開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 源U進(jìn)行勵(lì)磁。磁力線由定子軛經(jīng)定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極鐵心、轉(zhuǎn)子極，再回經(jīng)定子極，形成閉合回路。由于定子相繞組軸線與轉(zhuǎn)子極不重合，根據(jù) “磁路最短原則”，轉(zhuǎn)子極將有向定子極運(yùn)動(dòng)趨勢，并受到該方向的力矩作用，即順時(shí)針方向，與驅(qū)動(dòng)力矩相反，同時(shí)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能將轉(zhuǎn)化成磁能貯藏在磁場中。當(dāng)開關(guān)、斷開時(shí)，相電流通過二極管、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(shí)儲(chǔ)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(jī)械能和電能之間以磁場為媒介的機(jī)電能量轉(zhuǎn)化過程。（ａ）A相通電 （b）B相通電 （c）Ｃ相通電 〔ｄ）D相通電電機(jī)旋轉(zhuǎn)至繞組軸線與轉(zhuǎn)子極軸線重合時(shí)，將勵(lì)磁切換至相，則相與轉(zhuǎn)子極之間相互作用將和相與轉(zhuǎn)子極之間相同。因此，連續(xù)不斷地按照的順序給電機(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。 值得一提的是，若作用在開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的外力方向改變時(shí)，只需改變各相的勵(lì)磁順序，即，即可維持其發(fā)電狀態(tài)。因此，方便的實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)是開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的一大特色。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。第3章 開關(guān)磁阻電機(jī)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(shí)，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(dòng)機(jī)的主開關(guān)器件的開通角和關(guān)斷角的值，來實(shí)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)。尤其是當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢較大，電機(jī)繞組電流相對較小時(shí)，最宜采用此種控制方式。角度位置控制是通過控制開通角和關(guān)斷角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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。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。改變開通角，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(guān)斷角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，因此同樣對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，只是其影響程度沒有那么大。故一般采用固定關(guān)斷角，改變開通角的控制方式。APC控制方式有其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：首先電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大。假設(shè)定義電流存在區(qū)間t占電流周期T的比例為電流占空比，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。其次，電動(dòng)機(jī)在角度位置控制方式下運(yùn)行效率高。通過角度優(yōu)化，能使電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載下保持較高的效率，可實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)控制或轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制。但是,角度位置控制不太適用于低速。因?yàn)檗D(zhuǎn)速降低時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢減小，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)用場合。 低速工作時(shí)多采用斬波控制方式，用來限制電流峰值。低速時(shí)，繞組導(dǎo)通周期長，磁鏈及電流峰值大，靠加大導(dǎo)通角，減小導(dǎo)通區(qū)固然可以限流，但會(huì)降低有效利用率，因此，適合采用斬波限流。一般在低速運(yùn)行時(shí)，將使電機(jī)的開通角和關(guān)斷角保持不變，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。 CCC方式下的斬波電流波形在 時(shí)，功率電路開關(guān)元件接通(稱相導(dǎo)通)，繞組電流從零開始上升，當(dāng)電流達(dá)到斬波電流上限值時(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。經(jīng)時(shí)間，或電流降至斬波電流下限值時(shí)，重新導(dǎo)通(稱斬波導(dǎo)通)，重復(fù)上述過程，則形成斬波電流波形，直至?xí)r實(shí)行相關(guān)斷，電流衰減至零。CCC控制方式又分為起動(dòng)斬波模式、定角度斬波模式和變角度斬波模式。起動(dòng)斬波模式是在SR電機(jī)起動(dòng)時(shí)采用的，此時(shí)要求轉(zhuǎn)矩要大，同時(shí)又要限制相電流峰值，故通常固定開通角和關(guān)斷角，導(dǎo)通角值相對較大；定角度斬波模式通常在電機(jī)起動(dòng)后，低速運(yùn)行時(shí)采用，導(dǎo)通角值保持不變，但值限定在一定范圍內(nèi)，相對較小；而變角度斬波模式通常在電機(jī)中速運(yùn)行時(shí)采用，此時(shí)通過電流斬波、開通角、關(guān)斷角同時(shí)起作用來進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。 電壓PWM控制 在～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，占空比可調(diào)，在內(nèi)，繞組加正電壓，內(nèi)加零電壓或反電壓。改變占空比，則繞組電壓的平均值將會(huì)變化，進(jìn)而間接改變相繞組電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，這就是電壓斬波控制。與電流斬波控制方式類似，提高脈沖頻率，則電流波形比較平滑，電機(jī)出力增大，噪聲減小，但功率開關(guān)元件的工作頻率增大，成本有所增加。電壓PWM控制通過調(diào)節(jié)相繞組電壓的平均值，進(jìn)而能間接地限制和調(diào)節(jié)相電流，因此既能用于高速調(diào)速系統(tǒng)，又能用于低速調(diào)速系統(tǒng)。電壓PWM控制法雖然簡單，但調(diào)速范圍較小。其它特點(diǎn)則與電流斬波控制方式相反，它適合于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，缺點(diǎn)是低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。 在對SRM的機(jī)理和控制策略進(jìn)行闡述后，針對設(shè)計(jì)樣機(jī)，將采用PWM的控制方式，采用速度反饋閉環(huán)和電流反饋閉環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，并且能夠運(yùn)用DSP軟件對系統(tǒng)進(jìn)行控制。 單相起動(dòng)方式在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程中，任一瞬時(shí)，SR電機(jī)的繞組只有一相繞組通電產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這種起動(dòng)方式便稱之為單相起動(dòng)方式。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。，將各相轉(zhuǎn)子的位置角的參考坐標(biāo)統(tǒng)一取在A相最小電感處，將A, B, C, D四相繞組通電的矩角特性畫在一起。 單相起動(dòng)運(yùn)行四相SR電動(dòng)機(jī)合成轉(zhuǎn)矩波形由上圖不難看出，各相轉(zhuǎn)矩曲線互相重疊，在任意轉(zhuǎn)子位置上都有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置不同，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小也不一樣。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。由圖可知這種單相起動(dòng)方式的最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為相鄰兩相矩角特性交點(diǎn)處的轉(zhuǎn)矩，顯然，加在SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須小于最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)才可能在任意位置都能起動(dòng)，否則便會(huì)出現(xiàn)“起動(dòng)死區(qū)”。因此，最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩代表了SR電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載起動(dòng)能力的極限。電動(dòng)機(jī)的最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩值不僅與起動(dòng)電流、相鄰相繞組矩角特性重疊有關(guān)，而且與矩角特性的波形有關(guān)。 雙相起動(dòng)方式 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程中，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)方式便稱之為雙相起動(dòng)方式。如果起動(dòng)時(shí)SR電機(jī)兩相繞組同時(shí)導(dǎo)通，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩由兩相繞組共同產(chǎn)生。忽略相間磁禍合和磁路飽和的影響，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可根據(jù)各相矩角特性線形相加。 雙相起動(dòng)運(yùn)行四相SR電動(dòng)機(jī)合成轉(zhuǎn)矩波形顯然 ，采用雙相起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯減小，平均轉(zhuǎn)矩增大，兩相起動(dòng)時(shí)的最小轉(zhuǎn)矩等于一相起動(dòng)時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩。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。而且，兩相起動(dòng)方式的最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比值減小，所以起動(dòng)過程較平穩(wěn)。再者，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，雙相起動(dòng)的電流幅值明顯小于單相起動(dòng)的電流幅值，降低了主開關(guān)管的電流容量要求，減少了系統(tǒng)成本。在任意轉(zhuǎn)子位置，兩相起動(dòng)的轉(zhuǎn)矩均比較一致，產(chǎn)生的電流沖擊和機(jī)械沖擊比較小，起動(dòng)性能明顯優(yōu)于一相起動(dòng)。通過以上對電機(jī)起動(dòng)方式的分析可見，雙相起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，對于提高電機(jī)的容量，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)有著重要意義。同時(shí)，對于單邊磁拉力引起的噪聲也有一定的降低，對于本設(shè)計(jì)的四相電機(jī)來說，若在運(yùn)行中有兩相繞組同時(shí)通電，則相當(dāng)于一相繞組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的單邊磁拉力分解成不同圓周角度上的兩部分力，故而對徑向磁拉力引起的噪聲的降低也有一定的貢獻(xiàn)。第4章 開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 建立SR電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的主要困難在于電動(dòng)機(jī)的磁路飽和、渦流和磁滯效應(yīng)等產(chǎn)生的非線性，這些非線性影響著電動(dòng)機(jī)的性能，但卻很難進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。考慮了非線性的所有因素，雖然可以建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型，但是計(jì)算相當(dāng)?shù)姆爆崱Ｒ虼耍谛阅芊治龊颓蠼饨?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。 目前人們針對電機(jī)磁鏈的變化，常采用以下幾種方法來建立模型口： (a)理想線性模型 若不計(jì)電機(jī)磁路的飽以及邊緣效應(yīng)等影響，假定電機(jī)相繞組的電感與電流大小無關(guān)，且不考慮磁場邊緣擴(kuò)散效應(yīng)，可用SR電動(dòng)機(jī)的理想線性模型將磁鏈近似為電流的線性函數(shù)，這種方法可了解電機(jī)工作的基本特性和各參數(shù)之間的相互關(guān)系，并可作為深入探討各種控制方式的依據(jù)，但求解的誤差較大，精度較低。 (b)準(zhǔn)線性模型 因?yàn)榇沛溤陲柡蛥^(qū)和非飽和區(qū)有不同的線性變化率，為了近似地考慮磁路的飽和效應(yīng)、邊緣效應(yīng)，可將實(shí)際的非線性磁化曲線分段線性化，同時(shí)不考慮相間禍合效應(yīng)，可將—曲線分為兩段(線性區(qū)和飽和區(qū))或三段(線性區(qū)、低飽和區(qū)和高飽和區(qū))，這樣可以用不同的解析式來表示每段磁化曲線。 以上兩種模型，電感參數(shù)均有解析表達(dá)式；在用于分析電機(jī)性能時(shí)，電流和轉(zhuǎn)矩也均有解析解，因此一般可用于定性分析。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)。但是SR電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流、磁鏈等參數(shù)隨著轉(zhuǎn)子位置變化的規(guī)律很復(fù)雜，難以用簡單的解析表達(dá)式來表示，因此很難建立精確可解的數(shù)學(xué)模型。 (c)非線性函數(shù)擬合模型 將磁鏈用一非線性函數(shù)近似擬合，函數(shù)的選取決定擬合的精確度。顯然，磁鏈隨著轉(zhuǎn)子位置不同而變化的規(guī)律是很復(fù)雜的，采用非線性函數(shù)來擬合磁鏈的變化規(guī)律將是一項(xiàng)很困難的工作。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(dá)式來進(jìn)行表示。 (d)查表法該方法是把實(shí)測或計(jì)算所得的等角度、等電流間隔電機(jī)磁特性數(shù)據(jù)反演為等角度、等磁鏈間隔的電流特性數(shù)據(jù)，的連同矩角特性數(shù)據(jù)的以表格形式存入計(jì)算機(jī)中，然后用查表法數(shù)值求解非線性模型，這種方法較為直接、也較為精確，既可用于穩(wěn)態(tài)分析，也可用于解瞬態(tài)問題。 SR電機(jī)的方程 SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的理論與任何電磁式機(jī)電裝置運(yùn)行的理論在本質(zhì)上沒有什么區(qū)別，對于m相SR電動(dòng)機(jī)，若不計(jì)磁滯、渦流及繞組間互感時(shí)。 m相SR電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)示意圖 圖中，表示電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，為SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，代表粘性摩擦系數(shù)，表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 建立SR電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)，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(yīng)，且不計(jì)磁場邊緣效應(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恒定不變。 在建立各項(xiàng)方程前，設(shè)相SR電機(jī)各相結(jié)構(gòu)和參數(shù)一樣，且第相的磁鏈為、電壓為、電阻為、電感為、電流為、轉(zhuǎn)矩為，轉(zhuǎn)子位置角為，電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速為。 下面分別針對這種“理想”的機(jī)電系統(tǒng)建立磁鏈方程、電壓方程和機(jī)械聯(lián)系方程。（1）磁鏈方程一般來說，SR電動(dòng)機(jī)的各相繞組磁鏈為該相電流與自感、其余各相電流以及轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，即： （）由于SR電動(dòng)機(jī)各相之間的互感相對自感來說甚小，為了便于計(jì)算，一般忽略相間互感，因此，磁鏈方程也可簡寫成該相電流和電感的乘積，即：