模型和分析、測試手段，以及從電機(jī)、電路結(jié)構(gòu)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(jī)的設(shè)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(zhuǎn)矩波動， 加強對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩波動大，低速時步進(jìn)狀態(tài)明顯，振動噪聲大，這些缺點限制了其在諸如伺服驅(qū)動這類要求低速運行平穩(wěn)且有一定靜態(tài)轉(zhuǎn)矩保持能力場合下的應(yīng)用。因此，研究抑制 SR電動機(jī)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(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)化過程計算量大，而且得到的只是針對單個系統(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，它們在 SRD 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)的非線性多變量強耦合問題，但離實用技術(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 目的提出的模型太過復(fù)雜而難以用于 SR 電機(jī)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(shù)和高級控制技術(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、主開關(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，最少量主開關(guān)器件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)曾是研究的熱點，這是因為主開關(guān)器件的減少，意味者相應(yīng)的驅(qū)動電路、緩沖電路以湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 及功率損耗等相應(yīng)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(guān)器件數(shù)目的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在減少主開關(guān)器件數(shù)目的同時，又引進(jìn)了其他諸如電容、電感等無源儲能元件以及輔助開關(guān)器件，系統(tǒng)的體積與成本并未顯著降低，其實質(zhì)只是通過增加單個主開關(guān)器件的容量來減少主開關(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 ： ① 能夠獨立、快速又精確地對 SR 電機(jī)各相相電流進(jìn)行控制 。 ② 磁場儲能盡可能地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，當(dāng)向電源回饋時應(yīng)高效、快速 。 ③ 驅(qū)動同等功率等級的 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)動更高功率等級的 SR 電機(jī) 。 ④ 每相主開關(guān)器件數(shù)目最少。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2 章 開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 開關(guān)磁阻電機(jī)的基本組成環(huán)節(jié) 開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)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(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是 SRD 有別于其他電動機(jī)驅(qū)動系統(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。