【正文】 上三個可控變量來優(yōu)化系統(tǒng)控制，這將具體在下一章進行詳細的討論和分析。 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式為： )]([ )2()( 2m in ??? ???? ?? ??? KLUi onof fs () 顯然，當 onoff ??? ?? 2 時，相電流己衰減至零。不過， SRD 中，通常要通過調(diào)節(jié) on? 實現(xiàn)轉(zhuǎn)速湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 調(diào)節(jié)，因此“平頂波”電流形成的條件在調(diào)速過程中并不能保證。 （ 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 （ ） 對應的電流變化率為： ? ?? ?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，這時因為 on? 較小，電流在 2? 處將有相當大的數(shù)值，使旋轉(zhuǎn)電動勢引起正壓降超過了電源壓降 。 由于繞組電感 )(?L 的表達式 ()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)電動勢為 0，如果電流繼續(xù)流動，繞組磁能則僅回饋給電源，轉(zhuǎn)軸上沒有電磁轉(zhuǎn)矩；最后，若電流在電感下降區(qū)域 4? ～ 5? 內(nèi)流動，因旋轉(zhuǎn)電動勢為負，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，這 時回饋給電源的能量既有繞組釋放的磁能，也有制動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機械能，即 SR 電動機運行在再生發(fā)電狀態(tài)。 基于線性模型的繞組電流分析 SR 電動機各相繞組通過功率電路供電，當功率電路的開關(guān)器件導通時，繞組電壓為電源電壓 sU 。為弄清電機內(nèi)部的基本電磁關(guān)系，有必要從簡化的線性模型，也就是上節(jié)所說的理想線性模型開始進行分析研究，若不計電動機磁路飽和的影響，假定相繞組的電感與電流的 大小無關(guān)，且不考慮磁場邊緣擴散效應，這時，相繞組的湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 電感隨轉(zhuǎn)子位置角 ? 周期性變化的規(guī)律可用圖 說明。應該指出，上述 SR 電動機的數(shù)學模型盡管從理論上完整、準確地描述了 SR 電動機中的電磁及力學關(guān)系，但由于 ),( iL? 及 )(?i 難以解析，實用起來卻很麻煩，因此，往往必須根據(jù)具體電動機的結(jié)構(gòu)及所要求的精確程度加以適當?shù)暮喕? （ 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 電動機數(shù)學模型時，為了簡化分析，特作如下假設(shè)： (1)忽略鐵心的磁滯和渦流效應，且不計磁場邊緣效應； (2)在一個電流脈沖周期，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 針對一般擬合的函數(shù)，繞組的電流、電感等是也無法用簡單的解析表達式來進行表示。事實上，由于電機的雙凸極 結(jié)構(gòu)和磁路的飽和、渦流以及磁滯效應所產(chǎn)生的非線性，加上電機運行期間的開關(guān)性，在電機運行期間，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)學模型時不得不在實用與理想之間尋求一種折衷的處理方法。 通過以上對電機起動方式的分析可見，雙相起動的優(yōu)點非常明顯，對于提高電機的容量，減小轉(zhuǎn)矩波動有著重要意義。與單相起動方式相比，帶負載起動能力明顯增強了。 雙相起動方式 電動機的起動過程中，任一瞬時， SR 電機的繞組會有兩相同時通電，這種起動方湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 式便稱之為雙相起動方式。假設(shè) A,D 相中相繞 組導通產(chǎn)生的起動轉(zhuǎn)矩相同，且此時為正向轉(zhuǎn)矩，電機為正轉(zhuǎn)向，如要改變電機起動轉(zhuǎn)向，應給 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，所獲得的起動轉(zhuǎn)矩大小及方向都是不一樣的。電壓 PWM 控制法雖然簡單，但調(diào)速范圍較小。 電壓 PWM 控制 在 on? ～ off? 導通區(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，功率電路開關(guān)元件接通 (稱相導通 )，繞組電流 i 從零開始上升，當電流達到斬波電流上限值 i 時，切斷繞組電流 (稱斬波關(guān)斷 )，繞組承受反壓，電流快速下降。因為轉(zhuǎn)速降低時， 旋轉(zhuǎn)電動勢減小，使電流峰值增大，必須進行限流，因此角度位置控制一般用于轉(zhuǎn)速較高的應用場合。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。在電動機正常運行時，應使電流波形的主要部分位于電感波形的上升段；在電動機制動運行時，應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)電機中轉(zhuǎn)子的受力方向與繞組通電的方向無關(guān)，僅取決于通電順序，這也是開關(guān)磁阻發(fā)電機不同于一般交流電機之處。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（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)電機各相順序通電的磁場情況 電機旋轉(zhuǎn)至 ?’CC繞組軸線與轉(zhuǎn)子極 ?’33軸線重合時，將勵磁切換至 ?’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，此時給定子 AA?’ 相繞組通電 ，即開關(guān) 1K 、 2K 閉合，該相通過直流電源 U進行勵磁。 圖 開關(guān)磁阻發(fā)電機工作原理示意圖 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。對于開關(guān)磁阻發(fā)電機來說，其一個通電周期可分為兩個階段，即勵磁階段和發(fā)電階段，且以發(fā)電階段為主。 SR 電機的工作原理 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，利用兩路信號上升、下降沿的捕獲，運用 T 方法 (測出相鄰的兩個捕獲信號之間的間隔時間來計算轉(zhuǎn)速的方法 )，進行電動機轉(zhuǎn)速的計算，可實現(xiàn)速度信號的反饋。位置感器的輸出是由齒盤凸極遮擋光電器件的光線來實現(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，固定在定子或者機殼上轉(zhuǎn)盤與電機同步旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)盤的遮光、透光使光敏元件產(chǎn)生導通和關(guān)斷信號。綜合采用有效的電機控制策略，減少轉(zhuǎn)矩脈動降低噪聲，實現(xiàn)電機優(yōu)良的調(diào)速性能。 圖 不對稱半橋功率變換主電路 （資料來源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關(guān)磁阻電機的幾種功率變換器拓撲的性能分析 [J]電氣傳動自動化 , 1995.） 這種不對稱半橋型線路具有如下的特點： (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機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控制相繞組電 流； (3)由于每相繞組接至各自的不對稱半橋，每相需要兩個主開關(guān)管和兩個二極管，相與相之間是完全獨立的，故這種結(jié)構(gòu)對繞組相數(shù)沒有任何限制，適合任意相數(shù)電機，不存在上、下橋臂直通的故障隱患。 (4) 不對稱半橋型 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 為本系統(tǒng)所采用的不對稱半橋型三相 SR 電機功率變換器主電路。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 電容裂相型 （資料來源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關(guān)磁阻電機的幾種功率變換器拓撲的性能分析 [J]電氣傳動自動化 , 1995.） 圖 H 橋型功率變換主電路 （資料來源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關(guān)磁阻電機的幾種功率變換器拓撲的性能分析 [J]電氣傳動自動化 , 1995.） (3) H 橋型 圖 H 橋型功率變換主電路，這一電路可認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，并將電動機四相繞組中點浮空而形成的。 (2)電容裂相型 圖 電路出現(xiàn)較早，在一個時期內(nèi)應用比較廣，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)斷時的過電壓系數(shù)，功率變換器的伏安容量為 2m(1+D)mI ， m 為電動機的相數(shù)， mI 為電動機的峰值電流。 功率變換器的拓撲結(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)磁阻電動機的相數(shù)、繞組連接形式有密切的關(guān)系。然而， SR 電機的工作電流、電壓波形系統(tǒng)的運行條件及電動機設(shè)計參數(shù)的制約，很難準確預料。 檢測單元由位置檢測和電流檢測環(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單，其結(jié)構(gòu)形式與 SR 電動機的相數(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 中實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是 SRD 有別于其他電動機驅(qū)動系統(tǒng)的主要標志。 ② 磁場儲能盡可能地轉(zhuǎn)換為機械能輸出，當向電源回饋時應高效、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撲結(jié)構(gòu)組合而成。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(jié)合在一起的混合式調(diào)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。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(jié)果。 (5)振動和噪聲研究 包括從電動機的設(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。 湖南工業(yè)大學本科畢業(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電機的鐵損耗計算是難度較大的課題之一。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(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。 開關(guān)磁阻調(diào)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(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)，對電機模型和控制系統(tǒng)綜合考慮，進行全局 優(yōu)化。由轉(zhuǎn)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。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。 (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)簡單可靠 SR 電動機的轉(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。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。經(jīng)濟型小功率 SRD 也有著廣闊的市場。 SRD 的應用范圍當然不會僅僅局限于牽引運輸。該產(chǎn)品的出現(xiàn)，在電氣傳動界引起不小的反響。 1980 年在英國成立了開關(guān)磁阻電機驅(qū)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(shè)計。并利用數(shù)學模型建立 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 MATLAB 進行仿真，比較分析仿真波形與理想數(shù)學模型的差距。湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） I 摘 要 開關(guān)磁阻作為一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電機以其結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高效率、優(yōu)良的調(diào)速性能和靈活的可控性，愈來愈得到人們的認可和應用。