【正文】 ble operation, low cost, flexible controlled system, speed performance, high efficiency, low temperature rise of more than a little. It bines the advantages of the AC variable speed system such as stable and durable, more suitable for harsh environment used and the DC speed control system such as it can be controlled easily. Which is seen by experts as a milestone in the development of electric drive system. The stator poles and rotor poles of the Switched Reluctance Generator (SRG) are all salient pole shape, and only on the stator pole has concentrated coil around, there39。s electric potential of movement may be less than the generated voltage during the low power phase, thus reduce motor utilization and conversion efficiency. Therefore this topic proposed take current chopped wave solutions, and rebuild their external voltage paper use of MATLAB software to a threephase 12/8 pole SRG simulation, and calculate and analysis the data. Keywords Switched Reluctance Generator。 Voltage loop。 20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)福特電動(dòng)機(jī)公司研制出最早的 SR 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。目前， SR 電機(jī)在國(guó)外已經(jīng)得到很大的發(fā)展，產(chǎn)品已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、家用電器、通用工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機(jī)、高轉(zhuǎn)速電機(jī)等 【 1】 。近幾年來(lái)南京航空航天大學(xué)、西安 交通大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)對(duì)開關(guān)磁阻起動(dòng) /發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在航空應(yīng)用進(jìn)行了可行性研究，在基礎(chǔ)理論方面對(duì)起動(dòng)特性和發(fā)電品質(zhì)及強(qiáng)勵(lì)磁拓?fù)潆娐贰l(fā)電控制策略、無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器技術(shù)控制策略等方面進(jìn)行了專題研究；在工程實(shí)踐上，南京航空航天大學(xué)開發(fā)了 3kW 和 6kW 兩套原理樣機(jī)，電機(jī)采用的是風(fēng)冷形式。目前，南京航空航天大學(xué)與陜西航空電氣有限責(zé)任公司正在進(jìn)行合作，正在研發(fā)大功率的開關(guān)磁阻起動(dòng) /發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。 選題 目的和意義 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)和其他的發(fā)電機(jī)相比較具有以下特點(diǎn)： （ 1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它的定、轉(zhuǎn)子均是簡(jiǎn)單的疊片式雙凸極結(jié)構(gòu)，定子上繞有集中繞組，而轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組和磁鋼，電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低僅僅受到轉(zhuǎn)子所用材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，因此電機(jī)可以在很高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，并且冷卻方便，因此對(duì)高溫等惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)； （ 2） 具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，電機(jī)的定子各相繞組之間在物理結(jié)構(gòu)以及燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 電磁方面都是相互獨(dú)立的，因此在出現(xiàn)一相或者兩相故障的情況下，仍然能夠有一定功率的電能輸出； （ 3） 具有良好的調(diào)節(jié)性能，通過(guò)調(diào)節(jié)它的開通角和關(guān) 斷角，可以在轉(zhuǎn)速大幅度變化的情況下調(diào)節(jié)輸出來(lái)滿足負(fù)載要求； （ 4） 可以做成轉(zhuǎn)速很高的發(fā)電裝置，從而能夠達(dá)到很高的能流密度； （ 5） 能夠比較方便地實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間的雙向轉(zhuǎn)換，可以作為起動(dòng) /發(fā)電機(jī)使用； （ 6） 輸出的電能為脈沖直流電，非常適合用于蓄電池貯存電能。 通過(guò)對(duì)于本課題的研究，可以為開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)，有利于 提高開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在飛機(jī)、艦船和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域獲得更為廣泛的應(yīng)用有著重要意義。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（ SRD）由開關(guān)磁阻電機(jī)（ SRM 或 SR 電機(jī)）、功率變換器、控制器和檢測(cè)器四個(gè)部分組成，控制器內(nèi)包含控制電路與功率變換器，而轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器則安裝在電機(jī)的一端 【 1】【 2】 。 CCC控制方案能夠確保變換器的可靠工作，同時(shí)減小了相電流對(duì)于開關(guān)管的沖擊，能夠有效的實(shí)現(xiàn)低脈動(dòng)的恒壓發(fā)電。但是由于開關(guān)頻率快 ,在大功率時(shí)它的開關(guān)損耗大 ,從而降低了系統(tǒng)的效率 ,因此 PWM控制方式在轉(zhuǎn)速變化范圍大時(shí)以及中、小功率場(chǎng)合能夠第 1章 緒論 3 體現(xiàn)出它的特殊的優(yōu)勢(shì)。而在我國(guó)關(guān)于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電方面的研究也取得了比較高的成績(jī) 【 4】 。建立了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 由于 它具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能較優(yōu)異，而且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率， 系統(tǒng)的可靠性 高等優(yōu)點(diǎn)， SRD產(chǎn)品已經(jīng) 廣泛或者開始應(yīng)用于機(jī)床設(shè)備、泵類負(fù)載、油田、紡織設(shè)備、家用電器、電動(dòng)車與驅(qū)動(dòng)、煤炭工業(yè)、高速運(yùn)行應(yīng)用場(chǎng)合等。 研究的基本內(nèi)容 學(xué)習(xí)和掌握開關(guān)磁阻電機(jī)（ SRM）的結(jié)構(gòu)和工作原理。 學(xué)會(huì)用 MATLAB 軟件，并進(jìn)行開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的運(yùn)行仿真。 使用 MATLAB，編寫和調(diào)試開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的輸出電壓控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子上既沒(méi)有繞組也沒(méi)有永磁體，而定子上繞有集中繞組，并且徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組可以串聯(lián)在一起或者并聯(lián)在一起，它們稱為 “一相 ”。常見的搭配有三相 6/4 極、三相 6/8 極、三相 12/8 極，四相8/6 極、四相 8/10 極等。 圖 21 開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)由雙凸極磁阻電機(jī)、功率變換器、轉(zhuǎn)子位置傳感器（或非直接位置檢測(cè)器）和控制器組成 【 7】 。而功率變換器對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能具有至關(guān)重要的作用，它主要具有兩個(gè)方面的作用： 連接直流電源或者整流電路與電機(jī)繞組，為機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能提供足夠的勵(lì)磁，同時(shí)通過(guò)對(duì)于開關(guān)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的控制目標(biāo)； 連接電機(jī)繞組與負(fù)載或者電網(wǎng)，為電機(jī)繞組提供儲(chǔ)能的回饋電路。而位置傳感器的作用是負(fù)責(zé)捕獲位置信號(hào)，它是開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的自同步運(yùn)行與系統(tǒng)控制的重要基礎(chǔ)。 開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理 SRG 的工作原理遵循 “磁阻最小原理 ”—磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。用同樣的方法給下一相 通電，連續(xù)不斷地按照順序給電機(jī)各相勵(lì)磁，作用在轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能將源源不斷地轉(zhuǎn)化成電能，實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行 【 8】 。轉(zhuǎn)子有 8 個(gè)極。它的定子和轉(zhuǎn)子呈雙凸極形狀，極數(shù)不相等，都由疊片構(gòu)成。電機(jī)每相繞組遇到的磁阻隨著轉(zhuǎn)子磁極的中心線與定子磁極的中心線對(duì)準(zhǔn)或錯(cuò)開而變化，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極中心線與定子磁極中心線重合時(shí)，相繞組電感最大，當(dāng)轉(zhuǎn)子槽中心線對(duì)準(zhǔn)定子磁極中心線時(shí)，相繞組電感最小。 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行和電動(dòng)運(yùn)行兩者從本質(zhì)上看都是開關(guān)磁阻電機(jī)在不同控制策略下的表現(xiàn)出來(lái)的不同特性。因此，合適的控制每相通電的開關(guān)時(shí)刻，可以使開關(guān)磁 阻電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)或發(fā)電的工作狀態(tài)。由此可見，開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行的本質(zhì)與一般的發(fā)電機(jī)不一樣，它的勵(lì)磁過(guò)程和發(fā)電過(guò)程是作為周期性分時(shí)控制的。 開關(guān)磁阻電機(jī)的有效發(fā)電條件 開關(guān)磁阻電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行時(shí)其輸出的功率是發(fā)電功率和勵(lì)磁功率的差，為了能夠輸出更大的功率，發(fā)電區(qū)域的電流需要足夠大。 當(dāng)它的勵(lì)磁電流不變時(shí)，如果轉(zhuǎn)速 ω 過(guò)低，則有 L（ di/dt)0，產(chǎn)生的電流將下降，并且下降的將越來(lái)越快。因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)有效的發(fā)電運(yùn)行，需要在發(fā)電區(qū)域的起始處滿足 0????? ??LIcU （ 22） 式中： Ic 為勵(lì)磁電流。 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的自然輸出特性 實(shí)際上，處于控制參數(shù)不變的情況下，勵(lì)磁電流 Ic 也會(huì)受到電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，勵(lì)磁電流為： )(m a x wo f fono f fLLUIc?????? ?????? （ 23） 其中： θw 為 t2 對(duì)應(yīng)的位置。式（ 24）說(shuō)明 了開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行在低速的時(shí)候容易出力，這就是它的自然特性，也是開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)之一。當(dāng)勵(lì)磁的強(qiáng)度達(dá)到一定的程度的時(shí)候，鐵芯進(jìn)入飽和的工作狀態(tài)， ???L/ 將燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 會(huì)減小，此時(shí)將會(huì)影響到發(fā)電。從這個(gè)角度看，開關(guān)磁阻電機(jī)的速度越高就會(huì) 越有利于它的發(fā)電運(yùn)行，低速發(fā)電的時(shí)候效率會(huì)偏低。 圖 23 一相繞組等效電路圖 由于電流源具有內(nèi)阻大、易于并聯(lián)等特性，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)更為靈活。 對(duì)于多相的開關(guān)磁阻電機(jī)而言，由于它的繞組具有電流源的特性，所以第 2章 開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 9 即使是在缺相的條件 下，它仍然能正常工作，因而開關(guān)磁阻電機(jī)具有很高的容錯(cuò)性，綜合以上的考慮選擇三相 12/8 極開關(guān)磁阻電機(jī)，可能夠?qū)崿F(xiàn)啟動(dòng) /發(fā)電的功能。 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的特點(diǎn) 通過(guò)對(duì)于開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行的過(guò)程的分析，能夠得到它的發(fā)電運(yùn)行具有的以下幾個(gè)特點(diǎn)： （ 1） 由于開關(guān)磁阻電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組共同使用同一套繞組，它的勵(lì)磁和發(fā)電過(guò)程必須采用周期性分時(shí)控制。而且在低速的時(shí)候發(fā)電輸出的動(dòng)態(tài)性能會(huì)比較差，而且隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)輸出的動(dòng)態(tài)性能會(huì)越來(lái)越好。發(fā)電運(yùn)行同樣能夠工作在缺相的狀態(tài)，具有良好的容錯(cuò)性，因此發(fā)電運(yùn)行具有很高的可靠性，優(yōu)于其它種類的發(fā)電機(jī)。 （ 4） 開關(guān)磁阻電 機(jī)的發(fā)電運(yùn)行具有比較好的調(diào)節(jié)性，它的可控參數(shù)比較多 【 1】 。首先介紹了 SRG 的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，論述和分析了開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第 3章 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的方程及其數(shù)學(xué)模型 SRG 運(yùn)行理論與任何電磁式機(jī)電裝置運(yùn)行理論在本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別，其主要有以下方程式組成，由此可以建立 SRG 的數(shù)學(xué)模型。其中的一相繞組的等效電路如圖 31 所示。 圖 31（ b）中，當(dāng)開關(guān)管 Tk Tk2 關(guān)斷，相電流通過(guò)二極管 Dk Dk2續(xù)流，電機(jī)繞組處于發(fā)電狀態(tài)，此狀態(tài)下相繞組的電壓方程為： ?????? // Lki k wdtL k d i ki k RkUk （ 32） 在電壓方程中，等式右端第一項(xiàng)為第 k 相回路中的電阻壓降；第二項(xiàng)是由相電流變化引起繞組中的磁鏈變化而感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，稱為變壓器電動(dòng)勢(shì)；第三項(xiàng)是由轉(zhuǎn)子位置角改變引起繞組中的磁鏈變化而感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，稱為運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì) 【 9】 。由于 SRG 各相之間的互感相對(duì)于自感來(lái)說(shuō)很小，為了便于分析，一般忽略各相之間的互感。 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程 根據(jù)力學(xué)原理，可以寫出 SRG 在原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為： dtJdDTeT /1 ?? ??? （ 34） 式中： T1—原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩； Te—電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩； D—阻尼系數(shù)； J—電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。),( （ 35） 式中： Wm′(ik,θ)—繞組的磁共能，其表達(dá)式如下： iki dikikmW ?? 0 ),(),(39。 電動(dòng)勢(shì)平衡方程 由電路的基本定理寫出電機(jī)單相電 動(dòng)勢(shì)平衡方程式： iRdtdUs ??? ? （ 38） 其中 Us 為母線電壓， i 為瞬時(shí)相電流， θ 為轉(zhuǎn)子位置角， R 為繞組電阻，ψ( i,θ)為磁鏈，其大小與電流 i 和轉(zhuǎn)子位置角 θ 有關(guān)。 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 建立 SRG 的數(shù)學(xué)模型比較困難，由于電機(jī)的磁路飽和、渦流、磁滯效應(yīng)等因素產(chǎn)生的非線性影響著電機(jī)的性能，所以很難進(jìn)行數(shù) 學(xué)模擬。因此，在性能分析求解數(shù)學(xué)模型時(shí)應(yīng)當(dāng)在實(shí)用和理論之間折衷處理。 （ 1） 理想線性模型 若不計(jì)電機(jī)磁路飽和的影響，相電感與相電流的 大小無(wú)關(guān)，且忽略磁通的邊緣效應(yīng)以及所有的損耗，此條件下的電機(jī)模型就 是理想線性模型，相電感僅僅是轉(zhuǎn)子位置角的分段線性函數(shù)。但求解的 誤差較大，精度較低。一般可用兩段線性特性來(lái)近似一系列非線性磁化曲線，一段為非飽和 段，另一段為飽和段。但精確性仍然較差，計(jì)算誤差同樣不盡人意。 這種方法相對(duì)于理想線性模型和準(zhǔn)線性模型，精度大大提高，具有精確、 高效、實(shí)用的特點(diǎn)，特別適合于仿真研究和實(shí)時(shí)控制。 這種方法較為直接，也較為精確，既可用于穩(wěn)態(tài)分析，也可用于求解瞬 態(tài)問(wèn)題 【 9】【 11】 。 由于電機(jī)內(nèi) 部的電磁關(guān)系十分復(fù)雜，故難以對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行有效的分析。 相電感的數(shù)學(xué)模型 圖 32 相電感線性模型 SRG 在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)， θ1為轉(zhuǎn)子凸極的前沿與定子磁極的后沿相遇的位置?；陔姍C(jī)綜合性能的考慮，其轉(zhuǎn)子極弧 βr 通常要求大于定子極弧