【正文】 與由 50H/60H 電源逆變器供電的異步電動機市場相適應的，而 750～ 3000r/min 的 SRD 則與傳統(tǒng)直流電動機市場相適應。比如，使用 SRD 驅(qū)動風扇，泵類、壓縮機等，可在很大速度范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率運行，可明顯地節(jié)能，并在短期內(nèi)收回成本。 我國大約在 1985 年才開始對 SRD 系統(tǒng)進行研究。華中科技大學開關磁阻電機課題組在 “ 九五 ” 項目中研制出使用 SRD 的純電動轎車，在 “ 十五 ” 項目中將 SRD 應用到混合動力城市公交車，均取得了較好的運行效果。 美國、加拿大、南斯拉夫、埃及等國家也都開展了 SRD 系統(tǒng)的研制工作。在定子方面，它只有幾個集中繞組，線圈嵌裝容易，端部短而牢固，因此制造簡便，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，并且發(fā)熱大部分在定子，易于冷卻 ； 其次，電機轉(zhuǎn)矩方向與相電流方向無關，在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)均具有高輸出和高效率 ；再次， 電機 起 動轉(zhuǎn)矩大，可靠性高，能適用于危險的環(huán)境，且控制方式很靈活。只要控制主開關器件的開通、關斷時間，即可改變電動機的工作狀態(tài)。因此開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)中功率電路的保護部分可以簡化，既降低了成本，又具有較高的可靠性。這是因為一方面電動機轉(zhuǎn)子不存在繞組銅耗，另一方面電動機可控參數(shù)多，靈活方便，易于在寬轉(zhuǎn)速范圍和不同負載下實現(xiàn)高效優(yōu)化控制。且電機起動時，只需從電源側(cè)提供較少的電流，就能在電動機側(cè)得到較大的起動轉(zhuǎn)矩?？煽貐?shù)多，意味著控制靈活方便，可以根據(jù)對電動機的運行要求和電動機的情況，采用不同控制方法，使之有效的運行。即使某相繞組或主開關管出現(xiàn)故障，電機依然能平穩(wěn)運行，可適用在可靠性要求較高的場湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 合，如適合在高粉塵、易燃、易爆等惡劣環(huán)境下和要求超高速等場合下運行，并可廣泛地應用在紡織、造紙、煤礦、航空等領域。 當然， 就目前的發(fā)展水平而言， SR 電動機主要 還 存在 如下 缺點 ： (1) 采用的是磁阻式 電動機，其能量轉(zhuǎn)換密度低于電磁式電動機。 15%。 (3) 相數(shù)越多，主接線數(shù)越多，此外還有位置傳感器的出線。 (5) 不能像籠型異步電動機那樣直接接人電網(wǎng)作穩(wěn)速運行，而必須與控制器一同使用。 (2) 無位置傳感器 SRD 系統(tǒng)的研制 位置檢測環(huán)節(jié)是 SR 電動機驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部分，檢測到的位置信號既是繞組開通與關斷的依據(jù)，也為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制提供了轉(zhuǎn)速信息。既增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜性和成本，降低了可靠性，同時又給安裝、調(diào)試帶來了不便。位置傳感器的取消將使 SRD 系統(tǒng)有更多的優(yōu)勢與直流及交流變頻調(diào)速相競爭。因此，研究具有較高動態(tài)性能、算法簡單、能抑制參數(shù)變化、撓動及各種不確定性干擾的 SRD 系統(tǒng)控制技術(shù)成為近期的重要任務， SRD 系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制、智能控制技術(shù)的研究成為熱點。SR 電機的鐵損耗計算難度較大，這是因為電機供電波形復雜、電機磁路局部飽和嚴重、電機的步進運行狀態(tài)幾雙凸極結(jié)構(gòu)等特點。鐵損耗分析的目的是建立準確、實用的鐵損耗計算模型和分析、測試手段，以及從電機、電路結(jié)構(gòu)和控制方案著手，研究減少損耗、提高效率的措施。由于 SRD 系統(tǒng)是脈沖供電工作方式，瞬時轉(zhuǎn)矩波動大，低速時步進狀態(tài)明顯，振動噪聲大，這些缺點限制了其在諸如伺服驅(qū)動這類要求低速運行平穩(wěn)且有一定靜態(tài)轉(zhuǎn)矩保持能力場合下的應用。 (6) 控制參數(shù)方面的優(yōu)化 根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，可選取不同的目標函數(shù)，如系統(tǒng)的效率最高、平均轉(zhuǎn)矩最大、轉(zhuǎn)矩 波 動系數(shù)最小等。與傳統(tǒng)的電機調(diào)速系統(tǒng)相比， SRD系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化控制的難度要高一些。如采用傳統(tǒng)的 PI 調(diào)節(jié)器，以斬波電流限為控制變量，實現(xiàn)了 SR 電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。這些現(xiàn)代控制技術(shù)的使用部分解決了 SRD 系統(tǒng)的非線性多變量強耦合問題，但離實用技術(shù)還有一定距離，主要表現(xiàn)在一些控制技術(shù)中為設計目的提出的模型太過復雜而難以用于 SR 電機實時控制，而有的為控制目的提出的模型則過于簡單而影響了控制的實際效果，或者因控制參數(shù)難于確定而失去實用的價值。 (7) 功率變換器拓撲結(jié)構(gòu) 的研究 由于 SRD 系統(tǒng)的性能和成本很大程度上取決于功率變換器的性能和成本，因此功率變換器的研究意義重大，目前研究主要集中在功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)設計、主開關器件的選擇和 使用等方面。 SRD 系統(tǒng)功率變換器研究初期，最少量主開關器件的拓撲結(jié)構(gòu)曾是研究的熱點，這是因為主開關器件的減少，意味者相應的驅(qū)動電路、緩沖電路以湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 及功率損耗等相應減少，因此系統(tǒng)的體積以及成本會全面降低。因此更理想的功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)應該為 ： ① 能夠獨立、快速又精確地對 SR 電機各相相電流進行控制 。 ③ 驅(qū)動同等功率等級的 SR 電機，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量，可以驅(qū)動更高功率等級的 SR 電機 。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 6 第 2 章 開關磁阻電機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 開關磁阻電機的基本組成環(huán)節(jié) 開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)主要是由 SRM、主電路、控制器和檢測器四部分組成，基本框圖如圖 所示。它遵循磁通總是要沿著磁導最大的路徑閉合的原理，由磁拉力作用產(chǎn)生具有磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。 功率變換器向 SRM 提供運轉(zhuǎn)所需的能量，由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電。其主要作用有： （ 1） 向 SR 電動機傳輸電能，滿足機電能量轉(zhuǎn)換的需要； （ 2） 起開關作用，使 SR 電動機的各相繞組適時通斷； （ 3） 為 SR 電動機各相繞組的儲能提供回饋路徑。其性能好壞直接影響到電機的運行性能。提供轉(zhuǎn)子的位置信息從而確定各相繞電源 主電路 SRM 給定指令 控制器 電流檢測 速度檢測 位置檢測 驅(qū)動電路 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 組的開通和關斷，提供電流 信息來完成電流跟蹤控制或采取相應的保護措施以防止過電流。由于 SRD 功率變換器只需要給電動機提供單方向電流，故它比異步電動機 PWM 變頻器簡單、可靠。這就使得其主開關器件的定額計算較為復雜，主開關器件的選擇與電動機功率、供電電壓、峰值電流、成本等有關，還與主開關器件本身的開關速度、觸發(fā)難易、開關損耗、抗沖 擊性、耐用性等有關。 功率變換拓撲電路 功率變換器應與電動機結(jié)構(gòu)匹配，達到效率高、控制方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等基本要求，一個理想的功率變換器主電路結(jié)構(gòu)形式應同時具備如下條件 ： (1） 最少數(shù)量的主開關元件； (2)可將全部電源電壓加給電動機相繞組； (3)主開關器件的電壓額定值與電動機接近； (4)具備迅速增加相繞組電流的能力 ； (5)可通過主開關器件調(diào)制，有效地控制相電流； (6)在繞組磁鏈減少的同時，能將能量迅速地回饋給電源。其中，最常見的拓撲結(jié)構(gòu)有：電機雙繞組型、電容裂相型、 H 橋型、不對稱半橋式、具有最少數(shù)量主開關器件的功率變換器電路等。 (1)電機雙繞組型 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 8 圖 圖 所示是早期使用的雙繞組結(jié)構(gòu)，通常主副繞組采用雙線并繞的 形式， 以得到最大的互感系數(shù)，主繞組開關元件 S 斷開后，主繞組的能量通過互感傳到副繞組，再通過二極管續(xù)流。雙 繞組主電路十分簡單，每相繞組只有一只主開關及一只續(xù)流二極管。這種主電路可適用于任意相數(shù)的開關磁阻電機，尤其適宜于低壓直流電源。將整流橋輸出的電壓用雙電容裂相 (電容同時也起濾波、存儲繞組回饋能量的作用 )，采用這種電路，可 對電動機的各相獨立控制，每相只需一個主開關元件和一個續(xù)流二極管。主開關元件的額定工作電壓為 (1＋ D) SV ，采用電容裂相以后，電源電壓利用率降低，主開關元件的電流為圖 中的兩倍 (同功率情況下 )。電機每相繞組的外施電壓為電源電壓的一半，因為任一相繞組電路必須以其它繞組為通路，換相相的磁能一部分回饋電源，另一部份注入導通相繞組，因此只能工作 在兩相同時通電方式，從而缺少一些控制靈活性。但它只適合于四相或者四的倍數(shù)相的 SR 電機 。以 A 相為例，每相有兩個主開關管 S1 和 S5 及續(xù)流二極管 D1 和 D5。當 S S5 導通時， D1 和 D5 截止，外加電源 SV 加至 A 相繞組的兩 端，產(chǎn)生相電流 aI ；當 S S5 關斷時， A 相繞組產(chǎn) 生的變壓器電壓勢極性如圖 所示 ，則 D D5 正向?qū)?，電流通過 D D5 及儲能電容 C 續(xù)流， C 將吸收 A 相繞組的部分磁場能量 。 控制器 控制器是 SRD 系統(tǒng)的 主要 大腦，起決策和指揮作用?？刂破饕话阌蓡纹瑱C或者 DSP 芯片及外圍接口電路組成，在其中實現(xiàn)電機參數(shù)的比較分析以及控制運行算法的實現(xiàn)，在 SRD 系統(tǒng)中，要湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 求控制器實現(xiàn)下述性能： （ 1） 電流斬波控制； （ 2） 角度位置控制； （ 3） 啟動、控制、停車及四象限運行； （ 4） 速度調(diào)節(jié)。 位置檢測 根據(jù)所用光電傳感器個數(shù)的不同，位置檢測的方法可分為全數(shù)檢測和半數(shù)檢測兩種。半數(shù)檢測能節(jié)約成本，在本文位置檢測采用光電位置傳感器，它由裝在軸上的轉(zhuǎn)盤和裝在定子上的光電傳感器件 01V 和 02V 組成。對于四相 8/6極電機，只須在定子極上安裝兩個相距 1/4轉(zhuǎn)子齒距角，即相距 075 或 015的光電元件，見圖 。 A 相是處于和轉(zhuǎn)子極重合的位置，此時其相電感最大，可以看出其與光電傳感器的齒盤是不重合的，而是由一個 的夾角。當凸極遮住光線的時候，傳感器輸出低電平，沒有遮擋的時候輸出高電平，圖 表示的就是由傳感器產(chǎn)生的兩路輸出位置信號，并且給出它們與相繞組電感之間的對應關系。通過分析兩路方波信號的位置狀態(tài)以及對兩路方波信號上升、下降沿的捕獲，可以得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的位置角度，可實現(xiàn)位置信號的反饋。 電流檢測 為了實現(xiàn)過電流保護，使電機安全運行 ，必須對繞組中的電流進行檢測 ，電流檢測電路一定要符合以下的條件： （ 1） 被測主電路 (強電部分 )與控制電路 (弱電部分 )間應良好隔離，且有一定的抗干擾能力。 （ 3） 單相電流檢測，在一定工作范圍內(nèi)具有良好的線性度。轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，定子上繞有集中繞組，由徑向相對的兩個繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組。并且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向與電流方向無關，僅取決于勵磁順序。當主湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 開關 K1 和 K2 導通時，定子繞組接受外電路的勵磁，外部供給 的電能和機械能均轉(zhuǎn)化為磁場儲能； 當主開關關斷并通過二極管 D D2 續(xù)流時，磁場儲能和機械能都轉(zhuǎn)化成電能回饋電源或向負載供電。下面就以常用的四相 8/6 極開關磁阻發(fā)電機為例進一步闡釋其運行機理。設發(fā)電機在外力的驅(qū)動下， 以逆時針方向旋轉(zhuǎn)。BB? 相繞組與轉(zhuǎn)子磁極 39。磁力線由定子 軛 經(jīng)定子極 A 、氣隙、轉(zhuǎn)子極 鐵心、轉(zhuǎn) 子極 1? ，再回經(jīng)定子極 A’ ，形成閉合回路。當開關 1K 、 2K 斷開時 ， AA?’ 相電流通過二極 管 1D 、 2D 續(xù)流，繞組內(nèi)的電流方向不改變，電源 E 極性與原來相反，此時儲存在磁場中的磁能將釋放出來，并轉(zhuǎn)化成電能，回饋至電源，從而完成了機械能和電能之間以磁場為媒介的機電能量轉(zhuǎn)化過程。因此，連續(xù)不斷地按照 A B C D A? ? ? ?的順序給電機各相勵磁 ， 作用在轉(zhuǎn)子上的機械能將源源不斷地轉(zhuǎn)化成電能，實現(xiàn)發(fā)電運行 。因此，方便的實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)是開關磁阻發(fā)電機的一大特色。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 15 第 3 章 開關磁阻電機控制 策略 角度位置控制 在直流電壓的斬波頻率和占空比確定時，加于相繞組兩端的電壓大小不變的情況下，可通過調(diào)節(jié) SR電動機的主開關器件的開通角 on? 和關斷角 off? 的值，來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和速度的調(diào)節(jié)，此種方法便稱之為角度位置控制 (APC)。 角度 位置控制是通過控制開通角 on? 和關斷角 off? 來改變電流波形以及電流波形與繞組電感波形的相對位置，這樣就可以改變電動機的轉(zhuǎn)矩，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。改變開通角 on? ，可以改變電流的波形寬度、電流波形的峰值和有效值大小以及電流波形與電感波形的相對位置；改 變關斷角 off? 一般不影響電流峰值，但可以影響電流波形寬度以及與電感曲線的相對位置，電流有效值也隨之變化，因此 off? 同樣對電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，只是其影響程度沒有 on? 那么大。 APC控制方式有其自身獨特的優(yōu)點： 首先電機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大。其次，電動機在角度位置控制方式下運行效率高。但是 ,角度位置控制不太適用于低速。 低速工作時多采用斬波控制方式，用來限制電流峰值。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 16 一般在低速運行時，將使電機的開通角 on? 和關斷角 off? 保持不變，而主要靠控制斬波電流的大小來調(diào)節(jié)電流的峰值，從而起到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的，工作在CCC方式下的斬波電流波形如圖 。經(jīng)時間 1T ，或電流降至斬波電流下限值時，重新導通 (稱斬波導通 )，重復上述過程，則形成斬波電流波形，直至 off??? 時實行相關斷，電流衰減至零。起動斬波模式是在 SR電機起動時采用的，此時要求轉(zhuǎn)矩要大，同時又要限制相電流峰值，故通常固定開通角 on? 和關斷角 off? ，導通角 e? 值相對較大 ； 定角度斬波模式通常在電機起動后，低速運行時采用，導通角值保持不變，但值限定在一定范 圍內(nèi)，相對較小 ； 而變角度斬波模