开关磁阻发电机输出电压控制系统

1、1 开关磁阻发电机开关磁阻发电机的的输出电压控制系统输出电压控制系统设计设计 本科毕业设计本科毕业设计 学院：电气工程学院年级专业： 应用电子学生姓名： 王琳指导教师： 李珍国 2内容提要内容提要开关磁阻发电机控制系统的仿真开关磁阻发电机控制系统的仿真开关磁阻发电机的方程及其数学模型开关磁阻发电机的方程及其数学模型开关磁阻电机的结构和工作原理开关磁阻电机的结构和工作原理课题研究背景和意义课题研究背景和意义开关磁阻发电机的控制系统开关磁阻发电机的控制系统3内容提要内容提要开关磁阻发电机控制系统的仿真开关磁阻发电机控制系统的仿真开关磁阻发电机的方程及其数学模型开关磁阻发电机的方程及其数学模型开关磁

2、阻电机的结构和工作原理开关磁阻电机的结构和工作原理课题研究背景和意义课题研究背景和意义开关磁阻发电机的控制系统开关磁阻发电机的控制系统1、选题的背景和意义、选题的背景和意义开关磁阻发电机和其他的发电机相比较具有以下特点：开关磁阻发电机和其他的发电机相比较具有以下特点：（1）结构简单结构简单，冷却方便，冷却方便（2）具有）具有较强的容错能力较强的容错能力（3）具有）具有良好的调节性能良好的调节性能（4）可以做成转速很高的发电装置，从而能够达到很高的）可以做成转速很高的发电装置，从而能够达到很高的能流密度能流密度（5）能够比较）能够比较方便方便地实现机械能和电能之间的双向转换，地实现机械能和电能之

3、间的双向转换，可以作为起动可以作为起动/发电机使用发电机使用（6）输出的电能为）输出的电能为脉冲直流电脉冲直流电，适合用于蓄电池贮存电能，适合用于蓄电池贮存电能q研究的基本内容研究的基本内容1、学习和掌握开关磁阻电机（、学习和掌握开关磁阻电机（SRM）的结构和工）的结构和工作原理。作原理。2、了解和掌握开关磁阻发电机母线电压控制系统、了解和掌握开关磁阻发电机母线电压控制系统的构成和各个环节以及设计。的构成和各个环节以及设计。3、学会用、学会用MATLAB软件，并进行开关磁阻发电机软件，并进行开关磁阻发电机的运行仿真。的运行仿真。4、进行开关磁阻发电机输出电压控制的设计。、进行开关磁阻发电机输出

4、电压控制的设计。5、使用、使用MATLAB，编写和调试开关磁阻发电机的，编写和调试开关磁阻发电机的输出电压控制系统。输出电压控制系统。6内容提要内容提要开关磁阻发电机控制系统的仿真开关磁阻发电机控制系统的仿真开关磁阻发电机的方程及其数学模型开关磁阻发电机的方程及其数学模型开关磁阻电机的结构和工作原理开关磁阻电机的结构和工作原理课题研究背景和意义课题研究背景和意义开关磁阻发电机的控制系统开关磁阻发电机的控制系统2、开关磁阻电机的结构和工作原理、开关磁阻电机的结构和工作原理q开关磁阻电机的结构开关磁阻电机的结构 SRG采用的是双凸极结构，转子上既无绕组也无永磁体，而采用的是双凸极结构，转子上既无绕

5、组也无永磁体，而定子上绕有集中绕组。定子上绕有集中绕组。 q开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机的工作原理qSRG的工作原理遵循的工作原理遵循“磁阻最小原理磁阻最小原理”磁通总是沿着磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。磁阻最小的路径闭合。q电机每相绕组遇到的磁阻随着转子磁极的中心线与定子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。磁极的中心线对准或错开而变化。9内容提要内容提要开关磁阻发电机控制系统的仿真开关磁阻发电机控制系统的仿真开关磁阻发电机的方程及其数学模型开关磁阻发电机的方程及其数学模型开关磁阻电机的结构和工作原理开关磁阻电机的结构和工作原理课题研究背景和意

6、义课题研究背景和意义开关磁阻发电机的控制系统开关磁阻发电机的控制系统3、 开关磁阻发电机的方程及其数学模型开关磁阻发电机的方程及其数学模型q开关磁阻发电机的方程开关磁阻发电机的方程q电压方程电压方程 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所示。电路如图所示。 /kkkkkkkLwidtdiLRiU /-kkkkkkkLwidtdiLRiUq磁链方程磁链方程 由于由于SRG各相之间的互感相对于自感来说很小，因此忽略各相之间的互感。得第各相之间的互感相对于自感来说很小，因此忽略各相之间的互感

7、。得第k相相绕组的磁链绕组的磁链k为：为： kkkkkk)i, iL), i（q机械运动方程机械运动方程 根据力学原理，可以写出根据力学原理，可以写出SRG在原动机转矩作用下，转子的机械运在原动机转矩作用下，转子的机械运动方程为：动方程为： dtdJDTeT/1q转矩方程转矩方程 在对在对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，电流的大小无关，则有：则有： 221),(21),(kkkkiLikiiTe2022-6-1712 开关磁阻电机的数学模型开关磁阻电机的数学模型 建立建立 SRG 的数学模型比较困难，由于

8、电机的磁路饱和、涡流、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。模拟。到目前为止，主要采用四种方法建立到目前为止，主要采用四种方法建立SRG 的数学模型：的数学模型：理想线性模理想线性模型型、准线性模型准线性模型、非线性模型非线性模型和和查表法查表法。本文采用本文采用理想线性模型理想线性模型。q相电感模型相电感模型q SRG 在原动机带动下沿顺时针方向旋转在原动机带动下沿顺时针方向旋转q1：转子前沿与定子后沿相遇的位置：转子前沿与定子后沿相遇的位置q2：转子前沿与定

9、子前沿相遇的位置：转子前沿与定子前沿相遇的位置q3：转子后沿与定子后沿相遇的位置：转子后沿与定子后沿相遇的位置q4：转子后沿与定子前沿相遇的位置：转子后沿与定子前沿相遇的位置q5：同：同1 54max433max32min21min1)()()LKLLLKL(式中：式中：K=(LmaxLmin)/(21)=(LmaxLmin)/s；Lmin相电感最小值；相电感最小值；Lmax相电感最大值；相电感最大值；s定子极弧。定子极弧。q相磁链的数学模型相磁链的数学模型q当开关磁阻电机由恒定直流电源当开关磁阻电机由恒定直流电源Us供电时，忽略绕组电阻压降供电时，忽略绕组电阻压降iR，则，则有下式有下式：

10、dddtddddtdUsq根据初始条件根据初始条件0=0。则。则offmax=，磁链分段线性解析式为：，磁链分段线性解析式为： onoffoffonoffoffononUsUs22)(）（16内容提要内容提要开关磁阻发电机控制系统的仿真开关磁阻发电机控制系统的仿真开关磁阻发电机的方程及其数学模型开关磁阻发电机的方程及其数学模型开关磁阻电机的结构和工作原理开关磁阻电机的结构和工作原理课题研究背景和意义课题研究背景和意义开关磁阻发电机的控制系统开关磁阻发电机的控制系统4、开关磁阻发电机的控制系统、开关磁阻发电机的控制系统q开关磁阻发电机的不对称半桥功率变换器开关磁阻发电机的不对称半桥功率变换器q自

11、励模式自励模式q如图，如图，Us是起励电源，是起励电源，SRG发出的电能给电容发出的电能给电容C充电，当电容充电，当电容C达到所需的初始值后，断开达到所需的初始值后，断开Us，此后此后SRG依赖电容依赖电容C的存储功能给绕组励磁，进行自励发电。的存储功能给绕组励磁，进行自励发电。q不对称功率变换器的工作状态不对称功率变换器的工作状态q随着各相桥臂开关器件的导通和关断，每相绕组有三种工作状态：励磁状态，续流状态和发电状态。以随着各相桥臂开关器件的导通和关断，每相绕组有三种工作状态：励磁状态，续流状态和发电状态。以A相为例说明相为例说明aaaaaaLidtdiLRiUcaaaaaaLidtdiLR

12、i0 aaaaaaLidtdiLRiUc-q开关磁阻发电机的控制方式开关磁阻发电机的控制方式q开关磁阻电机的可控制量分别有绕组两端的相电压、相开关磁阻电机的可控制量分别有绕组两端的相电压、相电流、开通角以及关断角等参数，针对以上的变量的控电流、开通角以及关断角等参数，针对以上的变量的控制方式一般分为三种：制方式一般分为三种：角度位置控制（角度位置控制（APC）、电流斩电流斩波控制（波控制（CCC）和和脉宽调制控制（脉宽调制控制（PWM）。q角度位置控制（角度位置控制（APC）q具体实现为：具体实现为：q=on时，开关器件导通时，开关器件导通q=off时，开关器件关断时，开关器件关断qon减小或

13、减小或off增大增大励磁时间增加励磁时间增加励磁电流增大励磁电流增大SRG的发电能力的发电能力增大增大q优点：简单优点：简单q缺点：调节困难，因此一般不选用缺点：调节困难，因此一般不选用APC方式。方式。q电流斩波控制（电流斩波控制（CCC）q具体实现：具体实现：q设置斩波阈值设置斩波阈值i，令，令=i_ref-i_kqi， 开关管开通开关管开通相电流增大相电流增大q-i，开关管关断，开关管关断相电流减小相电流减小q优点：优点：q简便，但与简便，但与APC方式相比可控性能好；方式相比可控性能好；与与 PWM 方式相比，开关损耗小方式相比，开关损耗小q因此是比较常用的控制方式。因此是比较常用的控

14、制方式。q脉宽调制控制（脉宽调制控制（PWM）q具体实现：具体实现：qon和和off固定固定q在在onoff的区间调节的区间调节PWM信号的占空比信号的占空比励磁电压的励磁电压的平均值平均值的变化的变化，调控励磁调控励磁电流的大小电流的大小qD越大越大励磁电流越大励磁电流越大SRG的有效输出电的有效输出电能能也就越大。也就越大。q优点：优点：可控性能好。可控性能好。q缺点：开关损耗大，缺点：开关损耗大，系统效系统效率低率低q开关磁阻发电机的稳压控制系统开关磁阻发电机的稳压控制系统q开关磁阻发电机的发电控制系统由开关磁阻发电机、不对称功率变换器、开关磁阻发电机的发电控制系统由开关磁阻发电机、不对

15、称功率变换器、PI调节器、位置检测器等组成。其控制框调节器、位置检测器等组成。其控制框图如图所示。图如图所示。q滞环控制器滞环控制器q为了避免发电阶段相电流减小，可在发电阶段也采用电流斩波控制，把为了避免发电阶段相电流减小，可在发电阶段也采用电流斩波控制，把相电流限制在斩波上下限以内。第相电流限制在斩波上下限以内。第k相绕组的控制过程如图相绕组的控制过程如图。 iiiiimSiiSTkTk1) 1(0m）（ iiiiimSiimSTkTk0) 1(1)(滞环滞环1-励磁阶段励磁阶段滞环滞环2-发电阶段发电阶段q稳压装置稳压装置q稳压装置采用稳压装置采用 PI 调节器调节器，由于，由于 SRG

16、本身的非线性，本身的非线性，Kp值及值及 Ki值值很难用计算的方法得到，通过反复试凑，可以得到合适的很难用计算的方法得到，通过反复试凑，可以得到合适的Kp值及值及Ki值。值。qKp值越大，响应速度越快，超调量越大；值越大，响应速度越快，超调量越大；Ki值越大，静差越小，过值越大，静差越小，过渡时间越长。渡时间越长。qUref与与SRG 的输出电源的输出电源Uo相比较得到误差量相比较得到误差量 U，再经过，再经过PI 调节器调节器可以得到电流滞环的电流限可以得到电流滞环的电流限iref，进行滞环控制。，进行滞环控制。26内容提要内容提要开关磁阻发电机控制系统的仿真开关磁阻发电机控制系统的仿真开关

17、磁阻发电机的方程及其数学模型开关磁阻发电机的方程及其数学模型开关磁阻电机的结构和工作原理开关磁阻电机的结构和工作原理课题研究背景和意义课题研究背景和意义开关磁阻发电机的控制系统开关磁阻发电机的控制系统5、开关磁阻发电机输出电压控制系统的、开关磁阻发电机输出电压控制系统的仿真仿真qSRG仿真仿真q本文以一台三相本文以一台三相 12/8 极极SRG为研为研究对象，其额定电究对象，其额定电压为压为 250 V，转速，转速为为800 r/min 电机相数电机相数3定子极数12转子极数8电感最小值30mH电感最大值300mH相绕组电阻0.524 定子极弧14转子极弧16q相电感仿真相电感仿真q由相电感线

18、性数学模型得由相电感线性数学模型得出，以出，以0a作为一个周期作为一个周期。则对于三相。则对于三相12/8极的极的SRG来说，转子极距是来说，转子极距是45，即一个周期是，即一个周期是45。q其中：其中：1=7.5，q2=21.5，3=23.54=37.5，a=45。function L=inductance(theta) global L_max L_min theta_rise if (theta7.5) L=L_min; else if (theta21.5) L=L_min+(L_max-L_min)/theta_rise*(theta-7.5); else if (theta23.5) L=L_max; else if (thetatheta_on)&(theta=0.05*i_ref) u=s; else if(deta_im=-0.05*i_ref) u=-s; else u=v_q_m; end end elseif(theta=0.05*i_ref) u=0; else if(deta