开关磁阻电机调速系统研究及MATLAB仿真

本科毕业（设计）论文I摘要开关磁阻电动机(SwitchedReluctanceMotor，简称SRM)调速系统(SwitchedReluctanceMotorDrive，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仿真开关磁阻电机调速系统研究及MATLAB仿真IIABSTRACTSwitchedReluctanceMotorDriveisanewadjustable-speedmotorsystem.Itsstructureissimple,SRDhasrobustverywell.Itsstartingtorqueandawiderangeofcharacteristicsofspeed,increasingtheconcernofscholarsathomeandabroad.ThisarticlefocusesontheSRMnonlinearmathematicalmodel,andthespeedregulationsystemwasstudiedthroughMATLAB,Theresultsshowthatmathematicalmodelsandsimulationbasicallyconsistentwiththeresults.Keywords:switchedreluctancemotordrive；SpeedControlSystemmathematicmodel；MATLABsimulation本科毕业（设计）论文目录摘要..............................................................IABSTRACT..........................................................II1.1开关磁阻电机调速系统的历史及发展现状.........................11.2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理...........................21.2.2SRD系统的组成.........................................51.2.3SRD系统的特点和优点...................................61.3开关磁阻电机调速系统的研究和发展方向.........................71.4本设计要做的工作.............................................8第二章SR电机数学模型的建立......................................92.1SR电机的模型................................................92.1.1建立模型常用的方法.....................................92.1.2SR电机的方程.........................................102.2SR电机系统的线性分析.......................................122.2.1电感与转子位置角的关系分析............................122.2.2基于线性模型的绕组电流分析............................142.3电磁转矩的分析..............................................182.4转速的控制..................................................182.5基于非线性电感特性的SR电机的数学模型.......................192.5.1绕组非线性电感特性研究................................192.5.2SR电机的非线性数学模型...............................20第三章SRD系统的控制策略..........................................243.1开关磁阻电机主要的几种控制方式..............................243.1.1角度位置控制..........................................243.1.2电流斩波控制..........................................253.1.3电压PWM控制..........................................263.2本系统控制方式的确定........................................273.3SR电动机起动过程分析.......................................28开关磁阻电机调速系统研究及MATLAB仿真3.3.1单相起动方式..........................................283.3.2双相起动方式..........................................293.4SR电动机运行噪声分析.......................................30第4章开关磁阻电机调速系统MATLAB/SIMULINK仿真...................324.1仿真软件MATLAB简介.........................................324.2SRD调速控制策略的研究......................................344.2.1SR电机的运行特性.....................................344.2.2控制策略..............................................354.3SRD的仿真研究..............................................374.3.1逆变器模型............................................374.3.2SR电机模型...........................................374.3.3SRD系统模型..........................................384.3.4电流控制器模型........................................394.3.5角度控制模型..........................................404.3.6仿真结果与分析........................................41结束语.............................................................44致谢...............................................................45参考文献...........................................................46本科毕业（设计）论文1第1章绪论开关磁阻电机调速系统简称SRD(SwitchedReluctanceMotorDrive)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(SwitchedReluctanceMotor，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]1[。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kW50SRD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TASCDrives有限公司将世界上第一台开关型磁阻电动机——Oulton传动装置开关磁阻电机调速系统研究及MATLAB仿真2(7.5KW,1500r/min)商品投放市场；1984年，又推出4～22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0.37～7.5KW的SRD产品和北京中纺锐力机电有限公司2.2～400KW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