第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题背景
1842年在英国研制出了类似SR电机的电磁制动机，但是由于当时条件的限制并未得到发展，直至20世纪60年代，随着晶闸管的使用，SR电机重新焕发新生。20世纪70年代，美国福特电动机公司研制出最早的SR电机调速系统。至20世纪80年代，迅猛发展为新一代的调速电机驱动系统。目前，SR电机在国外已经得到很大的发展，产品已经广泛的应用于电动车驱动系统、家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机等【1】。
我国从1984年开始，以较高的起点开始SR电机调速系统的研究、开发工作，目前已经研制了50W~30kW、20多个规格的工业产品样机，国内关于SRD研究的书刊也相继出版。近几年来南京航空航天大学、西安交通大学和西北工业大学对开关磁阻起动/发电机系统在航空应用进行了可行性研究，在基础理论方面对起动特性和发电品质及强励磁拓扑电路、发电控制策略、无转子位置传感器技术控制策略等方面进行了专题研究；在工程实践上，南京航空航天大学开发了3kW和6kW两套原理样机，电机采用的是风冷形式。不过在大功率方面的研究还很少，仅有原理样机方面的仿真。目前，南京航空航天大学与陕西航空电气有限责任公司正在进行合作，正在研发大功率的开关磁阻起动/发电机系统。但是我国SR电机的理论研究与实际应用中仍存在很大不足，与世界先进国家之间仍有很大差距【2】。
1.1.1 选题目的和意义
开关磁阻发电机和其他的发电机相比较具有以下特点：
（1）结构简单，它的定、转子均是简单的叠片式双凸极结构，定子上绕有集中绕组，而转子上没有绕组和磁钢，电机转速的高低仅仅受到转子所用材料的结构强度的限制，因此电机可以在很高的转速下运行，并且冷却方便，因此对高温等恶劣环境适应性强；
（2）具有较强的容错能力，电机的定子各相绕组之间在物理结构以及
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燕山大学本科生毕业设计（论文）
电磁方面都是相互独立的，因此在出现一相或者两相故障的情况下，仍然能够有一定功率的电能输出；
（3）具有良好的调节性能，通过调节它的开通角和关断角，可以在转速大幅度变化的情况下调节输出来满足负载要求；
（4）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； （5）能够比较方便地实现机械能和电能之间的双向转换，可以作为起动/发电机使用；
（6）输出的电能为脉冲直流电，非常适合用于蓄电池贮存电能。 这些特点的存在使得开关磁阻发电机在航空、航天以及船舶等以发动机作为动力的较高性能、远航程运动载体中，可以用作发动机的起动系统和主要电源发电系统，并且在风力发电领域取得一席之地【3】。
通过对于本课题的研究，可以为开关磁阻发电机供电系统的设计提供一定的理论依据，有利于提高开关磁阻发电机供电系统的稳定性，对开关磁阻发电机在飞机、舰船和风力发电等领域获得更为广泛的应用有着重要意义。
1.1.2 国内外文献综述
开关磁阻电机作为一种新型调速电机，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。其驱动系统（SRD）由开关磁阻电机（SRM或SR电机）、功率变换器、控制器和检测器四个部分组成，控制器内包含控制电路与功率变
【2】换器，而转子位置检测器则安装在电机的一端【1】。
目前调节开关磁阻发电机的输出电压主要靠调节励磁电流，主要的控制 方法有：角度位置控制（APC)、电流斩波控制(CCC)、PWM控制。
CCC控制方案能够确保变换器的可靠工作，同时减小了相电流对于开关管的冲击，能够有效的实现低脉动的恒压发电。PWM控制方式的调节周期是PWM信号的周期,它的调节周期比CCC控制方式短,而且占空比和励磁电流具有很好的线性关系,可控性良好,尤其是在低速时它的控制特性优于CCC控制方式;但是由于开关频率快,在大功率时它的开关损耗大,从而降低了系统的效率,因此PWM控制方式在转速变化范围大时以及中、小功率场合能够
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第1章 绪论
体现出它的特殊的优势。目前，美国已经成功的将开关磁阻发电机应用到航空航天方面，并且将它应用于战斗机中。而在我国关于开关磁阻发电机在风力发电方面的研究也取得了比较高的成绩【4】。
同时，在对开关磁阻发电机电机的仿真、设计理论和磁场数值分析等方面也做了许多工作。建立了开关磁阻发电机的数学模型。建立了开关磁阻发电机的MATLAB/SIMULINK仿真模型，利用MATLAB软件对开关磁阻发电机供电系统进行了综合仿真【5】。
由于它具有的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能较优异，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统的可靠性高等优点，SRD产品已经广泛或者开始应用于机床设备、泵类负载、油田、纺织设备、家用电器、电动车与驱动、煤炭工业、高速运行应用场合等。此外，由于开关磁阻发电机易于维护，可以工作在某些恶劣的环境下，因此其在风力发电中得到广泛应用
【5】
。
1.1.3 研究的基本内容
1、学习和掌握开关磁阻电机（SRM）的结构和工作原理。
2、了解和掌握开关磁阻电机母线电压控制系统的构成和各个环节以及设计。
3、学会用MATLAB软件，并进行开关磁阻发电机的运行仿真。 4、进行开关磁阻发电机输出电压控制的设计。
5、使用MATLAB，编写和调试开关磁阻发电机的输出电压控制系统。
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第2章 开关磁阻电机的结构和工作原理
2.1 开关磁阻电机的结构
SRG采用的是双凸极结构，它的定子和转子都是由普通的硅钢片叠压而成的。转子上既没有绕组也没有永磁体，而定子上绕有集中绕组，并且径向相对的两个绕组可以串联在一起或者并联在一起，它们称为“一相”。开关磁阻发电机可以设计成多种类不同相数的结构，而且定子和转子的极数可以有不同的搭配。常见的搭配有三相6/4极、三相6/8极、三相12/8极，四相
【2】8/6极、四相8/10极等。其中三相12/8极的电机的结构图如图2-1所示【1】【3】
。
图2-1 开关磁阻电机结构图
开关磁阻发电机由双凸极磁阻电机、功率变换器、转子位置传感器（或非直接位置检测器）和控制器组成【7】。
磁阻电机是整个系统的能量转换的核心部件。而功率变换器对于整个系统的运行性能具有至关重要的作用，它主要具有两个方面的作用：
1、连接直流电源或者整流电路与电机绕组，为机械能转化为电能提供足够的励磁，同时通过对于开关的控制来实现不同的控制目标；
2、连接电机绕组与负载或者电网，为电机绕组提供储能的回馈电路。
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控制器相当于整个系统的大脑，它依据接收到的各种检测信号，起着决策和指挥的作用。而位置传感器的作用是负责捕获位置信号，它是开关磁阻发电机的自同步运行与系统控制的重要基础。以上的各个部分相辅相成，构成了一个有机的整体，共同完成着磁阻电机的发电功能。
2.2 开关磁阻电机的工作原理
SRG的工作原理遵循“磁阻最小原理”—磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。原动机带动SRG旋转，在适当的位置给某相通电，转子凸极与定子磁极不重合，便会有磁阻力作用在转子上并产生与驱动转矩相反的阻力矩使其趋向于磁阻最小的位置，即转子凸极中心与定子磁极轴线对齐的位置，同时转子上的机械能转化成磁能储存在磁场中；在适当的位置给此相断电，储存在磁场中的磁能便释放出来，并转化成电能回馈至电源，从而完成了机械能和电能之间以磁能为媒介的机电能量转化过程。用同样的方法给下一相通电，连续不断地按照顺序给电机各相励磁，作用在转子上的机械能将源源不断地转化成电能，实现发电运行【8】。
图2-2 开关磁阻电机一相电路原理图
图2-2是一台12∕8极SR电机结构和一相电路的示意图，定子有3相，每相2对极，共12个极，即12组绕组。转子有8个极。Ta1、Ta2是A相主开关管,Da1、Da2是A相续流二极管，C为滤波电容，Us是直流电源。它的定子和转子呈双凸极形状，极数不相等，都由叠片构成。转子没有绕组，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在各极上得到径磁
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