电气工程及其自动化毕业设计-开关磁阻电机调速系统中功率变换器的仿真与研究.doc

1、本科毕业论文（20 届）开关磁阻电机调速系统中功率变换器的仿真与研究所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期i目 录摘要 .IAbstract.II1 绪论 .11.1 开关磁阻电机调速系统的发展现状 .11.2 开关磁阻电机调速系统的应用领域 .11.3 开关磁阻电机调速系统简述 .21.3.1 开关磁阻电机调速系统的基本构成 .21.3.2 开关磁阻电机调速系统的优缺点 .32 开关磁阻电机的基本原理 .42.1 开关磁阻电机的基本结构 .42.2 开关磁阻电机的基本工作原理 .52.3 开关磁阻电机的数学模型 .62.5 本章小结 .73 开关磁阻电机的功率变换器部分

2、和控制方式 .73.1 调速系统功率变换器的要求和特点 .73.2 常用的几种功率变换器的电路 .83.2.1 不对称半桥电路 .83.2.2 每相只有一个主开关管的功率变换器 .93.2.3 电容分压型功率变换器 .103.2.4 具有最少数量主开关管的功率变换器 .113.3 开关磁阻电机的控制方式 .123.3.1 角度位置控制(APC)法 .123.3.2 电流斩波控制(CCC)法 .133.3.3 电压斩波控制(CVC)法 .143.4 本章小结 .144 Matlab 动态仿真 .154.1 Matlab 工具概述 .154.2 Matlab 仿真模型 .154.3 仿真运行结果

3、.184.4 本章小结 .255 总结和体会 .255.1 设计总结 .255.2 个人体会 .26参考文献 .27ii致谢 .28iiiContentsAbstract.II1 Summary .11.1 Development Status Of SRD System.11.2 Applications Of SRD System.11.3 Switched Reluctance Drive System Description.21.3.1 Basic configuration Of SRD System.21.3.2 Advantages and disadvantages of S

4、RD.32 The basic principle of SRM .42.1 The basic structure of SRM.42.2 The basic operating principle of SRM .52.3 Mathematical model of SRM .62.5 Summary .73 Power converter and the control mode of SRM.73.1 Power Converter requirements and characteristics .73.2 Several commonly used power converter

5、circuit .83.2.1 Asymmetrical half-bridge circuit .83.2.2 Each phase has only one main switch of the power converter.93.2.3 Capacitance division type power converter.103.2.4 The main switch has a minimum number of power converters .113.3 Switched reluctance motor control mode.123.3.1 Angle Position C

6、ontrol(APC) .123.3.2 Current chopping control(CCC).133.3.3 Chopped Voltage Control(CVC).143.4 Summary .144 Matlab Dynamic simulation .154.1 Matlab Tools Overview.154.2 Matlab Simulation Model.154.3 The simulation results .184.4 Summary .255 Summary and Experience.255.1 Design Summary .255.2 Personal

7、 Experience .26References .27To thank.28I开关磁阻电机调速系统中功率变换器的研究与设计摘要：本文在综合分析开关磁阻电机工作原理的基础上，着重介绍了开关磁阻电机调速系统中功率变换器的结构和各种形式功率变换器的优点，应用MATLAB 软件建立了开关磁阻电机调速系统的仿真模型。根据仿真模型进行了有载和空载下开关磁阻电机调速系统工作的仿真，分析在低速和高速下的转矩和电流的变化，改变反馈角度，分析转矩和电流等数据变化。根据数据分析，理解功率变换器的设计原则和基本的控制策略。关键词：开关磁阻电机 功率变换器 MATLAB 动态仿真 IIResearch and de

8、sign of power converter in switched reluctance motor drive systemAbstract Based on a comprehensive analysis of switched reluctance motor works, on the highlights switched reluctance motor drive system advantages and disadvantages of the power converter structure and various forms of power converter,

9、 Matlab software application to establish a switched reluctance motor speed control system simulation model. According to the simulation model was under load and no-load simulation switched reluctance motor drive system works, analyze the change in the low-speed and high-speed torque and current, ch

10、anging the angle of the feedback, analyze changes in torque and current and other data.According to data analysis, to understand the design principles and basic power converter control strategy. Keywords: switched reluctance motor; the power converter; Matlab; dynamic simulation11 绪论传统的电机调速系统有直流电机调速

11、系统和交流电机调速系统，它们均有各目的应用领域。20 世纪 60 年代，随着现代电力电子技术包括电力电子、微电子、现代控制理论、电机学等的迅猛发展，交流电机调速技术有了飞跃的进步，在许多应用领域正越来越多地代替了直流电机调速系统，在调速系统中占据了主导地位。但这些传统的交流调速系统存在系统复杂、力能指标有待进一步提高等问题。在此背景和条件下，交流调速领域诞生了一个分支一开关磁阻电机调速系统（SRD），具有结构简单、运行可靠、高性能等优良特性，迅速成为现代交流调速系统中的一支非常具有发展潜力的新军，是各国电气传动领域开发和研究的热点之一，应用前景十分广阔 1。1.1 开关磁阻电机调速系统的发展现

12、状 开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Motor 简称 SRM)随着电力电子器件、电磁场计算机辅助分析、微型计算机控制技术及现代控制理论的迅速发展在近 20 年的时间内获得了巨大的发展，它融合了交流变频调速系统、直流调速系统及无换相永磁电机调速系统的诸多优点。交流变频调速、直流无刷等系统已经经历了几个阶段的开发和研究，在应用领域己处于领先地位。开关磁阻电机调速系统则是随乙而上的又一调速驱动系统，涉及到微电子、电力电子、微机实时控制、机械制造、机电一体化及工程应用等众多学科领域，具有广阔的发展前景 2。目前，开关磁阻电机在国外己经得到了很大的发展，并应用到了很多领域。

13、而其在中国发展的相对比较晚，但经过 20 多年的发展，开关磁阻电机在国内也取到了很大的发展。由于 SRM 本身复杂的非线性特性，使得研究过程和控制过程存在很多的问题。随着电力电子、电机学、微电子、控制理论等的众多学科的发展，对 SRM 的研究己经取得了很大的发展。相信在未来的发展中，随着 SRM 广泛应用会愈来愈凸显它的优势。1.2 开关磁阻电机调速系统的应用领域 在应用领域，开关磁阻电机调速系统是继交流变频调速、直流无刷调速等系统之后发展迅速的最新一代调速驱动系统，其结构简单、起动电流小、节能效率高、调速范围宽、可控性好、可靠性高等性能优点使开关磁阻驱动系统成为未来调速驱动的发展方向。在各种

14、需要调速和高效率的场合，从小功率电机2到大功率电机，均能提供所需的性能要求。随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，开关磁阻电机获得了巨大的发展，已成功地应用到了许多领域，比如航空工业、电动车驱动、家用电器、机械传动等各个领域，功率范围从 l0W-5MW，最大转速已达到 100000r/min3。1.3 开关磁阻电机调速系统简述 开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Motor Drive，简称 SRD )，是八十年代中期发展起来的新型调速系统。它将开关磁阻电动机与现代电力电子技术、控制技术融为一体，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

15、动的热门课题之一 4。这里主要介绍一下开关磁阻电机调速系统的基本构成和开关磁阻电机的优缺点。1.3.1 开关磁阻电机调速系统的基本构成开关磁阻电机调速系统主要由 SRM、功率变换器、控制器、位置检测器构成如下图 1-1 所示。图 1-1 SRD 的基本组成（1）SR 电机SR 电机是整个调速系统的执行机构，是能量转换的关键，系双凸极可变磁阻电动机，其定转子的凸极都是用普通硅钢片叠压而成。转子没有绕组也没有永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组可串联或并联构成一对磁极，称为“一相”。SRM 可以设计成多相结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数多，步距角小，有利于减小转矩脉动，但结

16、构复杂，且主开关器件多，成本高。因此电机定、转子的极数应当按使用的场合合理确定 5。（2）SRD 功率变换器 功率变换器是整个系统能量的提供者，在整个开关磁阻电机的调速系统中3占据非常重要的位置。一个合适的功率变换器的结构是提升整个 SRD 性价比的关键因素。作为一种理想的功率变换器，它应当具有高效、控制方便、主开关器件少、价格低等显著特点。具体的功率变换器类型我会在下面的篇幅中做一些简单的介绍。（3）控制器控制器就像是整个调速控制系统的“大脑”一样，把位置传感器、速度、电流、电压、速度等信号进行综合处理后，对每个模块发送控制命令，控制功率变换器主开关元件的通断，进而来实现控制整个调速系统的。

17、（4）电流检测电流检测可以检测到通过电机相绕组的电流大小，实现系统电流反馈。（5）位置检测电路开关磁阻电机的检测转子位置的信号是功率变换器各相主开关器件逻辑切换能够正确的基上，位置闭环也是开关磁阻电机调速系统区别于传统的交宜流调速系统的重要表现。位置检测电路的作用是用来确定定子和转子的相对位置的，检测到的信号用来控制对应相绕组开关器件的通断，从而控制电机的运行状态。目前常见的位置传感器有光电式、光敏式、磁敏式等不同结构。为了降低SRD 成本，降低 SRD 结构复杂性，提高 SRD 系统稳定性，近年来无位置传感器的转子位置检测方法越来越受到国内外研究者的重视 6。1.3.2 开关磁阻电机调速系统

18、的优缺点开关磁阻电机调速系统的优势如下：（1）开关磁阻电机为双凸极结构，只有定子上有集中绕组，而转子没有绕组，所以电机的结构简单，工作可靠，成本低廉，易于维护。（2）SRM 的转子上基本没有涡流损失，因而具有较高效率。（3）转子无绕组，易实现高转速。转子的凸极结构，使他的转动惯量比较小，容易快速响应。（4）调速范围宽，在整个调速范围内都能维持高效率，节能效果非常明显，不存在低速时效率低，电机转子发热及转矩小的问题。（5）SRM 的绕组电流的单极性特点，使减少逆变器开关元件的使用成为可能并为换相带来方便。（6）起动时，起动电流对电网无冲击，堵转转矩可达 1.5 倍额定转矩，堵转电流不大于额定电流

19、。（7）可四象限运行，允许频繁的起、制动。（8）其有一定的自修复运行的能力。4正是 SRD 具备了这一系列的优点使其成为直流调速系统、交流异步电机调速系统的有力竞争者。SRD 系统在国外己广泛应用于电动车驱动系统、家用电器、一般工业、调速与伺服系统，牵引电动机，高速电动机，航天器械及汽车转助设备等领域，转矩范围为 0.011000000NM，功率范围从 10W 到 5MW 显示出强大的市场竞争力 7。作为一种调速系统有其优势就难免会有缺点和不足之处，SR 电机本身的缺点以及在调速控制系统中的缺点主要有以下几个方面:（1）SR 电机的结构是磁阻式的，所以能量转换密度比电磁式结构要低；（2）开关磁阻电机因为本身的结构特点和工作方式，决定了其运行时转矩脉动比较大，因此带来的噪声问题和谐振问题很大；（3）开关磁阻电机相数增多，其主控器件数目线路也会增多；（4）开关磁阻电机和其它电机不同的是不能直接接入电网稳定运行，要想正常运转必须需要控制器的配合。2 开关磁阻电机的基本原理2.1 开关磁阻电机的基本结构 图 2-1 开关磁阻电机结构图开关磁阻电机属于双凸极变磁阻电动机，SRD 中实现机电能量转换的部件。图 2-1 为典型的 SR 电机的结构原理。图 2-1 中给出的开关磁阻电动机是四相的，一般情况下开关磁阻电动机可以设计成多种不同相数的结构，如两相、三相、四相或更多相。当相数增加开