开关磁阻发电机输出电压控制系统_毕业设计论文(编辑修改稿)

开关磁阻发电机输出电压控制系统_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

闭合。 原动机带动 SRG 旋转，在适当的位置给某相通电，转子凸极与定子磁极不重合，便会有磁阻力作用在转子上并产生与驱动转矩相反的阻力矩使其趋向于磁阻最小的位置，即转子凸极中心与定子磁极轴线对齐的位置，同时转子上的机械能转化成磁能储存在磁场中；在适当的位置给此相断电，储存在磁场中的磁能便释放出来，并转化成电能回馈至电源，从而完成了机械能和电能之间以磁能为媒介的机电能量转化过程。 用同样的方法给下一相 通电，连续不断地按照顺序给电机各相励磁，作用在转子上的机械能将源源不断地转化成电能，实现发电运行 【 8】。 图 22 开关磁阻电机一相电路原理图 图 22 是一台 12∕8 极 SR 电机结构和一相电路的示意图，定子有 3 相，每相 2 对极，共 12 个极，即 12 组绕组。 转子有 8 个极。 Ta Ta2 是 A 相主开关管 ,Da Da2 是 A 相续流二极管， C 为滤波电容， Us 是直流电源。 它的定子和转子呈双凸极形状，极数不相等，都由叠片构成。 转子没有绕组，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在各极上得到径磁D1D2燕山大学本科生毕业设计（论文） 6 场，转子带有位置检 测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。 电机每相绕组遇到的磁阻随着转子磁极的中心线与定子磁极的中心线对准或错开而变化，当转子磁极中心线与定子磁极中心线重合时，相绕组电感最大，当转子槽中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。 其他相电路与此类似 【 9】。 开关磁阻电机发电运行和电动运行两者从本质上看都是开关磁阻电机在不同控制策略下的表现出来的不同特性。 两者的区别仅在于，前者的励磁阶段位于电感减小的区间，而后者则位于电感增大的区间。 因此，合适的控制每相通电的开关时刻，可以使开关磁 阻电机运行在电动或发电的工作状态。 开关磁阻电机发电状态的工作特点 开关磁阻电机发电运行时具有一定的特殊性，由于开关磁阻电机的本体只有定子绕组，其中励磁绕组和电枢绕组合二为一。 由此可见，开关磁阻电机的发电运行的本质与一般的发电机不一样，它的励磁过程和发电过程是作为周期性分时控制的。 这也是开关磁阻电机的发电运行的实际控制的特殊性。 开关磁阻电机的有效发电条件 开关磁阻电机处于发电运行时其输出的功率是发电功率和励磁功率的差，为了能够输出更大的功率，发电区域的电流需要足够大。 由它的线性模型分析 可得   LiUdtdiLLidtdiLU （ 21） 进入发电区域后，励磁电流的大小能够反映励磁的强度，也能够反映储存磁场能量的大小，通过对于励磁电流的控制可以实现对于发电过程的控制。 当它的励磁电流不变时，如果转速 ω 过低，则有 L（ di/dt)0，产生的电流将下降，并且下降的将越来越快。 如果转速过高，则运动电动势将大于第 2章 开关磁阻电机的结构和工作原理 7 反相电压， L（ di/dt)0,发电阶段的相电流将上升。 因此，为了能够实现有效的发电运行，需要在发电区域的起始处满足 0 LIcU （ 22） 式中： Ic 为励磁电流。 式（ 22）为发电运行的有效条件，其中的励磁电流越大，并且转速越高，则它的发电的出力也越大，所以发电运行的效率也就越高。 开关磁阻电机发电运行的自然输出特性 实际上，处于控制参数不变的情况下，励磁电流 Ic 也会受到电机转速的影响，励磁电流为： )(m a x wo f fono f fLLUIc  （ 23） 其中： θw 为 t2 对应的位置。 从式（ 23）中可以看到，当转速越低时，则 Ic 越大，说明在低速的时候电机比较容易励磁，式（ 23）用角度的方式来表示可以得到 )(22m a x12 LLUIc （ 24） 由式（ 24）可以得到：当转速越低时，则发电区的电流值就越大，因为当电机的结构参数和外加的电压一定的时候，发电运行的运动电动势的大小就取决于电机的转速，也取决于励磁电流的大小 Ic。 式（ 24）说明 了开关磁阻电机的发电运行在低速的时候容易出力，这就是它的自然特性，也是开关磁阻发电机的发电运行的优点之一。 然而以上的结论都是从电机的线性模型分析而得到的，在实际的工作情况下，必须要考虑电机铁芯的饱和因素。 当励磁的强度达到一定的程度的时候，铁芯进入饱和的工作状态， L/ 将燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 会减小，此时将会影响到发电。 在开关磁阻电机发电的实际运行的过程中，由于存在的一些外界的制约因素，发电的励磁强度总是受到限制。 从这个角度看，开关磁阻电机的速度越高就会 越有利于它的发电运行，低速发电的时候效率会偏低。 开关磁阻电机发电运行的等效模型 根据相电流的解析线性分析，可以推导出来关于开关磁阻电机的发电运行状态的典型的相电流波形在不同的电感区域的解析式，将这些分段函数用一个同时可以表示为 )()i(  fU （ 25） 如果它的外加电源和它的角速度都是常数，那么电流波形与开通角θon、关断角 θoff 以及电机的结构参数都有关，开关磁阻电机的发电运行时的 工作特点使得它的输出可以等效为一个电流源，如图 23 所示。 图 23 一相绕组等效电路图 由于电流源具有内阻大、易于并联等特性，这使得电机的结构更为灵活。 对于开关磁阻电机来说，从自启动的能力和能否正反转等方面来考虑，其相数 m≥3，且一般都满足 2 ZrZs （ 26） 式中： Zs——定子的齿极数； Zr——为转子的齿极数。 对于多相的开关磁阻电机而言，由于它的绕组具有电流源的特性，所以第 2章 开关磁阻电机的结构和工作原理 9 即使是在缺相的条件 下，它仍然能正常工作，因而开关磁阻电机具有很高的容错性，综合以上的考虑选择三相 12/8 极开关磁阻电机，可能够实现启动 /发电的功能。 开关磁阻发电机发电运行输出的是脉冲电能，它的励磁阶段通过外界来给电源提供能量，而发电阶段则向外界提供能量，比较适合作为蓄电池的脉冲充电的电源。 开关磁阻电机发电运行的特点 通过对于开关磁阻电机的发电运行的过程的分析，能够得到它的发电运行具有的以下几个特点： （ 1） 由于开关磁阻电机的励磁绕组与电枢绕组共同使用同一套绕组，它的励磁和发电过程必须采用周期性分时控制。 它的发电过程 本身不能直接进行控制，只能够通过对于励磁过程的调节，来控制发电量的输出。 而且在低速的时候发电输出的动态性能会比较差，而且随着转速的升高，电机输出的动态性能会越来越好。 （ 2） 开关磁阻电机的每相的绕组可以等效为一个电流源的输出，相与相间的并联比较容易实现，它的结构多种多样。 发电运行同样能够工作在缺相的状态，具有良好的容错性，因此发电运行具有很高的可靠性，优于其它种类的发电机。 （ 3） 电机的发电运行输出的是脉冲电能，如果想得到稳定的输出电压，那么在输出端则必须并联储能装置，例如蓄电池或者是大容量的电解电容等。 （ 4） 开关磁阻电 机的发电运行具有比较好的调节性，它的可控参数比较多 【 1】。 本章小结 本章主要介绍了典型的开关磁阻电机的组成，并对开关磁阻电机的结构和工作原理做了详细的描述。 首先介绍了 SRG 的基本结构与工作原理，论述和分析了开关磁阻电机的发电运行状态。 最后详细论述了开关磁阻电机发电运行的特点。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 第 3章 开关磁阻发电机的方程及其数学模型 SRG 运行理论与任何电磁式机电装置运行理论在本质上没有区别，其主要有以下方程式组成，由此可以建立 SRG 的数学模型。 开关磁阻发电机的方程 电压方程 SRG 的相绕组共有 两种工作状态：励磁状态和发电状态。 其中的一相绕组的等效电路如图 31 所示。 图 31 一相绕组等效电路图 图 31（ a）中，开关管 Tk Tk2 导通，电机绕组处于励磁状态，此时的状态下相绕组的电压方程为：  // Lki k wdtL k d i ki k R kUk （ 31） 式中： Uk—第 k 相绕组的电压； Rk—第 k 相绕组的电阻； ik—第 k 相绕组的电流； Lk—第 k 相绕组的电感； θ—转子位置角； U sT k 1L kT k 2( a ) 励 磁 状 态U sL kD k 1D k 2（ b ） 发 电 状 态i ki k第 3章 开关磁阻发电机的方程和数学模型 11 ω—电机旋转机械角速度， ω=dθ/dt。 图 31（ b）中，当开关管 Tk Tk2 关断，相电流通过二极管 Dk Dk2续流，电机绕组处于发电状态，此状态下相绕组的电压方程为：  // Lki k wdtL k d i ki k RkUk （ 32） 在电压方程中，等式右端第一项为第 k 相回路中的电阻压降；第二项是由相电流变化引起绕组中的磁链变化而感应的电动势，称为变压器电动势；第三项是由转子位置角改变引起绕组中的磁链变化而感应的电动势，称为运动电动势 【 9】。 磁链方程 SRG 各 相绕组的磁链是该相绕组的电流与自感、其余各相绕组的电流与互感以及转子位置角的函数。 由于 SRG 各相之间的互感相对于自感来说很小，为了便于分析，一般忽略各相之间的互感。 因此，第 k 相绕组的磁链 ψk为：    ikikLkikkk  ，  （ 33） 因为 SRG 磁路的非线性，每相绕组的电感 Lk 是相电流 ik 与转子位置角 θ 的函数 【 9】。 机械运动方程 根据力学原理，可以写出 SRG 在原动机转矩作用下，转子的机械运动方程为： dtJdDTeT /1   （ 34） 式中： T1—原动机转矩； Te—电机电磁转矩； D—阻尼系数； J—电机的转动惯量。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 转矩方程 SRG 的电磁转矩可以通过其磁场储能或磁共能对转子位置角的偏导数求得，即： C o n s tikikmWikTe    ),(39。 ),( （ 35） 式中： Wm′(ik,θ)—绕组的磁共能，其表达式如下： iki dikikmW  0 ),(),(39。  （ 36） 在对 SRG 性能做定性分析时，假定电机的磁路不饱和，相电感与相电流的大小无关，此时式 (35)可以简化为： 221),(21),( kiLkikikikTe  （ 37） 由式 (31)～式 (34)以及式 (37)可以建立 SRG 的数学模型 【 9】。 电动势平衡方程 由电路的基本定理写出电机单相电 动势平衡方程式： iRdtdUs   （ 38） 其中 Us 为母线电压， i 为瞬时相电流， θ 为转子位置角， R 为绕组电阻，ψ( i,θ)为磁链，其大小与电流 i 和转子位置角 θ 有关。 式中 “＋ ”为绕组与电源导通期间； “－ ”为绕组与电源关断后续流期间【 10】。 开关磁阻发电机的数学模型 建立 SRG 的数学模型比较困难，由于电机的磁路饱和、涡流、磁滞效应等因素产生的非线性影响着电机的性能，所以很难进行数 学模拟。 考虑了非线性的所有因素，虽然可以得到一个准确的数学模型，但计算相当繁琐。 因此，在性能分析求解数学模型时应当在实用和理论之间折衷处理。 第 3章 开关磁阻发电机的方程和数学模型 13 到目前为止，主要采用四种方法建立 SRG 的数学模型：理想线性模型、准线性模型、非线性模型和查表法。 （ 1） 理想线性模型 若不计电机磁路饱和的影响，相电感与相电流的 大小无关，且忽略磁通的边缘效应以及所有的损耗，此条件下的电机模型就 是理想线性模型，相电感仅仅是转子位置角的分段线性函数。 这种方法大大简化了电机内部的电磁关系，可以了解电机工作的基本特 性和各参数间的相互关系， 并作为深入探讨各种控制方式的依据。 但求解的 误差较大，精度较低。 （ 2） 准线性模型 为了避免繁琐的计算，又近似考虑磁路的饱和效应， 可以将实际的非线性磁化曲线进行分段线性化的近似处理，且忽略。