论文总字数：23754字

摘 要

开关磁阻电机（SRM）是双凸极结构，简单坚固，在恶劣的情况下仍然可以持续工作，正是因为有这些优点，各界人士都开始关注起了开关磁阻电机。由于定子、转子之间不对称的径向力的控制，SRM 固有的振动和噪声问题会大大的被减少。美国想把未来的高科技飞机等产品的电源系统用开关磁阻电机来做。鉴于这样，大多数国家的精英人才已经逐步关注开关磁阻发电机系统，而开关磁阻发电机的研究也将为未来科技的发展提供必要的技术储备。此外，开关磁阻发电机系统的应用十分广泛，在分布式发电系统、不间断电源和可再生能源发电的飞轮储能系统、以及电动汽车等领域都能应用。

本文通过设计 PID 控制器来对搭载新型功率变换器的开关磁阻电机进行控制，利用控制策略上的优势，解决由于开关磁阻电机本身高度的非线性、强耦合所带来的问题。利用 PID 控制技术的特点实现转矩——电流的逆向补偿控制，获得优化的相电流，从而得到平稳的转矩输出，在降低转矩脉动的同时，能够克服系统中因负载扰动及参数变化引起的不确定性。

这篇文章讲了设计主题开关磁阻电机的发展情况和分析了一下结构及其数学模型。本文以一台7.5KW三相(6/4极)SRD系统的设计和研制为主要研究内容。

关键词：开关磁阻 电机驱动 数学模型

Drive design of 6/4 grade switched reluctance motor

ABSTRACT

Switched reluctance motor (SRM) is a doubly salient structure, simple and solid, in the bad situation can still continue to work, it is because of these advantages, people from all walks of life are beginning to concern for the switched reluctance motor. Because of the unbalanced radial force between the stator and the rotor, the vibration and noise of the SRM are greatly reduced.. The United States wants to make the future of high-tech aircraft and other products of the power system with switched reluctance motor to do. In view of this, most of the country's elite talent has been gradually concerned switched reluctance generator system, and switch reluctance generator research also will provide the necessary technical reserves for the development of science and technology in the future. In addition, the switch reluctance generator system is widely used, in the distributed generation system, uninterrupted power and renewable energy generation flywheel can system, and electric vehicles and other fields can be used.

The PID controller is designed to equipped with a new type of power converter for switched reluctance motor control, using the control strategy on the advantages to solve problems due to the switched reluctance motor itself is highly nonlinear and strong coupling. Using PID control technology characteristics of torque current inverse compensation control, optimization of phase current, so as to obtain a smooth torque output, in reducing the torque ripple at the same time, to overcome the system uncertainties due to load disturbances and parameter variations cause.

This article stresses the development of the switched reluctance motor and its mathematical model.. In this paper, the main research contents of the design and development of a 7.5KW three-phase (6/4 pole) SRD system are studied..

Key words: Switched reluctance Motor drive Mathematical model

目 录

摘 要 I

第一章 绪 论 5

1.1 课题的背景及意义 5

1.1.1开关磁阻电机的发展概述 5

1.1.2开关磁阻电机应用 6

1.2课题的研究现状 7

1.2.1开关磁阻电机功率变换器研究现状 7

1.2.2开关磁阻电机控制策略研究现状 8

1.3课题的应用前景 10

1.4 开关磁阻电机驱动设计课题的研究意义 12

1.5本文结构 13

第二章 开关磁阻电机简介 14

2.1开关磁阻电机的结构及原理 14

2.2磁阻电机调速系统结构及运行原理 15

2.2.1开关磁阻电机调速系统结构 15

2.2.2开关磁阻电机调速系统的运行特性 . 15

2.2.3开关磁阻电机调速系统特点 16

2.2.4开关磁阻电机调速系统研究方向 17

2.3SRD系统与异步电动机变频调速系统比较 18

2.4本章小结 20

第三章 开关磁阻电机数学模型 21

3.1开关磁阻电机基本方程 21

3.2开关磁阻电机理想线性模型 24

3.2.1相电感线性模型. 24

3.2.2相绕组磁链线性模型 25

3.2.3基于理想模型的开关磁阻电机绕组电流分析 26

3.3开关磁阻电机准线性模型分析 29

3.4本章小结 30

第四章 开关磁阻电机调速系统模型仿真与分析 31

4.1开关磁阻电机调速系统仿真 31

4.2控制策略仿真分析 33

4.3功率变换器仿真分析 34

4.4本章小结 36

第五章 总结和展望 37

参考文献 38

致 谢 40

第一章 绪 论

1.1 课题的背景及意义

1.1.1 开关磁阻电机的发展概述

开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance Drive，SRD）是一种新型调速系统，具有直流调速系统和交流调速系统这两个调速系统的优点，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的调速系统，是集微电子技术、数字电路技术、电力电子技术、模拟电子技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的新兴技术。

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor， SRM）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^[1]。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。1970 年，英国某所大学电机研究小组首创了一台 开关磁阻电机雏形，并进行了实验研究。 1980 年，那所 大学的 劳尔森教授发表著名论文“Variable-Speed Switched Reluctance Motor”对 SRM 的基本理论进行分析，并对其运行特性及控制方式进行了不断研究。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一系列开关磁阻电机的产品。SRD Ltd 公司研制一种适用于有轨电车的驱动系统，到了1986 年已经运行 了500km的水平。由于这个系统多项性能指标达到了高水平，综合性能能比工业中长期使用的传统变速系统只高不低，在电气传动界引起了非常大的反响。

1.1.2 开关磁阻电机应用

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，电机拓扑结构和控制方法的发展不断推陈出新，取得了SRD系统的快速发展，从几瓦产品的功率电平到几百千瓦，被广泛应用于航空航天，新能源动力，机械行业，家电等领域。^[2]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。

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，用SRD 系统作为动力驱动系统，效率和成本便十分可观。 在我们国家，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的车队，整车节油率达 35%，无故障间隔历程超过20000公里。
2、机械工业

SRD 系统的起动力转矩十分的大、起动电流非常的小，可以多次重载起动，不需要使用其他的电源变压器。节能、维护简单，适用于中小型绞车。

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方向。SRM 是一款低成本、高性能、智能化的新型无极调速电机，其在洗衣机中的广泛应用有效提高性价比。 压缩机是空调、电冰箱的核心部件，如今家用型普通空调、电冰箱的压缩机驱动系统一般采用单相异步电动机。

由于他们采用简单的通断式来进行控温，使得控制系统效率低、电机功率因数小、过大的起动电流对电网产生冲击大等缺点。它改变了普通电动机定速运行的陈旧模式，克服了目前应用较多的变频器调速范围窄，耗电量高等缺点，特别在低速运行时优势更为突出。

4、风力发电

作为一种清洁的可再生能源，风力发电受到越来越多的关注由世界..风力发电已经逐渐成为人们关注的热点话题。常规发电机如异步电动机，感应发电机和永磁电机具有输出固定电压与旋转速度。然而，风力涡轮机的速度不改变，并且所述风力涡轮机的速度将是固定的，这将导致净的低利用率.. SRM变速的电力系统恒定频率，有效地解决问题。开关磁阻发电机可以以低转速和高效率启动。当使用他的励磁模式可以输出恒定的DC电压，适合的操作条件可变风速。开关磁阻发电机的性能有很大的潜力，风力发电的研究价值非常大。

1.2课题的研究现状

1.2.1开关磁阻电机功率变换器研究现状

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