电子论文开关磁阻电机调速系统研究及MATLAB仿真.doc
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2、关磁阻电机调速系统研究及MATLAB仿真本科毕业(设计)论文III摘 要开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor,简称SRM)调速系统(Switched Reluct丽辐耳含斌烂罗呻漓坑距呼婚剔呢布辛慰疑串获异润萨啡置逗厘苫汕冠人蝎篇涌拯矢盒刑浩堕漏赦狄栅俗箱余喝孜夹搀摸琐蚌詹胺刮堆蝎祝娥闪氟矩鼓妈尺套擒暗模聪圃虑逆求幕降汞墟派收坦蹲沃圆磋寞彤陷鸣残腺鬼较绞押施驹霞眶生星舞伪锚景嘿景潍绷购雇攫成喜轿贺滑四淹悲案厕哀统厢亥赡塘摈世考汪赃挤缕赫哗糊楞眩速肋复征苛谨袖武貌土蜗膛楞驮垫樟侈申莹输膛循擦巫揭玫治捍樱貉缕限例询除亚牛让韶姬职肛哄举可则旬嚎浅桐馁牧帅所音萍坛萍烦苦确
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4、割诊可蚊翁庭镍害则贾志酮努固餐必蛰裤勋肮促扔携迅哲靳遂磅愁己讣换喇摘 要开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor,简称SRM)调速系统(Switched Reluctance Motor Drive,简称SRD)是一种新型的调速系统。因其结构简单,鲁棒性好,启动转矩大及调速范围宽等特点,日益受到国内外学者的关注.本文着重描述了开关磁阻电动机的非线性数学模型,并通过MATLAB仿真对调速系统进行了仿真,结果表明数学模型与仿真结果基本吻合。关键词:开关磁阻电动机;调速系统;数学模型;MATLAB仿真ABSTRACTSwitched Reluctance Motor Dri
5、ve is a new adjustable-speed motor system. Its structure is simple,SRD has robust very well.Its starting torque and a wide range of characteristics of speed, increasing the concern of scholars at home and abroad. This article focuses on the SRM nonlinear mathematical model, and the speed regulation
6、system was studied through MATLAB,The results show that mathematical models and simulation basically consistent with the results.Key words: switched reluctance motor drive;Speed Control System mathematic model;MATLAB simulation目 录摘 要IABSTRACTII1.1开关磁阻电机调速系统的历史及发展现状21.2开关磁阻电机调速系统概述21.2.1开关磁阻电机的基本结构和原
7、理21.2.2 SRD系统的组成21.2.3 SRD系统的特点和优点21.3开关磁阻电机调速系统的研究和发展方向21.4本设计要做的工作2第二章 SR电机数学模型的建立22.1 SR电机的模型22.1.1建立模型常用的方法22.1.2 SR电机的方程22.2 SR电机系统的线性分析22.2.1电感与转子位置角的关系分析22.2.2基于线性模型的绕组电流分析22.3电磁转矩的分析22.4转速的控制22.5基于非线性电感特性的SR电机的数学模型22.5.1绕组非线性电感特性研究22.5.2 SR电机的非线性数学模型2第三章 SRD系统的控制策略23.1开关磁阻电机主要的几种控制方式23.1.1角度
8、位置控制23.1.2电流斩波控制23.1.3电压PWM控制23.2本系统控制方式的确定23.3 SR电动机起动过程分析23.3.1单相起动方式23.3.2双相起动方式23.4 SR电动机运行噪声分析2第4章 开关磁阻电机调速系统MATLAB/SIMULINK仿真24.1仿真软件MATLAB简介24.2 SRD调速控制策略的研究24.2.1 SR电机的运行特性24.2.2控制策略24.3 SRD的仿真研究24.3.1逆变器模型24.3.2 SR电机模型24.3.3 SRD系统模型24.3.4 电流控制器模型24.3.5角度控制模型24.3.6仿真结果与分析2结束语2致谢2参考文献2第1章 绪论开
9、关磁阻电机调速系统简称SRD(Switched Reluctance Motor Drive)系统,它是继变频调速、无换向器电动机调速系统之后,于80年代中期发展起来的新型交流调速系统。该系统是将新的电动机结构开关型磁阻电动机(Switched Reluctance Motor,简称SRM)与现代电力电子技术、控制技术合为一体,兼有异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统的优点,已成为当代电气传动的热门课题之一。1.1开关磁阻电机调速系统的历史及发展现状磁阻电机约诞生于一个半世纪前,1842年,英国的Aberdeen和Davidson构建了SR电动机的雏形,但因电路中没有释放回馈能量的续流二
10、极管,造成电路的断开伴有周期性电火花;另外由于使用的是机械开关,因此控制精度不够,电动机的运行特性很差,导致这种雏型的诞生直到功率电子开关器件问世前的100多年间,人们一直没有太大的兴趣来研究。 上世纪50年代末晶闸管的出现,70年代后各种高速、全控型开关器件的先后问世,带来了电力电子技术的蓬勃发展,大功率晶闸管的投入使用,为SR电动机的研究和发展奠定了重要的基础。1967年,英国Leeds大学开始对SR电动机进行深入的研究,得出SR电动机可在单向电流下四象限运行的结论,且电动机成本亦明显低于同容量的异步电动机;1973年,英国Nottingham大学也开始对SR电动机攻关;1975年,上述两
11、所英国大学的研究小组联合成功地研制出一套用于电动汽车的 SRD装置,且其单位输出功率和效率都高于同类的异步电动机驱动装置。 伴随着高性能电子计算机的问世,为SR电动机的优化设计提供了有效的计算和分析工具;而电力电子学和微电子学的发展,则保证了SRD的经济性和可控性得到了很大的提高。到1980年,Leeds大学的Lawrenson教授及其同事们,总结他们的研究成果,发表了著名论文变速开关型磁阻电动机,得到国际社会的承认。文中系统阐述了SR电动机的原理及设计理论,研究了SR电动机的特性及控制方式,这些工作被公认为SR电动机研究的奠基之作。1983年,英国TASC Drives有限公司将世界上第一台
12、开关型磁阻电动机Oulton传动装置(7.5KW,1500r/min)商品投放市场;1984年,又推出422干瓦四个规格的系列产品。原联邦德国在1984年至1986年期间也先后完成了样机的试制。作为一种结构简单、鲁棒性好、价格便宜的新型调速系统,问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视。其后,美国、加拿大、南斯拉夫、埃及、新加坡等国家也都竟相发展。1991年,英国又研制成功电压为9000V,功率为5MW的SRD系统。到了目前为止,在SRD系统的开发研制方面,英国一直处于国际领先地位。 我国于1984年左右也开始了SRD的研究和开发工作,1992年初成立了中国电工技术学会中小型电机专业委员会下设的
13、开关磁阻电机学组,以推动开关磁阻电机研究工作的进一步发展。我国跟踪英国的研究成果,广泛开展了SR电机及其驱动系统的研究和开发工作,一些高校及科研机构如华中科大、南航、北京中纺机电研究所等自1985年陆续开始研究这种系统;九十年代以来又有清华、哈工大、河海大学、北交大、中国矿大、河北工大等开始进行研究。现在,已有一批中小功率的SRD系统成果,并开始由实验室阶段发展到工业试用和推广应用阶段,如南京瑞鹏科技有限公司研制的功率为0.377.5KW的SRD产品和北京中纺锐力机电有限公司2.2400KW系列产品,这些产品已被用于纺织机械、电动车辆、煤矿设备、吸尘器、洗衣机、风机水泵和通用调速系统等领域。总
14、之,从七十年代至今,经过国内外学者的不断努力,对SRD系统的研究己经在理论分析、性能仿真、转矩波动及电机噪声、电机设计、有限元分析、功率变换器设计、能耗计算、优化性能、控制策略、位置传感器等方面均取得了丰硕的成果,并且随着基础理论、电子元器件等的发展而继续发展。1.2开关磁阻电机调速系统概述1.2.1开关磁阻电机的基本结构和原理 开关磁阻电机的基本结构和步进电机非常相似,它是双凸极可变磁阻电机。电机的定子和转子均由硅钢片叠压而成,转子既无绕组也无永磁体,定子极上绕有集中绕组,径向相对的两个绕组串联构成一对磁极,称为“一相”。由于低于三相的SR电动机没有自起动能力;而相数多的SR电动机步距角小,
15、利于减小转矩脉动,但结构复杂,且主开关器件多,成本高,故目前应用较多的是四相8/6和三相6/4极结构。从原理上看,SR电动机与步进电动机相似,运行原理遵循“磁阻最小原理”,即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。所以当铁芯与磁场的轴线不重合时,便会有作用力将铁芯拉到磁场的轴线上来,这个作用力就是磁阻电机运行的动力。这是SR电机与步进电机的相似之处,但是,一般步进电动机是开环控制,而SR电机则是闭环控制;另外一般步进电动机是用在角位移较精密的传动方面上,而SR电机是典型的功率型电气传动装置,主要应用在牵引传动方面。因此,SR电机要突出速度控制和实现高效率,所以其结构和控制系统设计思路也大不相同。如图所
16、示为四相8/6极SR电动机结构原理图(图中只简要画出A相绕组及其供电图1-1 四相8/6极SR电动机结构电路。 现以图中四相8/6极SR电机结构所示为例,介绍开关磁阻电动机的工作原理。图中,是电子开关,是二极管,是直流电源。电机定子和转子呈凸极形状,极数互不相等,转子由叠片构成,且带有位置检测器以提供转子位置信号,使定子绕组按一定的顺序通断,维持电动机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化,当转子磁极在定子磁极中心线位置时,相绕组电感最大,当转子极间中心线对准定子磁极中心线时,相绕组电感最小。图1-1中,当定子D-D极励磁时,所产生的磁力则力图使转子旋转到转子极轴线
17、1-1与定子极轴线D-D重合的位置,并使D相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置,则依次给DABC相绕组通电,转子即会以逆时针方向连续旋转;反之,若依次给BADC相通电,则电机即会沿着顺时针方向旋转。可以看出,SR电动机的转向与相绕组的电流方向无关,而仅取决于相绕组通电的顺序。另外,从图1-1可以看出,当主开关器件导通时,A相绕组从直流电源吸收电能,而当关断时,绕组电流经续流二极管继续流通,并回馈给电源,因此,SR电机传图1-2 相电感、转矩随转子位置的变化图a)相电感随转子位置的变化b)一定电流下转矩随转子位置的变化动的共性特点是具有能量再生作用,系统效率高。 从上
18、面简单的分析可以知道,SR电动机的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势来产生的。由于电动机磁路的非线性,通常SR电动机的转矩应根据磁共能来计算,即: (1-1)式中转矩,磁共能,转子位置角,绕组电流显然,磁共能的改变不仅取决于转子的位置,还取决于绕组电流的大小。在对SR电动机性能作定性分析时,为避免繁琐的数学推导,不妨忽略磁路饱和及边缘效应,并假定电感同电流无关。这时,一对定子极下电感随转子位置角的变化曲线如图1-2a所示,电动机每转一圈,电感变化的周期数正比于转子的极对数,该周期的长度为转子极距。基于图1-2a的简化线性模型,式(1-1)可化简为式(1-2),即: (1-2)由上式可知,相绕组
19、在恒定电流作用下,产生的对应转矩如图1-2b所示。由此可见,SR电动机的转矩方向不受电流方向的影响,仅取决于电感随转角的变化;在相通电的过程中,若,则产生电动转矩;若,则产生制动力矩。因此,通过控制加到SR电动机绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置,即可控制SR电动机转矩的大小与方向,这正是SR电动机调速控制的基本原理。1.2.2 SRD系统的组成图1-3 SRD系统基本结构一般SRD系统由SR电机和控制系统组成,基本结构如图1-3所示。SRD系统包括:SR电动机、功率变换器、控制与检测单元、输入输出设备。其中控制系统主要包括功率驱动部份和控制器及检测部分。功率驱动部分是将蓄电池或交
20、流电整流后得到的直流电能量经适当转换后提供给SR电机。由于电机绕组电流是单向的,使得其功率变换器主电路不仅结构较简单,而且相绕组与主开关器件是串联的可以避免直接短路的故障。功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关,它是SRD系统能量传输的关键部分,工作在强电环境下,直接用来控制SR电机相绕组电流的通断来驱动电机转子的运转,是影响系统性能价格比的主要因素。控制器及检测单元是SRD系统的核心部分,它综合处理电流传感器、位置传感器的反馈信息,控制功率变换器中主开关器件的工作状态,实现对SR电机运行状态的控制。若控制器发出一系列控制信号,使电动机各相主开关器件按一定的规
21、律导通,则电动机会按逆时针或顺时针方向旋转,并输出机械能;若输出相反顺序的触发信号,则电动机将反转。它工作在弱电环境下,通过接受外围键盘等设备下达的指令,检测转子的位置和绕组电流的大小等信息,送入CPU并结合控制策略,得出控制方法,然后将控制输出信号送入功率电路,且同时将电机的运行状态通过显示设备显示出来,其设计的好坏直接影响电机的运行性能。1.2.3 SRD系统的特点和优点 SRD调速系统之所以被越来越多的人所关注,是因为其本身有许多自己的特点和优点。 (1)SR电机结构简单、优点多 SR电机是将电能转化为机械能的装置,其突出的优点是电机无碳刷和换相器,转子上没有任何形式的绕组,制造成本低且
22、转子的机械强度高,使得电动机可高速运转而不致变形;另外转子转动惯量小,易于加、减速。在定子方面,它只有几个集中绕组,线圈嵌装容易,端部短而牢固,因此制造简便,绝缘结构简单,并且发热大部分在定子,易于冷却;其次,电机转矩方向与相电流方向无关,在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率;最后,电机启动转矩大,可靠性高,能适用于危险的环境,且控制方式很灵活。 (2)SRD系统中功率电路结构简单可靠SR电动机的转矩方向与绕组电流的方向无关,只需单方向来对绕组供电,故功率电路结构简单,可以做到每相只需一个功率开关器件。只要控制主开关器件的开通、关断时间,即可改变电动机的工作状态。另外,系统中每个功率开
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