【正文】 大的優(yōu)點(diǎn)。 （48） （49）其中：ik1—?jiǎng)?lì)磁模式下的第k相繞組的電流； ik2—發(fā)電模式下的第k相繞組的電流； iL1—放電模式下的電感電流； iL2—回饋模式下的電感電流。若考慮電阻Rk，則可以對(duì)發(fā)電電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下，UC*=Us。這種方法會(huì)造成開關(guān)損耗的增加，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，尤其是在開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的低速區(qū)域?qū)?huì)很明顯。勵(lì)磁階段和發(fā)電階段的數(shù)學(xué)模型分別如式(44)、式(45)所示【9】。圖48 勵(lì)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(guān)管Tk當(dāng)前的開關(guān)狀態(tài)，STk(m1)表示的是開關(guān)管Tk維持上一次的開關(guān)狀態(tài)不變。如果在發(fā)電階段也采用電流斬波控制方式，則可以一直把相電流限制在斬波的上下限以內(nèi)，從而避免了相電流的減小。給定電壓Uref和開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的輸出電壓Uo相比較得到誤差量△U，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器然后進(jìn)行限幅可以得到開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的電流內(nèi)環(huán)的額定電流iref【15】。而且kp的值越大，則系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但是超調(diào)量會(huì)受到影響進(jìn)而變大；ki的越大，則靜差越小，它的過渡時(shí)間則越長(zhǎng)。以下分別介紹各個(gè)模塊【9】【14】。來實(shí)現(xiàn)給開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁以及在各相的電感下降的區(qū)域建立能量磁場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能，變速輸入模塊則是用來給開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)提供變速的原動(dòng)力的。并將轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置信號(hào)θk輸入給角度判斷邏輯控制模塊，與開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的開通角θon和關(guān)斷角θoff進(jìn)行比較判斷，計(jì)算出每相所處的階段，當(dāng)θk≥θon時(shí)，進(jìn)入勵(lì)磁階段，勵(lì)磁電源開始對(duì)繞組勵(lì)磁，進(jìn)而進(jìn)入電流內(nèi)環(huán)。圖47 系統(tǒng)控制框圖為了實(shí)現(xiàn)變速恒壓發(fā)電，采用的控制策略為電壓外閉環(huán)和電流內(nèi)閉環(huán)的電流斬波控制模式，首先給定參考電壓指令Uref，將其與實(shí)際測(cè)量到的電壓Uout進(jìn)行比較，比較之后輸出它們的差值，作為電壓誤差指令，輸入PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)過Pi調(diào)節(jié)器，經(jīng)過它的調(diào)節(jié)作用后輸出電流內(nèi)環(huán)的電流指令iref。 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓控制系統(tǒng)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的發(fā)電控制系統(tǒng)由開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、不對(duì)稱功率變換器、PI調(diào)節(jié)器、位置檢測(cè)器等組成。但是需要比較高的開關(guān)頻率，而開關(guān)器件的頻繁通斷增加了器件的開關(guān)損耗，所以系統(tǒng)效率略有降低【1】【9】【13】。圖46 PWM控制方式PWM方式的一個(gè)最為突出的優(yōu)點(diǎn)就是它的可控性能好。PWM的 控制方式就是將開通角θon和關(guān)斷角θoff固定在一個(gè)優(yōu)化值上，在θon～θoff的區(qū)間內(nèi)用PWM信號(hào)來對(duì)開關(guān)器件的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)控勵(lì)磁電流的大小的目的。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。CCC方式與APC方式都很簡(jiǎn)便，但是與APC方式的不可控相比，CCC方式的可控性能好。使得在一個(gè)控制周期內(nèi)，檢測(cè)相電流和給定電流的上下限幅值相比較，當(dāng)檢測(cè)到的相電流大于給定電流的上限幅值時(shí)，開關(guān)器件關(guān)斷，從而相電流減?。划?dāng)檢測(cè)到的相電流小于給定電流的下限幅值時(shí)，開關(guān)器件開通，從而相電流增大。傳統(tǒng)的CCC控制方式就是使相電流i與斬波限iref進(jìn)行比較，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θθon時(shí)，處于導(dǎo)通區(qū)間，如果iiref，則主開關(guān)導(dǎo)通，進(jìn)行勵(lì)磁，使相電流上升并逐漸達(dá)到斬波限iref；如果iiref，則主開關(guān)關(guān)斷，電流下降；如此反復(fù)，使相電流維持在斬波限的附近并且伴有微小的波動(dòng)。這種方式比較簡(jiǎn)單，但是由于相電流不可控，它的變換率很大，對(duì)于開通角θon和關(guān)斷角θoff的微小變化都具有十分敏感的反應(yīng)，在調(diào)節(jié)上具有困難，因此一般不選用APC方式。如果θon減小或者θoff增大，則導(dǎo)致勵(lì)磁時(shí)間的增加，則勵(lì)磁電流增大，SRG的發(fā)電能力增大。所以，在開關(guān)磁阻電機(jī)的控制中一般采用改變開通角θon而固定關(guān)斷角θoff的方式。圖44 APC控制方式由于開通角θon和關(guān)斷角θoff都可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此APC可分為只改變開通角θon、只改變關(guān)斷角θoff和同時(shí)改變開通角θon和關(guān)斷角θoff三種方式。開關(guān)磁阻電機(jī)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(guān)斷角等參數(shù)，針對(duì)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(diào)制控制（PWM）。 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的控制方式開關(guān)磁阻電機(jī)由于它的雙凸極結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，磁路和電路的非線性以及開關(guān)性，使得電機(jī)的各個(gè)物理量隨轉(zhuǎn)子的位置周期性變化，定子繞組電流和磁通波形非常不規(guī)則。SRG把從主軸輸入的機(jī)械能和儲(chǔ)存在電機(jī)磁路中的磁能轉(zhuǎn)化成電能輸出。圖43（b）中，A相上面開關(guān)管Ta1關(guān)斷，下面開關(guān)管Ta2導(dǎo)通，此時(shí)加到相繞組上的電壓為零，相繞組處于續(xù)流狀態(tài)，相電流通過二極管Da2續(xù)流。SRG把從直流電源吸收的電能和從主軸輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成磁能，儲(chǔ)存在電機(jī)磁路中，相電流上升。以A相為例，圖43給出了三種工作狀態(tài)。勵(lì)磁電壓與發(fā)電電壓無關(guān)，兩者可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，控制比較方便。以A相為例，當(dāng)開關(guān)管TaTa2導(dǎo)通時(shí)，電路處于勵(lì)磁狀態(tài)，勵(lì)磁電源Us對(duì)A相繞組進(jìn)行勵(lì)磁；當(dāng)開關(guān)管TaTa2關(guān)斷時(shí)，電路處于發(fā)電狀態(tài)，A相電流通過二極管DaDa2續(xù)流，給電容C充電，并給負(fù)載供電【9】【11】【12】。圖41 自勵(lì)模式下的不對(duì)稱功率變換器自勵(lì)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。SRG發(fā)出的電能給電容C充電，當(dāng)電容C達(dá)到所需的初始值后，斷開Us，此后SRG依賴電容C的存儲(chǔ)功能給繞組勵(lì)磁，進(jìn)行自勵(lì)發(fā)電。以三相SRG為例，自勵(lì)模式和他勵(lì)模式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖41,、42所示。從開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行的勵(lì)磁階段和發(fā)電階段的工作狀態(tài)研究了它的各個(gè)方面的線性模型，并由此建立了相電感、磁鏈、轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型，為以后的研究創(chuàng)造條件。由式(311)可見，在某一轉(zhuǎn)速度下，通電時(shí)相繞組磁鏈將以一恒定比率Us/ω隨導(dǎo)通角增加而增加；在關(guān)斷瞬間，即θ＝θoff處，磁鏈獲得最大值ψmax；關(guān)斷后，磁鏈則以恒定比率Us/ω下降，如圖33所示【11】。根據(jù)初始條件ψ0=0。由圖32所示理想電感模型，在相電感的一個(gè)周期θ1～θ5內(nèi)，可以將相電感分成四段，則相電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系式可以表示為： （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。θ5與θ1位置相同，如此周而復(fù)始，往復(fù)循環(huán)。在θ4～θ5區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極不相重疊，電感保持最小值 Lmin不變。θu為轉(zhuǎn)子凸極中心與定子磁極軸線對(duì)齊的位置，稱為對(duì)齊位置。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過θ1后，相電感開始線性上升至θ2，θ2為轉(zhuǎn)子凸極前沿與定子磁極前沿重疊處，這時(shí)轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極完全疊，相電感變?yōu)樽畲笾?Lmax。為了簡(jiǎn)化分析過程，弄清開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部的基本電磁關(guān)系和基本特性，現(xiàn)做如下必要的假設(shè)：（1） 不計(jì)電動(dòng)機(jī)磁路飽和，繞組電感L與繞組電流i無關(guān)（2） 極間的磁通邊緣效應(yīng)忽略不計(jì)（3） 忽略所有的功率損耗（4） 開關(guān)動(dòng)作瞬時(shí)完成（5） 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω 是常數(shù)在上述的假設(shè)條件下，建立了開關(guān)磁阻電機(jī)的理想線性模型。本文采用線性模型。（4） 查表發(fā) 把實(shí)測(cè)或計(jì)算所得的相同相電流、相同位置角間隔的電機(jī)磁鏈特性數(shù)據(jù)ψ(i,θ)反演為相同磁鏈、相同位置角間隔的相電流特性數(shù)據(jù)i(ψ,θ)，以及轉(zhuǎn)矩特性數(shù)據(jù)Te(i，θ)以表格的形式存入計(jì)算機(jī)中，然后用查表法來求解電機(jī)模型。（3） 非線性模型 針對(duì)不同的相電流值，計(jì)算得到相電感曲線，再結(jié)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(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。 這種方法既克服了理想線性模型只能用于定性分析的缺陷，又使問題能夠解析計(jì)算，具有一定的精度。（2） 準(zhǔn)線性模型 為了避免繁瑣的計(jì)算，又近似考慮磁路的飽和效應(yīng)，可以將實(shí)際的非線性磁化曲線進(jìn)行分段線性化的近似處理，且忽略磁耦合的影響。這種方法大大簡(jiǎn)化了電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系，可以了解電機(jī)工作的基本特性和各參數(shù)間的相互關(guān)系，并作為深入探討各種控制方式的依據(jù)。到目前為止，主要采用四種方法建立SRG的數(shù)學(xué)模型：理想線性模型、準(zhǔn)線性模型、非線性模型和查表法?？紤]了非線性的所有因素，雖然可以得到一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，但計(jì)算相當(dāng)繁瑣。式中“＋”為繞組與電源導(dǎo)通期間；“－”為繞組與電源關(guān)斷后續(xù)流期間【10】。 轉(zhuǎn)矩方程SRG的電磁轉(zhuǎn)矩可以通過其磁場(chǎng)儲(chǔ)能或磁共能對(duì)轉(zhuǎn)子位置角的偏導(dǎo)數(shù)求得，即： （35）式中：Wm′(ik,θ)—繞組的磁共能，其表達(dá)式如下： （36）在對(duì)SRG性能做定性分析時(shí)，假定電機(jī)的磁路不飽和，相電感與相電流的大小無關(guān)，此時(shí)式(35)可以簡(jiǎn)化為： （37）由式(31)～式(34)以及式(37)可以建立SRG的數(shù)學(xué)模型【9】。因此，第k相繞組的磁鏈 ψk為： （33）因?yàn)镾RG磁路的非線性，每相繞組的電感Lk是相電流ik與轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)【9】。 磁鏈方程SRG各相繞組的磁鏈?zhǔn)窃撓嗬@組的電流與自感、其余各相繞組的電流與互感以及轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。圖31 一相繞組等效電路圖圖31（a）中，開關(guān)管 TkTk2導(dǎo)通，電機(jī)繞組處于勵(lì)磁狀態(tài)，此時(shí)的狀態(tài)下相繞組的電壓方程為： （31）式中：Uk—第k相繞組的電壓；Rk—第k相繞組的電阻；ik—第k相繞組的電流；Lk—第k相繞組的電感； θ—轉(zhuǎn)子位置角； ω—電機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度，ω=dθ/dt。 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的方程 電壓方程SRG的相繞組共有兩種工作狀態(tài)：勵(lì)磁狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)。最后詳細(xì)論述了開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的特點(diǎn)。 本章小結(jié)本章主要介紹了典型的開關(guān)磁阻電機(jī)的組成，并對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理做了詳細(xì)的描述。（3） 電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行輸出的是脈沖電能，如果想得到穩(wěn)定的輸出電壓，那么在輸出端則必須并聯(lián)儲(chǔ)能裝置，例如蓄電池或者是大容量的電解電容等。（2） 開關(guān)磁阻電機(jī)的每相的繞組可以等效為一個(gè)電流源的輸出，相與相間的并聯(lián)比較容易實(shí)現(xiàn)，它的結(jié)構(gòu)多種多樣。它的發(fā)電過程本身不能直接進(jìn)行控制，只能夠通過對(duì)于勵(lì)磁過程的調(diào)節(jié)，來控制發(fā)電量的輸出。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行輸出的是脈沖電能，它的勵(lì)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。對(duì)于開關(guān)磁阻電機(jī)來說，從自啟動(dòng)的能力和能否正反轉(zhuǎn)等方面來考慮，其相數(shù)m≥3，且一般都滿足 （26）式中：Zs——定子的齒極數(shù)；Zr——為轉(zhuǎn)子的齒極數(shù)。 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的等效模型根據(jù)相電流的解析線性分析，可以推導(dǎo)出來關(guān)于開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)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(shù)用一個(gè)同時(shí)可以表示為 （25）如果它的外加電源和它的角速度都是常數(shù)，那么電流波形與開通角θon、關(guān)斷角θoff以及電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)都有關(guān)，開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行時(shí)的工作特點(diǎn)使得它的輸出可以等效為一個(gè)電流源，如圖23所示。在開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電的實(shí)際運(yùn)行的過程中，由于存在的一些外界的制約因素，發(fā)電的勵(lì)磁強(qiáng)度總是受到限制。然而以上的結(jié)論都是從電機(jī)的線性模型分析而得到的，在實(shí)際的工作情況下，必須要考慮電機(jī)鐵芯的飽和因素。從式（23）中可以看到，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低時(shí)，則Ic越大，說明在低速的時(shí)候電機(jī)比較容易勵(lì)磁，式（23）用角度的方式來表示可以得到 （24）由式（24）可以得到：當(dāng)轉(zhuǎn)速越低時(shí)，則發(fā)電區(qū)的電流值就越大，因?yàn)楫?dāng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和外加的電壓一定的時(shí)候，發(fā)電運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)的大小就取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也取決于勵(lì)磁電流的大小Ic。式（22）為發(fā)電運(yùn)行的有效條件，其中的勵(lì)磁電流越大，并且轉(zhuǎn)速越高，則它的發(fā)電的出力也越大，所以發(fā)電運(yùn)行的效率也就越高。如果轉(zhuǎn)速過高，則運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)將大于反相電壓，L（di/dt)0,發(fā)電階段的相電流將上升。由它的線性模型分析可得 （21）進(jìn)入發(fā)電區(qū)域后，勵(lì)磁電流的大小能夠反映勵(lì)磁的強(qiáng)度，也能夠反映儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的大小，通過對(duì)于勵(lì)磁電流的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于發(fā)電過程的控制。這也是開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行的實(shí)際控制的特殊性。 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電狀態(tài)的工作特點(diǎn)開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)具有一定的特殊性，由于開關(guān)磁阻電機(jī)的本體只有定子繞組，其中勵(lì)磁繞組和電樞繞組合二為一。兩者的區(qū)別僅在于，前者的勵(lì)磁階段位于電感減小的區(qū)間，而后者則位于電感增大的區(qū)間。其他相電路與此類似【9】。轉(zhuǎn)子沒有繞組，定子繞組可根據(jù)需要采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的形式在各極上得到徑磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子帶有位置檢測(cè)器以提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，使定子繞組按一定的順序通斷，保持電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。TaTa2是A相主開關(guān)管,DaDa2是A相續(xù)流二極管，C為濾波電容，Us是直流電源。圖22 開關(guān)磁阻電機(jī)一相電路原理圖圖22是一臺(tái)12∕8極SR電機(jī)結(jié)構(gòu)和一相電路的示意圖，定子有3相，每相2對(duì)極，共12個(gè)極，即12組繞組。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)SRG旋轉(zhuǎn)，在適當(dāng)?shù)奈恢媒o某相通電，轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極不重合，便會(huì)有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩相反的阻力矩使其趨向于磁阻最小的位置，即轉(zhuǎn)子凸極中心與定子磁極軸線對(duì)齊的位置，同時(shí)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成磁能儲(chǔ)存在磁場(chǎng)中；在適當(dāng)?shù)奈恢媒o此相斷電，儲(chǔ)存在磁場(chǎng)中的磁能便釋放出來，并轉(zhuǎn)化成電能回饋至電源，從而完成了機(jī)械能和電能之間以磁能為媒介的機(jī)電能量轉(zhuǎn)化過程。以上的各個(gè)部分相輔相成，構(gòu)成了一個(gè)有機(jī)的整體，共同完成著磁阻電機(jī)的發(fā)電功能?？刂破飨喈?dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的大腦，它依據(jù)接收到的各種檢測(cè)信號(hào)，起著決策和指