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工程应用综合设计报告陈雯雯
南通大学
工程应用综合设计报告
题目四相开关磁阻电机的线性仿真
学生姓名陈雯雯
学院电气工程学院
专业电气工程及其自动化
班级电123
学号1212021063
起讫日期2015/12/21~2016/1/15
指导教师瞿遂春职称教授
发放日期2015年12月21日
摘要
随着当前石油资源短缺和环境污染的加剧,电动汽车的发展又受到人们的重视。
目前,作为电动汽车驱动用电机有很多,开关磁阻电机因其结构简单、成本低、整个系统具有效率高、可控参数多、起动电流小、起动转矩大等特点,是极具发展潜力的电动车驱动电机之一。
开关磁阻电机调速系统是一种新型的变速拖动系统,其调速性能与其他调速系统相比更加优良,它由双凸极的磁阻电机、功率变换器、位置传感器、控制器组成。
虽然其具有很好的调速性能,但也存在许多问题,比如开关磁阻电机理想的实用数学模型很难建立,电机转矩脉动、噪音大,位置传感器的使用增加了电机的结构复杂性而降低可靠性,这些问题都有待进一步研究和完善。
在对前人研究成果以及大量资料文献的了解下,介绍了当前电动车车用电机的情况和发展趋势,通过对比其他调速系统,分析说明了开关磁阻电动机调速系统的优缺点。
全面总结了开关磁阻电动机的发展方向及应用前景,描述了开关磁阻电动机调速系统的四个组成部分和运行情况。
从分析SR电机的性能入手,在Matlab/Simulink下建立了开关磁阻电机的线性仿真模型,并对模型进行了详细的仿真分析研究,分析存在问题和解决方向。
这为以后运用在电动车上作为驱动系统打下了坚实的理论基础。
目录
摘要2
目录3
第1章绪论4
1.1前言4
1.2开关磁阻电机控制系统发展4
1.2.1开关磁阻电机的发展4
1.2.2开关磁阻电机控制系统4
1.2.3开关磁阻电机控制系统优缺点5
第2章开关磁阻电机控制系统5
2.1开关磁阻电机概述5
2.1.1开关磁阻电机的结构5
2.1.2开关磁阻电机的运行原理6
2.2功率变换器7
功率变换拓扑电路7
2.3主控制器10
2.4系统反馈信号检测10
2.4.1电流检测10
2.4.2位置检测10
2.4.3速度检测10
2.5运行特性分析11
2.6本章小结12
第3章开关磁阻电机系统建模12
3.1开关磁阻电机建模12
3.1.1基本方程12
3.1.2线性模型13
3.2模型仿真及分析15
总结16
参考文献17
第1章绪论
1.1前言
汽车开发出来已经有一个多世纪,已经发展成为快捷、舒适的交通工具,在人类生活中占据着不可或缺的地位。
然而,近年来汽车排气中的氮氧化物及浮游微粒物质等所引起的大气污染以及二氧化碳所引起的地球变暖等被看成是严峻的问题,此外,作为燃料使用的不可再生资源石油,总有一天要枯竭。
这就意味着以廉价石油作为能源的汽车总有一天会动不了。
电动汽车是20世纪最伟大的20项工程技术成就中前两项即“电气化”和“汽车”的融合产物。
开发电动汽车是世界汽车业的新趋势,电动汽车具有高效率、低排放的特性,能源的利用效率高、环境污染度低。
其次电动汽车的转矩响应迅速、加速快,它也还可以实现再生制动和能量回收,提高电动汽车制动的安全性和可靠性。
1.2开关磁阻电机控制系统发展
1.2.1开关磁阻电机的发展
目前,SR电机得到了很大的发展,产品已经广泛地或开始应用于电动车驱动系统、家用电器(洗衣机、食品加工机械等)、通用工业(风机、泵、压缩机等)、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机(用于纺织机、航空发动机、电动工具、离心机传动等)。
功率范围从10W(转速为10000r/min到5MW(转速为50r/min),转速上限达100000r/min,几乎难以找到SR电机不适合的领域。
)
1.2.2开关磁阻电机控制系统
开关磁阻电机控制系统SRD(SwitchedReluctanceMotorDriveSystem,简称SRD)主要由四部分组成:
开关磁阻电机、功率变换器、控制器及位置检测器。
如下图1.1所示:
图1.1开关磁阻电机控制系统组成
开关磁阻电机是SRD系统中实现能量转换的部件。
功率变换器向SR电机提供运转所需的能量,由蓄电池和交流电整流后得到的直流电供电。
控制器是系统的中枢。
它综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信息,控制功率变换器中主开关器件的工作状态,实现对SR电机运行状态的控制。
1.2.3开关磁阻电机控制系统优缺点
优点:
(1)SR电机结构简单、成本低、适合于高速运行;
(2)电机各相独立工作,系统可靠性高;
(3)功率电路简单可靠;起动转矩高,启动电流小;
(4)可控参数多,调速性能好;
(5)适用于频繁起动、停车以及正反转运行;
(6)效率高,损耗小;
缺点:
(1)由于是磁阻式电动机,其能量转换密度低于电磁式电动机;
(2)转矩脉动较大,通常SR电机转矩脉动的典型值为±15%。
由转矩脉动所导致的噪声及谐振问题也较为突出;(3)电机相数越多,所需功率器件数越多;
(4)需要位置检测,增加了系统的复杂性和成本,降低其可靠性。
1.3开关磁阻电机控制系统应用
SRD作为一种新型调速系统,具有良好的调速性能和高速运行特性,兼有直流传动和普通交流传动的优点,正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、航天器械及汽车辅助设备等领域,特别在航空航天和电动汽车领域的应用发展较快,非常引人注目。
第2章开关磁阻电机控制系统
开关磁阻电机控制系统是由开关磁阻电动机、功率变换器、控制器以及电流、位置检测器相互协调工作的一种调速系统。
本章简要说明了开关磁阻电机的基本结构和工作原理,详细论述了开关磁阻电机的四个组成部分,并且分析了开关磁阻电动机控制系统(SRD)的运行特性。
2.1开关磁阻电机概述
SR电机是一种电能量转换装置。
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。
2.1.1开关磁阻电机的结构
SR电机的定、转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体,定子上有集中绕组,径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极,称为一相。
SR电机可由相数不同而分为单相、两相、三相电机等,且定、转子极数有不同搭配,但低于三相的电机没有自启动能力,对于有自启动能力的电机,一般选择表2.1所示的定、转子极数组合方案。
相数多,步距角小,利于减小转矩脉动,但结构复杂,并且主开关器件多,成本高。
目前用的最多的是四相(8/6)和三相(6/4或12/8)电机。
图2.1所示为四相(8/6)SR电机结构原理图,仅画出A相绕组及供电电路。
其中A-A1为一相,S1和S2为主开关,VD1和VD2为续流二极管,当S1、S2导通时,A相绕组从直流电源吸收电能,关断时,绕组电流通过续流二极管将剩余的能量回馈给电源。
因此,它具有能量回馈的特点,系统效率高。
2.1.2开关磁阻电机的运行原理
(1)电动运行原理
依据“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。
在图2.1中,当定子D-D1极励磁时,所产生的电磁力使临近的转子极对旋转至与磁力线重合的轴线上,以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置,依次给D-A-B-C相通电,转子则会逆着磁力线以逆时钟方向旋转,反之,依次给B-C-D-A相通电,转子则会作顺时钟方向旋转。
如图2.2电感上升区间为电动区间。
(2)发电运行原理
与电动机运行时不同,如果绕组在转子转离“极对极”位置(如图2.2中电感下降区)时通电,产生的电磁阻性电磁转矩驱使电机回到“极对极”位置,但原动机驱动转子克服电磁转矩继续逆时钟旋转。
此时电磁转矩与转子运动方向相反,阻碍转子运动,是阻转转矩性质。
当转子转到下一相的“极对极”位置时,控制器根据新的位置信息向功率变换器发出命令,关断当前相的主开关元件,而导通下一相,则下一相绕组会在转子转离“极对极”位置通电。
这样,就可以产生连续的阻转转矩,在原动机的拖动下发电,从而将机械能转换为电能。
2.2功率变换器
功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的提供者,是连接电源和电动机绕组的开关部件。
通过它将电源能量馈入电机,也可将电机内的磁场储能反馈回电源。
功率变换拓扑电路
1.电机双绕组型
这种主电路可适用于任意相数的开关磁阻电机,尤其适宜于低压直流电源。
2.电容裂相型
这种主电路结构只适用于偶数相的开关磁阻电机。
3.H桥型
只适合于四相或者四的倍数相的SR电机。
4.不对称半桥型
5.具有最少数量主开关器件的功率变换器电路
这种结构能很方便地增加电动机相数、减少转矩脉动而不增加变换器成本。
在工业中运用起来很有实用价值。
表2.2为各个拓扑电路的性能比较,在本论文中,从实际出发,确保各相能独立控制且主开关器件尽量少,控制简便可靠,并从提高效率、电机槽及铜线利用率的角度出发,采用最少数量主开关器件的功率变换器电路。
它保留了桥式电路的优点,所用主开关器件数最少,降低了成本。
因为A相和C相、B相和D相的电流不会重叠,所以可保证任一时刻流过各主开关器件的电流仅是一相电流,通过主开关器件的峰值电流即为相电流峰值。
各主开关器件的热耗不再相等,显然,接至两相绕组的主开关器件S1、S4的热耗较大,同时主开关器件的控制策略的复杂性降低,在系统的调速性能方面更优越。
以A相为例,该相有两个主开关管S1和S2及续流二极管D1和D2。
其中,上下两只主开关管是同时导通和关断的。
当S1、S2导通时,D1和D2截止,电源电压加至A相绕组的两端,产生相电流;当S1、S2关断时,D1、D2正向导通,A相绕组电流通过D1、D2续流,回馈电能。
2.3主控制器
控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度以及电流等反馈信息及外部输入的指令,实现对SR电机运行状态的控制,是SRD的指挥中枢。
控制器一般由单片机或者DSP芯片及外围接口电路组成,在其中实现电机参数的比较分析以及控制运行算法的实现,在SRD系统中,要求控制器实现下述性能:
(1)电流斩波控制;
(2)角度位置控制;(3)启动、控制、停车及四象限运行;(4)速度调节。
综合采用有效的电机控制策略,减少转矩脉动降低噪声,实现电机优良的调速性能。
2.4系统反馈信号检测
2.4.1电流检测
开关磁阻电机控制系统需要进行相电流的检测,电流检测是开关磁阻电动机调速系统电流斩波控制方式的需要,也是实现过流保护的需要。
开关磁阻电动机的相电流具有单向、脉动以及波形随运行方式、运行条件不同而变化的特点。
目前,开关磁阻电动机调速系统的电流检测方法主要有:
(1)电阻采样法;
(2)直流电流互感器采样法;(3)霍尔电流传感器采样法;(4)磁敏电阻采样法。
2.4.2位置检测
位置检测是开关磁阻电动机调速系统实现自同步运行的前提条件,对于开关磁阻电机调速系统来说,位置信号具有决定作用,电机需要通过位置信号来决定哪一相应该导通以及在什么时刻开通和关断。
设开关磁阻电机的定子极数为sN,转子极数为rN,一般是sN〉rN,则转子的步进角sθ,应为
转子的极距角rθ为:
(m为电动机相数,其为定子极数一半。
)
2.4.3速度检测
SR电机的运行速度一般是通过位置传感器的信号转换得来,当电机角速度为ωr(rad/s)时,其一相转子位置检测信号的频率为:
其中ωr=2πn/60。
由此可见,转子位置检测信号的频率与电动机的转速成正比,测出转子位置检测信号的频率即间接测得转速。
2.5运行特性分析
开关磁阻电机一般运行在恒转矩区和恒功率区。
在这两个区域内,电机的实际运行特性可控。
通过控制条件,可以实现在实线以下的任意实际运行特性。
在第一个临界转速基速ωb以下,电机输出恒转矩,为限制电磁ψmax、电流i不超过电机和可控开关器件的容许值,应调节外加电压U和开关角θon、θoff这三个可控变量,此时一般采用电流斩波控制方式。
它是通过固定开关角θon、θoff,通过斩波控制外加电压的有效值,如图2.9(b)所示。
在第一、第二临界转速之间,电动机输出恒功率,在高于ωb的速度范围内运行,因旋转电动势较大,开关器件导通的时间较短,因此电流较小,当外加电压U和开关角θon、θoff一定的条件下,随着角速度ω的增加,ψ或i将以ω−1下降,而转矩T以ω−2下降,此时可采用角度位置控制方式APC)通过按比例地增大导通角θc=θoff-θon来补偿,延缓转矩T的下降速度,如图2.9(a)。
2.6本章小结
本章主要介绍了开关磁阻电机的几个组成部分,着重对比分析了目前几种常见的功率驱动电路,对电机电流、位置和速度计算进行了简要的介绍。
分析了电机的运行特性
第3章开关磁阻电机系统建模
SR电机由于其双凸极的结构特点,磁路和电路的非线性、开关性,使得定子绕组电流和磁通波形极不规则,目前已有多种磁链模型建模方法如线性法、准线性法、函数解析法、表格法、有限元分析法和神经网络法等。
3.1开关磁阻电机建模
3.1.1基本方程
虽然电机的双凸极结构导致磁路和电路的非线性、开关性,使得电机的各个物理量随转子位置作周期性变化,定子电流和磁通波形极不规则,但仍能依据电磁感应定律、全电流定律、能量守恒定律等基本的电磁关系,写出SR电机的基本平衡方程式。
对k相SR电机,当不计磁滞、涡流及绕组间互感时,根据电路定律可得到SR电机单相的电压平衡方程式:
(3-1)
式中:
Uk为k相绕组两端的电压;Rk为k相绕组的电阻;ik为k相绕组的电流;ψk为k相绕组的磁链。
一般来说,ψk为绕组电流ik和转子位移角θ的函数,而磁链可用电感和相电流的乘积表示,忽略相间的互感,即可以表示为:
(3-2)
代入式(3-1)中:
(3-3)
当电动机电磁转矩Te与作用在电机轴上的负载转矩不相等时,就会产生加速度,转速就会发生变化,由力学定律得出电机的机械方程:
(3-4)
式中:
θ为转子位移角,ω为角速度,ω=dθ/dt,J为SR电机转子及负载的转动惯量,F为电机粘性摩擦系数,Tl为负载。
3.1.2线性模型
影响SRD运行特性的最主要因素是SR电机相电流波形、电流的峰值和峰值出现的位置。
而电流波形是随着电动机的运行状态而变化,根据式(3.3)只能得到电流的数值解,而没有解析解,难以计算。
为了弄清SR电机内部的基本电磁关系和基本特性,我们从理想的简化模型入手进行研究。
为此,我们作如下假设:
(1)不计磁路的饱和影响,绕组的电感与电流大小无关;
(2)忽略磁通的边缘效应;
(3)忽略所有的功率损耗;
(4)功率管的开关动作是瞬时完成的;
(5)电机以恒转速运行。
在上述假设下的模型就是电动机的理想线性模型,绕组电感与转子位置的关系用函数表示如下:
(3-5)
其中K=(Lmax−Lmin)/βs,βs为转子极弧。
各相绕组相电感与转子位移角的关系曲线相似,只存在2π(1/Nr-1/Ns)的相差,即15°位置角。
在理想线性模型中,忽略功率损耗,单相电路方程式(3-1)可以简化为:
(3-6)
式中,“+”对应于绕组与电源接通期间;“-”对应于绕组关断后续流期间。
θoff在主开关管VD1、VD2导通瞬间为初始状态,有ψ0=0,θ0=θon;主开关管VD1、VD2关断瞬间,有θ=θoff。
由初始条件及式(3-5)和式(3.6)可求得一相绕组在一个导通、续流的变化周期内,磁链表示为
式中:
θon为开通角,θoff为关断角。
θc=θoff-θon,称为导通角。
瞬时转矩Tem可由磁共能Wm(Wm′=∫ψk*dik,ψk为k相绕组的磁链,ki为k相绕组电流)导出:
在Matlab/Simulink下,由式(3.1)、式(3.2)、式(3.5)和式(3.9)建立了SR电机的单相仿真模型,采用模块化设计,将整个电机模型分为几个小模块,如图3.2所示。
switch模块根据角度位置实现电压的开通和关断,modulo模块实现转子位置角对周期为2π/Nr的周期函数,inductance模块由磁链、角度位置得到相电流和电感,torque模块根据转子位置角和相电流来计算相绕组的瞬时转矩。
图3.2单相绕组的仿真模型
由式(3.4)、式(3.6)和式(3.10)得到8/6四相SR电机的整体仿真模型,如图3.3所示,相邻的两相绕组相差15°位置角度,phaseA、phaseB、phaseC、phaseD代表电机的四相,输出的瞬时转矩求和得到电机总的电磁转矩。
图3.3四相开关磁阻电机线性仿真模型
3.2模型仿真及分析
在线性模型仿真时,必须选择一个初始的转子位置角,这是因为只有在电感上升区才能产生转矩,一般选择初始位置角在θ1和θ2之间。
本文设初始位置角为10ο,θon=0ο,θoff=15ο,得到的相电压、相电感、相电流、转矩和转速如图3.4所示。
并且仿真过程中忽略功率变换器电路的影响。
图3.4线性模型仿真波形图
从图3.4中可以看出,基于线性模型下的开关磁阻电机的电感、磁链和电流波形得到很好的实现,从而证明了该模型的可行性,线性模型可用于简单的电机性能分析和控制系统前期设计研究中。
要减少SR电机的转矩脉动,关键还是控制绕组电流,在线形模型中,SR电机的转矩特性分析如下:
若在电感上升区域θ1~θ2内绕组通电,旋转电动势为正,产生电动转矩,电源提供的电能一部分转换为机械输出,一部分则以磁能的形式贮存在绕组中;若通电绕组在θ1~θ2断电,贮存的磁能一部分转换为机械能,一部分则回馈给电源,这时转轴上获得的仍是电动转矩。
在最大电感为常数的区域θ2~θ3内,旋转电动势为零,如果电流继续流动,绕组磁能则仅回馈给电源,转轴上没有电磁转矩;最后,若电流在电感下降区域θ3~θ4内流动,因旋转电动势为负,产生制动转矩,这时回馈给电源的能量既有绕组释放的磁能,也有制动转矩产生的机械能,即SR电机运行在再生发电状态。
显然,为得到较大的有效转矩,一方面应尽量减少制动转矩,即在绕组电感开始随转子位置减小时,应尽快使绕组电流衰减到零,所以关断角θoff通常设计在最大电感达到之前。
主开关器件都关断后,反极性的电压加至绕组两端,电流流向电源,所以绕组电流迅速下降,以保证在电感下降区域内流动的电流很小;另一方面,应尽量提高电动转矩,即在绕组电感随转子位置上升区域应尽量流过较大的电流。
SR电机电磁转矩的调节主要是通过控制主开关器件的导通角度,即起始开通角和关断角,间接地控制电流来实现的。
总结
本文在全面总结国内外有关文献的基础上,分析开关磁阻电机的运行特性以及引起转矩脉动的主要因素,研究了开关磁阻电机的线性模型,获得了比较满意的仿真数据,为进一步深入研究改善电动车的其他开关磁阻电机模型打下基础。
经过这次的工程应用综合设计,我个人得到了不少的收获,一方面加深了我对课本理论的认识,另一方面也提高了实验操作能力。
现在我总结了以下的体会和经验。
这次的设计跟我们以前做的实验不同,因为我觉得这次我是真真正正的自己亲自去完成。
所以是我觉得这次设计最宝贵,最深刻的。
就是实验的过程全是我们学生自己动手来完成的,这样,我们就必须要弄懂实验的原理。
在这里我深深体会到哲学上理论对实践的指导作用:
弄懂实验原理,而且体会到了实验的操作能力是靠自己亲自动手,亲自开动脑筋,亲自去请教别人才能得到提高的。
在实验过程中,我们应该尽量减少操作的盲目性提高实验效率的保证。
同时注意团队合作和操作安全。
参考文献
【1】孙玉坤,陈凯峰,朱志莹.单绕组磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型.《电测与仪表》–2014
【2】程蒙江川,陈长兴,耿道田.开关磁阻电机非线性模型优化控制研究.《计算机仿真》-2015
【3】祖层,孙玉坤,陈凯峰.12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机磁链特性及磁链建模研究.《电测与仪表》,2014(17):
42-48
【4】胡学彬,王宏华,周湛权.一种改进的RBF神经网络的开关磁阻电机磁链模型.《机械制造与自动化》,2015,44(6):
172-175
【5】嵇小辅,马滔,项倩雯.8/6极单绕组磁悬浮开关磁阻电机建模与分析.《微电机》,2014(6):
9-14
【6】吴红星,孙青杰,黄玉平,郑继贵.开关磁阻电机非线性建模方法综述.计算机测量与控制,《微电机》,2014,47(5):
83-92
【7】杨菲菲,曾毅,开关磁阻电机调速控制系统的研制,硕士论文,2012,4,10
【8】李涛,赵德安,电动车用开关磁阻电机控制系统的设计,硕士论文,2010,6
【9】Chong-ChulKim,JinHur,Dong-SeokHyun.SimulationofaSwitchedReluctanceMotorsUsingMatlab/M-file.IEEESIC,2002:
1066-1071
【10】HayashiYetal.ANewApproachtoCalculatingCoreLossesintheSRM.IEEETrans,onIA,1995,31(5):
1039-1046
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