开关磁阻电机调速系统设计毕业设计

开关磁阻电机调速系统设计毕业设计内容摘要：

已有了系列化产品，其多种功率的 SRD 在不同的工业部门和家用电器中得到应用。 (1)用于龙门刨床 :工艺上需要 电动机能频繁起、停及正反转，开关磁阻调速电动机能较好的实现。 如机械工业中龙门刨床、铣床、冶金行业的可逆轧机、飞锯、飞剪、电弧炉的电极升降等系统。 (2)用于纺织“探边”设备 :经过纺织行业的“探边”与“对中”设备的实践使用，取得了较好的效果。 对作为“探边”设备的动力，其反应速度小于 ，即电动机运转时，接到指令后，能在 内实现反转，并要求在 24 小时内连续频繁运转，同时要求在较宽范围内进行无级调速。 (3)用于家用电器 :将克服当今洗衣机和空调机、电冰箱的缺陷，成为更完善新一代产品。 SRD 具有优良的调速 性能，有更高的电能机械能转换效率，特别是在中低速时，优势尤为突出。 从而能有效的克服了变频调速系统的弊端，使节能更为有效。 (4)在电动车驱动上的应用 :由于燃油汽车废气严重污染环境，故发展和完善无污染的电动车是社会的必然。 而发展电动车除了随车的蓄电池要有高能量之外，再则就是要有性能和效率很优越的电动机调速系统作动力。 而 SRD 高可靠性、宽广的调速范围，卓越的起、制动性能，它是各类电动车最理想的动力之一 [19]。 本课题研究的主要内容如下 : (1)研究 SR 电机的结构、工作原理和数学模型，分 析了 SR 电机主要的控制方式，并对这些控制方式进行详细的研究。 (2)研究 SRD 的特点和组成部分，并分别对它的各个组成部分功率变换器、控制器和信号反馈系统作了详细的研究。 设计系统的主回路。 (3)了解采用 TMS320F2407 设计控制器的硬件电路，结构和功能，掌握基于TMS320F2407 的硬件和软件的设计方法，在对 SRD 深入研究的基础上，设计了 SRD 的硬件系统。 （ 4）应用 matlab 在 SR 电动机进行电机的性能仿真。 江西理工大学应用科学学院毕业设计 5 2 开关磁阻电机的原理 开关磁阻电机的基本结构及工作原理 SR 电机是一种 机电能量转换装置。 根据可逆原理， SR 电机既可以将电能转换为机械能即电动运行，也可将机械能转换为电能即发电运行，但内部的能量转换关系不能简单看成是 SR 电机的逆过程。 电机的基本结构 开关磁阻电机驱动系统 (SRD)由开关磁阻电机、功率变换器、控制器、检测器和 PLC操作台五个部分组成，其中开关磁阻电机是整个系统的执行部分。 它是一个双凸极可变磁阻电机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。 转子上既无绕组和永磁体，也无换向器和集电环。 定子极上绕有集中绕组，径向相对称的两组绕组串联构成一个两极磁极，称为 “一相”。 SRM 可以设计成多种不同相数结构，单相、双相、三相、四相和多相等，且定、转子的极数有多种不同的搭配。 相数越多，性能越好，但是同时成本也随之增加，以三相（ 6/4）结构开关磁阻电机的如图 所示 [8,9]。 图 三相（ 6/4）开关磁阻电机结构 开关磁阻电机的工作原理 开关磁阻电机的运行原理遵循“磁阻最小原理” —— 磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的转子铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。 因此，只要依一定次序给定子的相绕组通电，因磁场扭曲而产 生磁阻性质的电磁转矩，电动机转子就会连续转动起来。 在图 中，若以图示定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给 B C A 相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给 C B A 相通电，则电动机即会沿顺时针方向转动。 开关磁阻电机的数学模型 开关磁阻电机是一个多变量，严重非线性的模型，它的双凸极特殊 结构决定了其电感及电感变化率随转子位置θ而变化，在定子极与转子极对齐位置电感值最大，在定子槽与转子极对齐位置电感值最小，在这两个位置之间相电感连续变化。 建立开关磁阻电机数学模型，通常有以下三种方法：线性模型、准线性模型 (分段线性模型 )和非线性模型。 线性模型忽略了饱和及边缘效应，认为绕组电感与电流无关。 准线性模型将磁化曲线分段线性化，近似考虑定转子齿极重叠时的饱和。 以上两种模型，电感参数有解析表达式，用于求解电机性能时，电流和转矩有解析解，一般用于定性分析 [3]。 章涛：开关磁阻电机调速系统设计 6 绕组电感分段线性解析式 事实上，由 于电机的双凸极结构和磁路的饱和、涡流和磁滞效应所产生的非线性，加上电机运行期间的开关性和可控性，在电机运行期间绕组电感不是常数，而是电流和转子位置角的函数。 开关磁阻电机定子绕组的电流、磁链等参数随着转子位置不同而变化的规律是很复杂的，难以用简单的解析表达式来表示，因此很难建立精确可解的数学模型。 如果不考虑电动机磁路饱和的影响，忽略相绕组的电流对电感的影响，且不考虑磁场边缘扩散效应，这个时候相绕组的电感随转子位置角的周期性变化规律可用图 说明。 θ u 图 定转子相对位置展开图及相绕组电感曲线     4m a xm a xm in2m inKLLLKLL 54433221 ＜＜＜ （ 2－ 1） 其中：      sLLLLK  m i nm a x23m i nm a x  （ 2－ 2） 图中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点 θ =0 的位置，对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，这时相电感为最小值 Lmin。 在 θ 1和 θ 2 (θ 2为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相对应的位置 )区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值 Lmin不变，这是因为开关磁阻电机的转子槽宽通常大于定子极弧，所以当定子凸极对着转子槽时，便有一段定子极与转子槽之间的磁阻恒为最大并不随转子位置变化的最小电感常数区；转子转过 θ 2 后，相电感便开始线性地上升直到 θ 3 为止， θ 3 系转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处，这时定转子磁极全部重叠，相电 感变为最大值 Lmax；基于电机综合性能的考虑，转子极弧 β r 通常要求大于定子极弧 β s，因此在 θ 3 和 θ 4 (θ 4 为转子磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置 )区域内，定转子磁极保持全部重叠，相应的定转子凸极间磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值 Lmax；从 θ 4相电感开始线性地下降，直到 θ5 处降为 Lmin， θ 5 、 θ 1均为转子磁极后沿与定子磁极前沿重合处。 如此周而复始，往复循环 [14]。 SRM 的相电压方程 开关磁阻电机的相电压方程如下： dtdLidtdiLRiU )()(   （ 2－ 3） 江西理工大学应用科学学院毕业设计 7 磁链方程  dUd rs （ 2－ 4） 由初始条件，可得通电期间磁链解析式为：    onrsU   （ 2－ 5） 关断期间：      onof frsU 2 （ 2－ 6）  随转子位置的变化曲线，如图 所示。 图 开关磁阻电机相绕组 磁链曲线 绕组电流的分析 当开关磁阻电机由恒压直流电源 Us 供电时，在绕组电感仅是转子位置的线性函数的假设和忽略绕组电阻影响的情况下 : dtdUs  （ 2－ 7） 也即：   LidtdiLUS （ 2－ 8） （ 1）在θ 1 到θ 2 区段， L=Lmin， i(θ on)=0(θ on 为 开始导通角 )得：  onSLUi m in)( （ 2－ 9） 上式表明电流在最小电感恒值区域内是直线上升的，这是因为该区域内电感恒为最小值，且无旋转电动势，因此开关磁阻电动机相电流可在该区域内迅速建立。 （ 2）在θ 2 到θ off 区段 (θ off 为关断角 )，将上述结果作为该区段的初值条件，得 )]([ )()( 2m in     KL Ui ons （ 2－ 10） （ 3）在 θ off 到θ 3 区段，绕组电流为 )]([ )2()( 2m in     KLUi onof fs （ 2－ 11） （ 4）在θ 3 到θ 4 区段，绕组电流为 m a x)2()( LUi ono f fs    （ 2－ 12） （ 5）在θ 4 到θ 5 区段，绕组电流为 章涛：开关磁阻电机调速系统设计 8 )]([ )2()( 4m in    KLUi onof fs （ 2－ 13） 显然，当θ =2θ offθ on 时，相电流已衰减至零。 这些分段电流函数可以用下面的通式统一描述，即 )()(  fUi s （ 2－ 14） 由上式可知，绕组电流与外加电源电压 Us、角速度ω、开通角θ on、关断角θ off、最大电感 Lmax、最小电感 Lmin、定子极弧β s 等有关。 对结构一定的电动机，在θ on和θoff 不变的情况下，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通过调整开关 角和关断角也可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机的电磁转矩增大。 [4] 转矩转速的控制 开关磁阻电机的转矩公式为如下：  LiT 221 （ 2－ 15） 由此可以看出 : （ 1）电动机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生的，当磁导对转角的变化率大时，转矩也大。 （ 2）电磁转矩的大小同绕组电流的平方成正比，即使考虑到电流增大后铁芯饱和的影响，转矩不再与电流平方成正比，但 仍随电流的增大而增大，因此可以通过增大电流有效地增大转矩，并且可以通过控制绕组电流得到恒转矩输出的特性。 （ 3）转矩的方向与绕组电流的方向无关，只要在电感曲线的上升段通入绕组电流就会产生正向电磁转矩，而在电感曲线的下降段通入绕组电流则会产生反向的电磁转矩。 将绕组电流 分段函数（ 2－ 1）表示式 代入转矩公式（ 2－ 15）中，得到：   LfUT s )(21 222 （ 2－ 16） 由此进一步得到： TFUS＝ （ 2－ 17）   LfF )(21 2 （ 2－ 18） 从式中可以看出，有两种转速控制方法： 改变外施电压； 改变与开关角有关的参数 F， F 是代表电动机结构参数 (如绕组电感和定子极弧等 )和控制参数 (如开通角、关断角 )的函数。 若与开关角有关的参数 F 不变，则ω正比于 Us，改变其外施电压就会改变电 机的转速。 SR电机基本控制方式 (1) CCC 的控制 电机低速运行时，反电势较小，电流变化率大，为了避免电流上升过快，超过功率开关元件和电机允许的最大电流，可以采用斩波方式限制电流，电流斩波控制方式一般应用于电机低速区。 电流斩波控制的一般方法是保持开通角、关断角不变，通过主开关器件的多次导通和关断，进而将电流限制在某一值附近，借以控制转矩。 它又可分为两种方式： 江西理工大学应用科学学院毕业设计 9 固定关断时间电流上限控制 在 on 时，功率开关器件接通，绕组电流从零开始上升，当绕组 电流一旦超过电流的设定值（斩波电流上限值）时，开关管关断，电流快速下降。 经时间 t 时再重新开通。 如此循环，从而达到控制电流的目的。 这种控制方式不足之处在于：虽然在一个控制周期内关断时间恒定，但电流下降多少，则取决于绕组的。