基于MATLAB的开关磁阻电机调速系统的建模与仿真.doc
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目录:
第一章开关磁阻电机调速系统的研究现状 2
1.1开关磁阻电机调速系统的发展 2
1.2开关磁阻电机调速系统的特点和应用领域 2
1.3当前的主要研究热点和发展方向 3
第二章开关磁阻电机调速系统的基本理论分析 4
2.1开关磁阻电动机调速系统的组成 4
2.2开关磁阻电动机介绍 4
2.3开关磁阻电机的国内外研究 5
2.4开关磁阻电机结构原理 6
2.5SRD系统功率变换器 8
2.6SRD系统功率控制器 9
2.7SRD系统检测单元 10
第三章SRD系统的控制策略 11
3.1角度位置(APC)控制 11
3.2电流斩波(CCC)控制 12
3.3电压PWM控制 13
3.4小结 13
第四章开关磁阻电机调速系统的数学建模与仿真 14
4.1开关磁阻电机调速系统的数学建模 14
4.2开关磁阻电机调速系统的仿真 21
总结 25
基于MATLAB的开关磁阻电机调速系统的建模与仿真
第一章开关磁阻电机调速系统的研究现状
1.1开关磁阻电机调速系统的发展
20世纪60年代以前,在需要可逆、可调速与高性能的电气传动技术领域中,直流传动系统一直占领统治地位。
自60年代以后,随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展,交流电气传动技术发生了日新月异的变化,特别是异步电动机矢量控制和直接转矩控制理论的产生及应用技术的推广,使得异步电动机变频调速系统具备了宽调速范围、高稳态精度,快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能,其动、静态特性完全可以和直流传动系统相媲美,于是出现了交流传动取代直流传动的趋势。
但是,异步电动机变频调速系统也尚有一些未尽如人意之处。
正是在电气传动技术得到迅猛发展的时代背景下,20世纪80年代国际上推出了一种新型交流电动机调速系统—开关磁阻电动机调速系统简称SRD(SwitchedReluctanceMotorDrive)。
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。
1.2开关磁阻电机调速系统的特点和应用领域
开关磁阻电机是一种新型调速电机,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的最新一代无极调速系统。
开关磁阻电机调速系统的特点:
(1)电动机结构简单、成本低、适用于高速
(2)各相工作独立、系统可靠性高
(3)功率电路简单可靠
(4)起动转矩高,启动电流小
(5)可控参数多,调速性能好
(6)适用于频繁启动、停车以及正反转运行
(7)效率高,损耗小
开关磁阻电动机调速系统作为一种新型的调速系统,兼有直流传动和普通交流传动的优点,以向各种传统调速系统挑战的势头正在逐步应用在家用电器、一般工业、伺服与调速系统、牵引电动机、高速电动机、航天器械以及汽车辅助设备等领域,显示出强大的市场竞争力。
开关磁阻电动机由于具有串励直流电动机的特性,因此在发展的初期主要应用在电力机车的牵引上。
随着进一步的发展,开关磁阻电动机调速系统将逐渐占据电气传动市场。
另外,对于低压、小功率的应用场合,开关磁阻电动机远优于普通的异步电动机和直流电动机。
例如使用开关磁阻电动机驱动风扇、泵类、压缩机等,可以在宽广的速度范围内实现高效率的运行,且节能明显,可以在短期内收回成本。
经济型小功率开关磁阻电动机调速系统有广阔的市场,尤其是在家用电器方面的应用。
1.3当前的主要研究热点和发展方向
开关磁阻电动机调速系统同样也存在一些自身的不足和缺点,这主要表现在以下几个方面:
(1)系统采用的是磁阻式电动机,其能量转换密度低于电磁式电动机。
(2)开关磁阻电动机运行时转矩脉动较大,通常转矩脉动的典型值为±15%,由转矩脉动导致的噪声问题以及待定频率下的谐振问题也较为突出。
(3)开关磁阻电动机相数越多,主接线数越多。
(4)系统运行需要电动机位置信号的反馈,而位置传感器的引入使电动机结构复杂,安装调试困难。
电动机和控制器之间的连线增加,而且位置传感器的分辨率有限,使系统的运行性能下降。
(5)笼型异步电动机可以直接接入电网稳定运行,可以没有控制环节,而开关磁阻电动机必须配合控制器才能稳定工作。
针对上述缺点,国内外对开关磁阻电动机调速系统做了进一步的研究,研究的方向有:
(1)进一步完善开关磁阻电动机的设计理论,建立一套效率高、适用于工程设计要求的优化设计法。
(2)加强对铁心损耗理论的研究。
(3)加强对转矩脉动及噪声的理论研究,提高电机的功率因数。
(4)改善电机静态及动态性能仿真模型。
(5)完善开关磁阻电动机、功率变换器及控制器三者之间的协调设计。
(6)实用无位置传感器方案的研究。
(7)开关磁阻电机转矩波动最小化技术。
第二章开关磁阻电机调速系统的基本理论分析
2.1开关磁阻电动机调速系统的组成
开关磁阻电动机调速系统是一种新型机电一体化交流调速系统,主要由四部分组成:
开关磁阻电动机、功率变换器、控制器和检测器,如图2-1所示。
图2-1:
开关磁阻电机调速系统(SRD)框图
2.2开关磁阻电动机介绍
开关磁阻电机(SR电机)的基本结构及基本原理的提出可追溯到19世纪40年代,那时的电机研究人员已认识到利用顺序磁拉力使电机旋转是简单易行的,但由于电机的运行特性(效率、功率因数、利用系数等)很差,仅应用于少数小功率场所,因而一直没有引起人们的研究兴趣。
直到20世纪60年代,大功率晶闸管投入使用,为开关磁阻电机的研究和发展奠定了重要的物质基础。
“开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor)”一词源见于美国学者S.A.Nasar1969年所撰论文,他描述了这种电机的两个基本特征:
①开关性——电机必须工作在一种连续的开关模式,这是为什么在各种新型半导体器件可以获得后这种电机才可以发展的主要原因;②磁阻性——它是真正的磁阻电机,定转子具有可变的磁阻回路,更确切的说是一种双凸极电机。
开关磁阻电机的概念非常久远,可以追溯到19世纪称为“电磁发动机”的发明,这也是现代步进电机的先驱。
在美国,这种电机常常被称为“可变磁阻电机(VariableReluctanceMotor,VR电机)”一词,但是VR电机也是步进电机的一种形式,容易引起混淆。
有时人们也用“无刷磁阻电机(BrushlessReluctanceMotor)”一词,以强调这种电机的无刷性。
“电子换向磁阻电机(ElectronicallycommutatedReluctanceMotor)”一词也曾采用,从工作原理来看,甚至比“开关磁阻”的说法更准确一些,但容易与电子换向的永磁直流电机相混。
2.3开关磁阻电机的国内外研究
开关磁阻电机是80年代初随着电力电子和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统,具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点,成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者,引起各国学者和企业界的广泛关注。
2.3.1国外研究
1970年,英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor,SRM)雏形,这是关于开关磁阻电机最早的研究。
1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司(SRDLtd.),专门进行SRD系统的研究、开发和设计。
1983年英国(SRDLtd.)首先推出了SRD系列产品,该产品命名为OULTON。
1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品。
另外SRDLtd.研制了一种适用于有轨电车的驱动系统,到1986年已运行500km。
该产品的出现,在电气传动界引起不小的反响。
在很多性能指标上达到了出人意料的高水平,整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。
跨国电机公司Emerson电气公司还将开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。
目前开关磁阻电机已广泛或开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域。
从近几年国际会议上有关开关磁阻电机调速系统的文章来看,对开关磁阻电机调速系统的研究工作己从论证它的优点、开发应用的阶段进入设计理论、优化设计阶段。
对开关磁阻电机、控制器、功率转换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方面进行了更深入的研究。
可以预料,随着现代电子学的发展,微处理器运行速度的提高,高性能大容量电力电子器件的发展,在不久的将来有望实现高性能的控制策略,从而使开关磁阻电机调速系统的性能价格比得到进一步的提高。
2.3.2国内研究
从1984年开始,我国许多单位先后开展了SR电机的研究工作,如北京纺织机电研究所、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华中理工大学、华南理工大学、河海大学、合肥工业大学、哈尔滨电工学院、南京调速电机厂、西安微电机研究所、上海电科所、上海中达一斯米克公司等,且开关磁阻电机调速系统的研究被列为中小型电机“七五科研规划项目”。
在借鉴国外经验的基础上,我国SR电机调速系统的开发研究起点较高,目前各单位都集中于较优的三相和四相控制方案,至今国内已有十余家单位推出不同性能、不同用途的从1kw至55kw等多种规格的系列产品,应用于纺织、冶金、机械、运输等行业的数十种生产机械和交通工具中。
1988年在南京召开了第一届开关磁阻电机研讨会。
1991年在武汉召开了第二届研讨会。
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。
从此,我国对开关磁阻电机的研究工作己从摸索合理的设计方法发展为如何加速优化以进行开关磁阻电机的设计,在开关磁阻电机绕组互感对运行的影响、转矩脉振、最佳电流波形、振动与噪音、发热以及铁耗计算等方面出现了许多独特的观点和见解;在控制方面,正在进行用Intel公司的MCS-96或Motorola公司的M68000系列单片机取代MCS51单片机的工作,以提高控制系统的响应速度,降低成本,实现复杂的控制策略。
近20年来,SR电机的研究在国内外取得了很大的发展,但作为一种新型调速驱动系统,研究的历史还较短,其技术涉及到电机、微电子、电力电子、微机、控制、机械及工程应用等众多学科领域的新技术,变频调速感应电机、无换向器直流电机等经历了几个年代的开发推广,目前己领先一步,有着极其广阔的市场前景。
2.4开关磁阻电机结构原理
开关磁阻电机是一种新型调速电机,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的最新一代无极调速系统。
它的结构简单坚固,调速范围宽,调速性能优异,且在整个调速范围内都具有较高效率,系统可靠性高。
主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。
控制器内包含控制电路与功率变换器,而转子位置检测器则安装在电机的一端。
其电机部分由于是运用了磁阻最小原理,故称为磁阻电动机,又由于线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制,故称为开关磁阻电动机。
图2-2:
四相8/6极SR电动机A相电路结构
图中,﹑是电子开关,﹑是二极管,是直流电源。
电机定子和转子呈凸极形状,极数互不相等,转子由叠片构成,且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,维持电动机的连续运行。
电机磁阻随
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