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工程设计综合报告

南通大学工程应用综合

设计报告

课题名称：

一种含有谐振电路的开关磁阻电机功率变换器设计

班级：

电125

姓名：

蒋耀祖

学号：

1212002052

校内指导老师：

瞿遂春

校外指导老师：

杨留梅

日期：

2016年2月

摘要：

开关磁阻电机调速系统（SwitchedReluctanceDrive，SRD）是一种新型无极调速系统，兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无极调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。

随着控制理论，计算机技术的不断发展，SRD控制策略也由简单的基本控制策略发展为基于现代控制理论的控制策略，其控制系统也由早期的模拟电路控制逐渐发展成为以高性能微控制器为核心的数字化控制系统。

由于SRD系统具有严重的非线性磁链，可控参数多，数学模型难以精确建立的特点，基于线性控制的传统控制策略不能得到良好的动态及静态性能，并且具有较大的转矩脉动和噪声。

基于现代控制理论的控制策略的研究以及各种控制方法的最佳组合逐步成为SRD系统的研究热点。

关键词：

开关磁阻电动机；功率变换器；谐振电路；控制策略。

目录：

一、SRM及功率变换器发展现状........................................

1.1、SRM发展历程................................................

1.2、SRM应用领域................................................

1.3、功率变换的研究现状分析.....................................

二、SRM与SRD结构原理...............................................

2.1、SRM模型结构及原理...........................................

2.2、SRD系统组成.................................................

2.3、SRD运行特性及系统特点......................................

三、含有谐振电路的功率变换器........................................

3.1、经典功率变换器分析.........................................

3.2、设计原理及运行模式.........................................

3.3、MATLAB软件仿真..............................................

四、总结.............................................................

五、参考文献.........................................................

一、SRM及功率变换器发展现状

1.1、SRM发展历程

开关磁阻电机调速系统是一种新型无极调速系统，兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无极调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。

开关磁阻电机最早可以追溯到19世纪40年代，英国的Aberdeen和Davidson用两个U型电磁铁制造出最初的SRM模型。

但由于当时科学技术落后电机实现困难，效率和可靠性较差，在未来的100年内都没有得要有效的重视及发展。

直到1970年，英国的Leeds大学电机研究小组首创了一台SRM雏形，并进行实验研究。

同年，英国成立了SRM驱动装置有限公司（SRDLtd），专门进行SRD系统的研究、开发和设计。

1983年由该公司首推SRD系列产品并命名为OUTTON。

1984年TASC驱动系统公司也推出其公司研制的系列产品。

SRDLtd公司研制一种适用于有轨电车的驱动系统，到1986年已运行500km。

由于其多项性能指标达到了出人意料的高水平，综合性能能与工业中长期使用的传统变速系统相媲美，在电气传动界引起很大反响。

1.2、SRM应用领域

20世纪80年代SRD系统被研制开发，由于其具有高可靠性、低成本的优点，受到各国学者及企业的关注和研究。

随着电力电子技术和计算机技术的发展，电机拓扑结构与控制方式的不断推陈出新，使得SRD系统迅猛发展，产品功率等级从数瓦到数百千瓦并广泛应用于航空航天、新能源动力、机械工业、家用电器等各个领域。

英、美等经济发达国家对SRD系统研究起步较早，并已取得显著效果，我国也逐渐把SRD系统的研究和应用列入国家科研计划中，成果显著。

1、新能源电动汽车

由于开关磁阻电机调速范围宽、可靠性高，在电动汽车的设计开发中一般使用SRD作为牵引系统。

美国Tridelta工业公司开发的SRM驱动的助力车，原动力为小型汽油发动机。

当把系统效率和成本作为关键指标时，选取SRD系统作为动力驱动系统。

SRD系统的推广早已被列入我国中、小型电机“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。

在我国，SRM已成功应用于东风公司的混合动力客车，是国内SRM最早最大的成功运行示范车队，整车节油率达25%，无故障间隔历程超10000公里。

2、机械工业

SRD系统因其起动力转矩大、起动电流小，可以频繁重载起动，无其他的电源变压器，节能、维护简单，特别适用于矿井输送机、电牵采煤机等中小型绞车。

3、家用电器

洗衣机是如今家庭中不可或缺的家用电器，其发展的好坏直接影响到人们的生活品质。

如何降低成本、提高效率，是当今洗衣机重要研究向。

SRM是一款低成本、高性能、智能化的新型无极调速电机，其在洗衣机中广泛应用有效提高性价比。

4、风力发电

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

风力发电也逐渐成为人们关注的热点课题。

传统的普通发电机，如异步电机、感应发电机、永磁电机要输出固定得电压和转速。

然而风速是不受人为控制自由变化的，若使风轮机的转速固定不变，将导致网通利用率低下。

SRM作为一种变速恒频的发电系统，有效的解决这一问题。

开关磁阻发电机可以低转速起动具有较高效率。

当使用他励方式时可输出恒定的直流电压，适合在多变风速的条件下运行。

开关磁阻发电机的性能特点使其在风力发电领域中具有很大的潜力和研究价值。

1.3、功率变换的研究现状分析

功率变换器是SRM运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的功率开关器件。

80年代初，主开关器件皆用SCR。

但SCR无自关断能力，开关频率低，强迫换相电路成本高，可靠性差。

后来较多应用GTR，但GTR承受浪涌电流能力差，存在二次击穿问题，不易保护，限制了其在高压、大功率场合下的应用。

80年代中期，结合了SCR、GTR两者优点的GTO受到重视。

因GTO兼有自关断、快速开关能力，能承受较GTR高的电流、电压。

近年来，小功率SRD中常用MOSFET，较大功率则采用IGBT。

功率变换器的拓扑结构与传统逆变器有很大差异，具有多种形式，并且与开关磁阻电动机的相数、绕组连接形式有密切的关系。

在经典功率变换器中，最常见的拓扑结构有：

不对称半桥型、公共开关型等。

二、SRM与SRD结构原理

2.1、SRM模型结构及原理

SRM系双凸极可变磁阻电动机，结构和工作原理较为简单，其定、子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。

转子既无绕组也无永磁铁，定子凸极缠有集中线圈并与其径向相对的转子凸极合称为“一相”。

SRM结构简单，可变性强，不同的定、转子极数组合成不同的相数结构。

增加SRM的极数，有利于减小定转子步距角，使转矩平滑减少转矩脉动。

极数的增加使得电机制作工艺复杂，SRD系统中主控器件增多成本大大提高，因此根据工程需求要合理选择电机相数结构。

在结构形式上SRM与步进电机相似，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，因磁场扭曲而产生切向磁拉力牵引铁心移动到最小磁阻位置（即定、转子双凸极结构轴线重合时气隙最小）

2.2、SRD系统组成

SRD系统主要由SRM、功率变换器、控制器、检测器四大部分组成。

在SRD系统中，功率变换器是控制电路与电机的连接中枢是SRM能量提供者。

主要由蓄电池或交流电整流后的直流电供电并把不可调的直流电变为可调的直流电。

控制器是系统的控制中心，通过对给定的速度或转矩信号和电流、位置检测器的反馈信息进行对比分析做出准确判断，并发出相应电信号控制相绕组的通断状态，实现对SRM转速、转矩等性能指标的有效控制。

检测器主要由电流检测和位置检测构成，位置检测信号的频率与电机的转速成正比将测出的转子位置信号的频率经过转换即得转子转速，电流检测电路为整个SRD系统提供内环控制，实现对电流的实时控制，减小转矩脉动。

2.3、SRD运行特性及系统特点

SRM具有如下的基本特性：

1、开通角θon——即为相绕组接通的瞬间定子与转子凸极间的相对位置角。

可以通过改变θon对主开关器件的触发导通时间进行控制，即实现对波形和电流大小的控制，有效的调节电机的转矩、转向以及转速。

2、关断角θoff——即为电源切断的瞬间定子相绕组中的定、转子在齿极间的相对位置角θoff（θoff-θon=θc），θc是开关器件的导通期，亦可称之为导通角。

θoff大小将对相电流的波形产生影响，在一定范围内调节θoff将能改变转矩，并控制运行状态，对系统的效率产生影响。

3、相电流幅值Imax——通过斩波调节方式来限制I的大小，使相电流小于Imax，从而对SRM转矩和转速进行调节。

4、直流电源电压U——功率变换器的输出电压，可通过改变整流装置或斩波器调节直流电源电压，调节SRM的转矩和转速。

综上，SRD可控参数多，控制简便，能实现四象限稳定运行。

SRM具有开关性和磁阻性两个基本特点。

而其调速系统性能特点具有如下几个方面：

1、电动机结构简单、成本低、适用于高速,开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。

2、功率电路简单可靠因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。

3、从SRM电机结构中可看出，定子集中绕组嵌放容易，端部短而牢固，各相独立工作，系统可靠性极高。

4、高起动转矩，低起动电流控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。

5、适用于频繁起停及正反向转动运行，SRD系统具有高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续且额定运行时还小。

6、可控参数多，调速性能好控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种：

相开通角，相关断角，相电流幅值，绕组电压。

7、效率高，损耗小SRD系统是一种非常高效的调速系统。

8、可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。

二、含有谐振电路的功率变换器

3.1、经典功率变换器分析

功率变换器是直流电源和SRM的接口，起着将电能分配到SRM绕组中的作用，同时接受控制器的控制。

SRD是典型的机电一体化系统，电机、功率变换器、控制器三者之间的设计是紧密相关的，因此一个好的SRD系统必须从优化整体性能/价格比的角度全面的考虑三者的设计。

在整个SRD成本中，功率变换器占有主要的比重，合理的设计功率变换器是提高SRD的性能/价格比的关键之一。

在当今市场经济的时代，评价一个调速系统的好坏主要取决于其是否经济高效。

然而在不损坏稳定性的基础上，如何减小SRM调速系统的成本成为当今研究重点。

功率变换器应达到与电动机结构匹配、效率高、控制方便、结构简单、成本低等基本要求，因此一个理想的功率变换器主电路结构形式应同时具备如下条件：

1、较少数量的主开关元件；

2、可将全部电源电压加给电动机相绕组；

3、主开关器件的电压额定值与电动机接近；

4、具备迅速增加相绕组电流的能力；

5、可通过主开关器件调制，有效地控制相电流；

6、在绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给电源。

7、既适合偶数相的SRM，亦适用于奇数相的SRM

3.2、设计原理及运行模式

如今，不对称半桥型功率变换器是SRM功率变换器的标准。

其控制模式灵活，稳定性高，然而其所需功率元件多、成本过高，限制了SRM的进一步应用。

通过对现有功率变换器的分析，本文设计了每相仅需一个功率开关管和一个功率二极管的新型功率变换器，如图所示。

根据图可以看出每一相绕组都由一个功率开关管控制，在绕组与谐振支路之间有一个功率二极管，为绕组释放能量提供传输路径。

绕组右侧由电阻、电感和电容组成串联谐振电路。

新型的功率变换器主要利用谐振电路的特点，来实现对绕组电流的有效控制。

谐振现象是正弦电流电路的一种特定的工作状态，在无线电和电工技术中得到广泛的应用。

一般的谐振定义如下：

对于任何含有电感和电容而不含独立源的二端网络，在一定频率下端口电压与端口电流相位相同，即电路呈现电阻性，这种工作状态称为谐振。

RLC串联电路中发生的谐振称为串联谐振。

其电路图如所示。

上图所示的RLC串联谐振电路，其复阻抗为：

其中

，

根据上式可以看出，在一定条件下，

，

，电压U与电流I同相位，整个电路相当于一个电阻，这种工作状态称为谐振。

因此RLC串联谐振电路实现谐振的条件为：

解得

称为串联谐振电路的谐振角频率。

由于

，则有：

式中

——谐振频率。

当电源频率一定时，可通过调电感或电容来达到谐振条件，因为调节电容值比较方便，通常是调节电容使电路达到谐振。

在无线电技术中通常还根据谐振电路的特性阻抗

与回路电阻R的比值大小来讨论谐振电路的性能，用Q表示：

式中Q——谐振回路的品质因数。

谐振时各元件上的电压相量为：

电感与电容电压向量之和为：

可见电感电压和电容电压的有效值相等，相位相反，完全抵消。

此时电源电压全部加在电阻上，电阻电压达到最大值。

当Q>>1，且电路接近谐振时，电感和电容电压会远远超过电源电压，常常利用电压谐振来获较高的电压。

新型的功率变换器主要利用谐振电路的特点，来实现对绕组电流的有效控制。

根据SRM的工作原理可知，各个绕组依次供电形成一个与转速成正比的通电频率为谐振的形成提供基础。

其中一相绕组的通电频率为：

式中

——转子齿数

n——转速

根据所介绍的谐振原理可知，当电路在接近谐振时，电感和电容的电压会远远的超过电源电压，其谐振曲线如图所示。

如图所示，当电路频率小于0时，电容电压始终大于电源电压，当接近0产生谐振时，电感和电容电压有效值为UL=UC=QU，当Q>>1时，电容的电压会远远超过电源电压。

当续流时，加在绕组两端的反向电压绝对值为QU>>U，而传统的不对称半桥型功率变换器绕组两端的续流电压绝对为U，其续流电流对比图如图所示（采用的是6/4极，240V开关磁阻电机，在导通角为45°关断角75°，转速n=5000r/min时的仿真曲线）。

运行模式

新型功率变换器共有四种运行模式，本文主要以A相绕组为例简要介绍新型功率变换器的四种运行模式。

1、当θ>=θon时，T1闭合，绕组A得电，电流上升。

2、当θ=θoff时，T1关断，绕组A通过功率二极管给电容迅速充电，电容两端电压迅速升高。

3、当θ>θoff时，绕组A通过功率二极管使电阻消耗绕组中剩余能量，较大的反向电压使绕组电流迅速降低。

4、当绕组电流下降至0时，功率二极管关断，电容中剩余能量回馈电源。

3.3、MATLAB软件仿真

为更直观观测功率变换器的性能，本系统没有加任何控制器设定最大电流200A，并且轻载自由运行。

电机本体利用MATLAB模块建立，选6/4极，240V开关磁阻电机。

功率变换器环节直接采用SimPowerSystems模块搭建。

各功率变换器开关器件统一采用绝缘栅双极晶体管。

其控制图如图：

下面图分别显示了不对称半桥型、公共开关型以及新型功率变化器在本系统中搭载运行，启动到0.4s时转矩、相电流、速度的仿真图形，其中导通角θon=40°，关断角θoff=75°。

不对称半桥型功率变换器

公共开关型功率变换器

新型功率变换器

根据各仿真结果图可以看出，使用不对称半桥型功率变换器，转矩脉动幅值47.43N*m（7.113N*m—54.54N*m），转矩平均值为25.31N*m，转矩脉动为1.87（转矩脉动=转矩脉动幅值/转矩平均值）。

转矩脉动较小，电流波形稳定，但此变换器每一相都需要两个开关管控制，成本较高。

当使用公共开关型功率变换器时，转矩168.2N*-41.24N*m—126.9N*m），转矩平均值41.03N*m，转矩脉动为4.10，转矩脉动较大且电流波形不稳定，容易产生较大噪声。

在运行过程中可以看出产生负转矩，使得整个系统的效率降低。

虽然公共开关型功率变换器使用较少的功率开关节约成本，但性能较弱。

使用新型功率变换器时，转矩脉动幅值36.5N*m（18.29N*m—36.93N*m），转矩平均值36.93N*m，转矩脉动为0.99，转矩脉动小，电流波形较为稳定。

根据下图可以看出，相同的仿真时间，新型功率变换器提速最快，效率高。

根据仿真结果，各功率变换器主要性能对比如下所示。

类型功率开关管转矩脉动相电流

不对称半桥型61.87稳定

公共开关型44.1较小波动

新型30.99较稳定

可以看出，新的功率变换器使用最少的功率开关管，SRM转矩脉动最小，电流稳定性高，并且提高了效率。

三、总结

通过这次的工程应用综合设计，我初步学到了SRM和SRD的一些基本知识，对于开关磁阻电机今后的发展趋势有了一个新的认知。

并且通过对一些文献的学习开始尝试如何设计一个带有谐振电路的开关磁阻电机的功率变换器，逐渐熟悉并熟练掌握了应用MATLAB软件进行仿真的基本操作。

这些知识对于我以后的毕业设计都有很大帮助。

五、参考文献

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