【正文】 phase 12/8 pole SRG simulation, and calculate and analysis the data. Keywords Switched Reluctance Generator。為此 本課題擬采取電流斬波的方式解決，并在其外部再搭建電壓閉環(huán)。 開關磁阻發(fā)電機（ SRG）的定子磁極和轉子磁極都是凸極形狀，而且只在定子磁極上繞有集中線圈，但是轉子磁極上既沒有纏繞線圈，也不是永磁鐵。 參 考 資 料 電機學 開關磁阻電機相關書籍和論文 MATLAB 編程手冊 電力電子技術 周 次 1—4 周 5—8 周 9—11 周 12—15 周 16—17 周 應 完 成 的 內 容 查閱資料，學習理論知識。 進行開關磁阻發(fā)電機輸出電壓控制的設計。 （ ）； （ ）； （ ）。 題目類型 （ √ ） （ ） 題目來源 科研課題 （ ） 生產實際 （ ） 自選題目 （ √ ） 主 要 內 容 學習和掌握開關磁阻電機（ SRM）的結構和工作原理。 使用 Matlab，編寫和調試開關磁阻發(fā)電 機的輸出電壓控制系統(tǒng) 基 本 要 求 按電氣工程學院本科生學位論文撰寫規(guī)范的要求完成設計論文一份（不少于 萬字）， A0 圖紙。了 解 題 目 概況、工 作原理及系統(tǒng)組成 了解和設計開關磁阻電機控制系統(tǒng)。因此和其它電機相比較，具有結構簡單、牢固、轉矩慣性比高以及調速范圍寬等優(yōu)點。本文利用 MATLAB 軟件對一臺三相 12/8 極 SRG 進行仿真，并求取和分析數據。 Current chopping。至 20 世紀 80 年代，迅猛發(fā)展為新一代的調速電機驅動系統(tǒng)。不過在大功率方面的研究還很少，僅有原理樣機方面的仿真。 這些特點的存在使得開關磁阻發(fā)電機在航空、航天以及船舶等以發(fā)動機作為動力的較高性能、遠航程運動載體中，可以用作發(fā)動機的起動系統(tǒng)和主要電源發(fā)電系統(tǒng)，并且在風力發(fā)電領域取得一席之地 【 3】 。 目前調節(jié)開關磁阻發(fā)電機的輸出電壓主要靠調節(jié)勵磁電流，主要的控制 方法有：角度位置控制（ APC)、電流斬波控制 (CCC)、 PWM控制。目前，美國已經成功的將開關磁阻發(fā)電機應用到航空航天方面，并且將它應用于戰(zhàn)斗機中。建立了開關磁阻發(fā)電機的 MATLAB/SIMULINK仿真模型，利用 MATLAB軟件對開關磁阻發(fā)電機供電系統(tǒng)進行了綜合仿真 【 5】 。 了解和掌握開關磁阻電機母線電壓控制系統(tǒng)的構成和各個環(huán)節(jié)以及設計。 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 4 第 2章 開關磁阻電機的結構和工作原理 開關磁阻電機的結構 SRG 采用的是雙凸極結構，它的定子和轉子都是由普通的硅鋼片疊壓而成 的。其中三相 12/8 極的電機的結構圖如圖 21 所示 【 1】【 2】【 3】 。第 2章 開關磁阻電機的結構和工作原理 5 控制器相當于整個系統(tǒng)的大腦，它依據接收到的各種檢測信號，起著決策和指揮的作用。原動機帶動 SRG 旋轉，在適當的位置給某相通電，轉子凸極與定子磁極不重合，便會有磁阻力作用在轉子上并產生與驅動轉矩相反的阻力矩使其趨向于磁阻最小的位置，即轉子凸極中心與定子磁極軸線對齊的位置，同時轉子上的機械能轉化成磁能儲存在磁場中；在適當的位置給此相斷電，儲存在磁場中的磁能便釋放出來，并轉化成電能回饋至電源，從而完成了機械能和電能之間以磁能為媒介的機電能量轉化過程。 Ta Ta2 是 A 相主開關管 ,Da Da2 是 A 相續(xù)流二極管， C 為濾波電容， Us 是直流電源。其他相電路與此類似 【 9】 。 開關磁阻電機發(fā)電狀態(tài)的工作特點 開關磁阻電機發(fā)電運行時具有一定的特殊性，由于開關磁阻電機的本體只有定子繞組，其中勵磁繞組和電樞繞組合二為一。由它的線性模型分析 可得 ???? ?????????? LiUdtdiLLidtdiLU （ 21） 進入發(fā)電區(qū)域后，勵磁電流的大小能夠反映勵磁的強度，也能夠反映儲存磁場能量的大小，通過對于勵磁電流的控制可以實現(xiàn)對于發(fā)電過程的控制。 式（ 22）為發(fā)電運行的有效條件，其中的勵磁電流越大，并且轉速越高，則它的發(fā)電的出力也越大，所以發(fā)電運行的效率也就越高。然而以上的結論都是從電機的線性模型分析而得到的，在實際的工作情況下，必須要考慮電機鐵芯的飽和因素。 開關磁阻電機發(fā)電運行的等效模型 根據相電流的解析線性分析，可以推導出來關于開關磁阻電機的發(fā)電運行狀態(tài)的典型的相電流波形在不同的電感區(qū)域的解析式，將這些分段函數用一個同時可以表示為 )()i( ??? fU? （ 25） 如果它的外加電源和它的角速度都是常數，那么電流波形與開通角θon、關斷角 θoff 以及電機的結構參數都有關，開關磁阻電機的發(fā)電運行時的 工作特點使得它的輸出可以等效為一個電流源，如圖 23 所示。 開關磁阻發(fā)電機發(fā)電運行輸出的是脈沖電能，它的勵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。 （ 2） 開關磁阻電機的每相的繞組可以等效為一個電流源的輸出，相與相間的并聯(lián)比較容易實現(xiàn)，它的結構多種多樣。 本章小結 本章主要介紹了典型的開關磁阻電機的組成，并對開關磁阻電機的結構和工作原理做了詳細的描述。 開關磁阻發(fā)電機的方程 電壓方程 SRG 的相繞組共有 兩種工作狀態(tài)：勵磁狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)。 磁鏈方程 SRG 各 相繞組的磁鏈是該相繞組的電流與自感、其余各相繞組的電流與互感以及轉子位置角的函數。 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 轉矩方程 SRG 的電磁轉矩可以通過其磁場儲能或磁共能對轉子位置角的偏導數求得，即： C o n s tikikmWikTe ???? ? ?? ),(39。 式中 “＋ ”為繞組與電源導通期間； “－ ”為繞組與電源關斷后續(xù)流期間【 10】 。 第 3章 開關磁阻發(fā)電機的方程和數學模型 13 到目前為止，主要采用四種方法建立 SRG 的數學模型：理想線性模型、準線性模型、非線性模型和查表法。 （ 2） 準線性模型 為了避免繁瑣的計算，又近似考慮磁路的飽和效應， 可以將實際的非線性磁化曲線進行分段線性化的近似處理，且忽略磁耦合的影響。 （ 3） 非線性模型 針對不同的相電流值，計算得到相電感曲線，再 結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子位置角的 函數。 本文采用線性模型。轉子轉過 θ1后，相電 感開始線性上升至 θ2， θ2為轉子凸極前沿與定子磁極前沿重疊處，這時轉子凸極與定子磁極完全疊，相電感變?yōu)樽畲笾? Lmax。在 θ4～ θ5區(qū)域內，轉子凸極與定子磁極不相重疊 ，電感保持最小值 Lmin 不變。 由圖 32 所示理想電感模型，在相電感的一個周期 θ1～ θ5 內，可以將相電感分成四段，則相電感與轉子位置角的關系式可以表示為： ??????????????????54m a x43)3(m a x32m i n21m i n)1()?????????????????LKLLLKL ( （ 39） 式中： K=(Lmax?Lmin)/(θ2?θ1)=(Lmax?Lmin)/βs； Lmin—相電感 最小值； Lmax—相電感最大值； βs—定子極弧。 由式 (311)可見，在某一轉速度下，通電時相繞組磁鏈將以一恒定比率 Us/ω 隨導通角增加而增加；在關斷瞬間，即 θ＝ θoff 處，磁鏈獲得最大值ψmax；關斷后，磁鏈則以恒定比率 Us/ω 下降，如圖 33 所示 【 11】 。以三相 SRG 為例，自勵模式和他勵模式的拓撲結構分別如圖 41,、 42 所示。 圖 41 自勵模式下的不對稱功率變換器 自勵模式中，建壓后不再需要外電源，系統(tǒng)體積較小，效率高，是比較 常用 的形式。勵磁電壓與發(fā)電電壓無關， 兩者可以獨立調節(jié)，控制比較方便。 SRG 把從直流電源吸收的電能和從主軸輸入的機械能轉化成磁能，儲存在電機磁路中，相電流上升。 SRG 把從主軸輸入的機械能和儲存在電機磁路中的磁能轉化成電能輸出。 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 開關磁阻電機的可控制量分別有繞組兩端的相電壓、相電流、開通角以及關斷角等參數，針對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）和脈寬調制控制（ PWM）。所以，在開關磁阻電機的控制中一般采用改變開通角 θon 而固定關斷角 θoff 的方式。 這種方式比較簡單，但是由于相電流不可控，它的變換率很大，對于開通角 θon 和關斷角 θoff 的微小變化都具有 十分敏感的反應，在調節(jié)上具有困難，因此一般不選用 APC 方式。使得在一個控制周期內，檢測相電流和給定電流的上下限幅值相比較，當檢測到的相電流大于給定電流的上限幅值時，開關器件關斷，從而相電流減??；當檢測到的相電流小于給定電流的下限幅值時，開關器件開通，開 關 信 號L ， iL ( θ )θ o nθ o f fi ( θ )θ燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 從而相電流增大。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。 圖 46 PWM 控制方式 PWM 方式的一個最為突出的優(yōu)點就是它的可控性能好。 L ， iL ( θ )θ o nθ o f fi ( θ )θ開 關 信 號第 4章 開關磁阻發(fā)電機的控制系統(tǒng) 開關磁阻發(fā)電機的穩(wěn)壓控制系統(tǒng) 開關磁阻發(fā)電機的發(fā)電控制系統(tǒng)由開 關磁阻發(fā)電機、不對稱功率變換器、 PI 調節(jié)器、位置檢測器等組成。并將轉子的實時位置信號θk輸入給角度判斷邏輯控制模塊，與開關磁阻發(fā)電機的開 通角 θon和關斷角θoff進行比較判斷，計算出每相所處的階段，當 θk≥θon時，進入勵磁階段，勵磁電源開始對繞組勵磁，進而進入電流內環(huán)。以下分別介紹各個模塊【 9】【 14】 。給定電壓 Uref和開關磁阻發(fā)電機的輸出電壓 Uo相比較得到誤差量 △ U，再經過 PI調節(jié)器然后進行限幅可以得到開關 磁阻發(fā)電機的電流內環(huán)的額定電流 iref【 15】 。 圖 48 勵磁階段和發(fā)電階段的電流滯環(huán) 在圖 48（ a）和 48（ b）中， STk(m)表示的是開關管 Tk當前的開關狀態(tài)，STk(m1)表示的是開關管 Tk維持上一次的開關狀態(tài)不變。這種方法會造成開關損耗的增加，進而降低了系統(tǒng)的轉換效率，尤其是在開關磁阻發(fā)電機的低速區(qū)域將會很明顯。 若考慮電阻 Rk，則可以對發(fā) 電電壓進行適當的補償。還有關于開關磁阻發(fā)電機的各種控制方式，分別為 APC 方式、 CCC 方式和 PWM 方式，它們在不同的場合有各自的優(yōu)點，而對于本文的研究，采用電流斬波控制方式有很大的優(yōu)點。經過三十多年的發(fā)展，目前已經成為科學計算和系統(tǒng)仿真的首先軟件工具。 表 51 仿真參數 開關磁阻發(fā)電機線性模型仿真 以下用 A相為例子說明，輸入的量有電機的轉速 n、勵磁電壓 Us；輸出的量由電機的相電流 ia、相轉矩 Ta還有相電感 La。 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 的開關磁阻發(fā)電機來說，轉子極距是 45176。θ3=176。它的仿真程序如下所示： function L=inductance(theta) global L_max L_min theta_rise if (theta) L=L_min。 else L=L_min。滯環(huán)控制的仿真程序如下所示： function u=zhihuan(i_m,v_q_m,theta) global theta_on theta_off i_ref s deta_im=i_refi_m。 else if(deta_im=*i_ref) u=s。 else u=v_q_m。 end end elseif(theta) if(deta_im=*i_ref) u=0。amp。并且當導通角較小，轉速較低的時候，在它的發(fā)電階段的運動電動勢小于它的發(fā)電電壓，這使得它的相電流不能夠增加，會影響它的發(fā)電 能力。 else if (theta)