【正文】 上三個(gè)可控變量來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)控制，這將具體在下一章進(jìn)行詳細(xì)的討論和分析。 將上面得到的式 ()表示的繞組電流代入式 ()中，得到： ??? ??? LfUT s )(21 222 （ ） 由此進(jìn)一步得到： TFT LfU S ?? ?? ??? 2 )(2 （ ） 其中 ?? ??? LfF )(21 2 。只要在電感曲線的上升段通入繞組電流就會(huì)產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)矩，而在電感曲線的下降段通入繞組電流則會(huì)產(chǎn)生反向的電磁轉(zhuǎn)矩。 （ 5）在 4? 到 5? 區(qū)段， )()( 2m in ??? ??? KLL ，同理易得繞組電流表達(dá)式為： )]([ )2()( 2m in ??? ???? ?? ??? KLUi onof fs () 顯然，當(dāng) onoff ??? ?? 2 時(shí)，相電流己衰減至零。不過(guò)， SRD 中，通常要通過(guò)調(diào)節(jié) on? 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 調(diào)節(jié)，因此“平頂波”電流形成的條件在調(diào)速過(guò)程中并不能保證。 （ 2）在 2? 到關(guān)斷角 of? 區(qū)段， )()( 2m in ??? ??? KLL ，將 ()所推出的結(jié)果)()()( m in22 LUi ons ???? ?? 作為該區(qū)段的初值條件，結(jié)合式 ()解得： ? ?)( )()( 2m in ??? ??? ?? ?? KL Ui onS （ ） 對(duì)應(yīng)的電流變化率為： ? ?? ?22m in2m in )( )( ??? ??? ?? ???? KL KLUddik onsi （ ） 上式表明，若 KLon /m in2 ?? ?? ，則 0?ik ，電流將在電感上升區(qū)域內(nèi)下降，這時(shí)因?yàn)?on? 較小，電流在 2? 處將有相當(dāng)大的數(shù)值，使旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)引起正壓降超過(guò)了電源壓降 。 由于繞組電感 )(?L 的表達(dá)式 ()是分段線性解析式，故需分段給出初始條件求解關(guān)于繞組電流 i 的微分方程式。在最大電感為常數(shù)的區(qū)域 3? ～ 4? 內(nèi)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為 0，如果電流繼續(xù)流動(dòng)，繞組磁能則僅回饋給電源，轉(zhuǎn)軸上沒(méi)有電磁轉(zhuǎn)矩；最后，若電流在電感下降區(qū)域 4? ～ 5? 內(nèi)流動(dòng)，因旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這 時(shí)回饋給電源的能量既有繞組釋放的磁能，也有制動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)械能，即 SR 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在再生發(fā)電狀態(tài)。 基于線性模型的繞組電流分析 SR 電動(dòng)機(jī)各相繞組通過(guò)功率電路供電，當(dāng)功率電路的開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，繞組電壓為電源電壓 sU 。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)，相繞組的湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 電感隨轉(zhuǎn)子位置角 ? 周期性變化的規(guī)律可用圖 說(shuō)明。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 ),( iL? 及 )(?i 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。 （ 2） 電壓方程 由基爾霍夫定律可列寫出第 k 相回路電壓平衡方程。 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 U 恒定不變。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。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)。因此，在性能分析和求解建立數(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。 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。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。 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)方湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 式便稱之為雙相起動(dòng)方式。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。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。電壓 PWM 控制法雖然簡(jiǎn)單，但調(diào)速范圍較小。 電壓 PWM 控制 在 on? ～ off? 導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，使功率開關(guān)按 PWM 方式工作，其脈沖周期 T 固定，占空比 1/TT可調(diào)，在 1T 內(nèi)，繞組加正電壓， 2T 內(nèi)加零電壓或反電壓。 圖 CCC 方式下的斬波電流波形 在 on??? 時(shí)，功率電路開關(guān)元件接通 (稱相導(dǎo)通 )，繞組電流 i 從零開始上升，當(dāng)電流達(dá)到斬波電流上限值 i 時(shí)，切斷繞組電流 (稱斬波關(guān)斷 )，繞組承受反壓，電流快速下降。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。假設(shè)定義電流存在區(qū)間 t占電流周期 T的比例 :tT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 0100%，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。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。此外，在開關(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，這也是開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)不同于一般交流電機(jī)之處。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 （ａ） A 相通電 （ b） B 相通電 （ c）Ｃ 相 通電 〔ｄ） D 相通電 圖 開關(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 ?’CC繞組軸線與轉(zhuǎn)子極 ?’33軸線重合時(shí)，將勵(lì)磁切換至 ?’BB相，則?’BB相與轉(zhuǎn)子極 ?’22之間相互作用將和 ?’AA相與轉(zhuǎn)子極 ?’11之間相同。22?軸線重合，此時(shí)給定子 AA?’ 相繞組通電 ，即開關(guān) 1K 、 2K 閉合，該相通過(guò)直流電源 U進(jìn)行勵(lì)磁。 圖 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)工作原理示意圖 如圖 ，圖中僅畫出 A 相繞組及其供電電路，其余各相與此相相同。對(duì)于開關(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。 SR 電機(jī)的工作原理 SRG 通常采用雙凸極結(jié)構(gòu)，如圖 所示，定、轉(zhuǎn)子均是由普通硅鋼片疊壓而成。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。位置感器的輸出是由齒盤凸極遮擋光電器件的光線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)盤固定在轉(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 030 ，即外弧的弧長(zhǎng)相等；光電傳感器件由光發(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)盤與電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，通過(guò)轉(zhuǎn)盤的遮光、透光使光敏元件產(chǎn)生導(dǎo)通和關(guān)斷信號(hào)。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。 圖 不對(duì)稱半橋功率變換主電路 （資料來(lái)源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關(guān)磁阻電機(jī)的幾種功率變換器拓?fù)涞男阅芊治?[J]電氣傳動(dòng)自動(dòng)化 , 1995.） 這種不對(duì)稱半橋型線路具有如下的特點(diǎn)： (1)各主開關(guān)管的電壓定額為 Vs ； (2)由于主開關(guān)管的電壓定額與電動(dòng)機(jī)繞組的電壓定額近似相等，用足了主開關(guān)管的額定電壓，有效的全部電源電壓可用來(lái)控制相繞組電 流； (3)由于每相繞組接至各自的不對(duì)稱半橋，每相需要兩個(gè)主開關(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。 (4) 不對(duì)稱半橋型 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 為本系統(tǒng)所采用的不對(duì)稱半橋型三相 SR 電機(jī)功率變換器主電路。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 電容裂相型 （資料來(lái)源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關(guān)磁阻電機(jī)的幾種功率變換器拓?fù)涞男阅芊治?[J]電氣傳動(dòng)自動(dòng)化 , 1995.） 圖 H 橋型功率變換主電路 （資料來(lái)源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關(guān)磁阻電機(jī)的幾種功率變換器拓?fù)涞男阅芊治?[J]電氣傳動(dòng)自動(dòng)化 , 1995.） (3) H 橋型 圖 H 橋型功率變換主電路，這一電路可認(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。 (2)電容裂相型 圖 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)。該電路主開關(guān)元件的額定工作電壓為 2(1+D)SV ，其中 SV 是整流橋輸出的峰值電壓， D 是開關(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)mI ， m 為電動(dòng)機(jī)的相數(shù)， mI 為電動(dòng)機(jī)的峰值電流。 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，并且與開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的相數(shù)、繞組連接形式有密切的關(guān)系。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。 檢測(cè)單元由位置檢測(cè)和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。由于 SRM 繞組電流是單向的，使得其功率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)和開關(guān)器件的選擇直接影響到 SRD 系統(tǒng)的性能和成本。 圖 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。 ② 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 。 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。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?？刂疲赃m應(yīng)控制、線性回饋控制以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。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，而且得到的只是針對(duì)單個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果。 (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。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)算是難度較大的課題之一。因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開始研究無(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。 開關(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。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)題也較為突出。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)車牽引及局部風(fēng)機(jī)和水泵等、家用電器和機(jī)器人上。 (4) SRD 系統(tǒng)可控參數(shù)多，控制方式簡(jiǎn)單 控制開關(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，控制開通角、關(guān)斷角。 (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)。 (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)功率開關(guān)器件。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)車輛等，取得了顯著的經(jīng) 濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)型小功率 SRD 也有著廣闊的市場(chǎng)。 SRD 的應(yīng)用范圍當(dāng)然不會(huì)僅僅局限于牽引運(yùn)輸。該產(chǎn)品的出現(xiàn)，在電氣傳動(dòng)界引起不小的反響。 1980 年在英國(guó)成立了開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)。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。湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 開關(guān)磁阻作為一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開關(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。