基于MATLAB的开关磁阻电动机控制仿真

1. 用万用表检查电动机输入端电源电压大小 ,然后进行处理 2. 将 Y 联结改回 △联结 3. 检查开焊或断裂后 ,进行修理 4. 按正确绕组匝数重绕
1. 进行加热烘干处理 2. 经鉴定可以继续使用时 ,可经清洗干燥 ,重新涂漆处理 ,如果 绝缘老化 ,不能安全运行时 ,需更换绝缘
电动机运行时 有杂音 ,不正常
Key words Switched reluctance motor , model , PWM , simulation.
1 引言
开关磁阻电动机 ( SRM) 因其 结 构 简 单 、坚 固 ,工作可靠 ,效率高 ,由其构成的调速系统 —开 关磁阻电动机调速系统 ( SRD) 运行性能和经济指 标比普通的交流调速系统 ,其至比晶闸管 —直流 电动机系统都好 ,具有很大的应用潜力[1 ] 。但由 于研究历史短 ,涉及的技术内容极为广泛 ,加之 SRM 本身的非线性特性 ,使得 SRD 在理论和应 用方面还需要做大量的研究工作 。开关磁阻电机 的运行遵循“磁路最短”原理 ,在这一点上类似于 传统的反应式同步电动机 ,但 SRM 为双凸极结 构 ,其内部磁场是脉振性质的 ,因此其分析设计均 不同于其他传统的交流电机 。笔者运用 MA T2 LAB SIMUL IN K 建立开关磁阻电机模型 , 采用 PWM 控制方式并对其进行了仿真 。
防爆电机 ( EXPLOSION -
PROO F
EL ECTR IC MACHIN E)
2 002400年4 年第141期月(1总5 日第
121 期) 出版
基于 MA TL AB 的开关磁阻电动机控制仿真
肖 芳
中国矿业大学信电学院 ,江苏徐州 (221008)
摘 要 由于开关磁阻电机结构与运行原理特殊 ,其分析研究比其他电机相对困难 。笔者运 用 MA TLAB - SIMUL IN K建立了开关磁阻电动机的准线性仿真模型 。在此基础上进行了 PWM 控制算法的仿真 ,结果表明系统动静态性能均较好 。
为检验上述模型的优劣 ,采用 PWM 控制方 法进行系统仿真 。电机参数设置为 PN = 7. 5kW , ΩN = 2000r/ min , U N = 380V , IN = 32A , Im = 8A ,
q = 4 , N s = 8 , N r = 6 , Lμ = 10mH , L a = 100mH , αr = 1. 05rad , βs = 0. 35rad , βr = 0. 42rad , β = 0. 004rad ,J = 0. 0015kg·m2 ,系统仿真模型如图 4 所示 。图 5 、图 6 、图 7 分别为 SRM 在 PWM 控制 方式下空载 、半载和全载时的起动响应曲线 。可 见系统动静态性能均较好 ,说明上述 SRM 准线 性模型有一定精确度 ,PWM 控制算法较好 。
2 SRM 的数学模型
建立 SRM 数学模型的主要困难在于 ,电动 机的磁路饱和 、涡流 、磁滞效应等产生的非线性 , 这些非线性因素严重影响了电机性能[1 ] ,并使得 建模计算相当复杂 。但线性模型并不能准确反应 电机特性 ,存在明显不足 。因此 ,实用中为避免繁 琐的计算 ,又近似考虑磁路的饱和效应 ,将实际的 非线性磁化曲线分段线性化 ,同时不考虑相间耦 合效应 ,近似处理 ,即得到 SRM 的准线性模型 。 本文即采用这种模型对 SRM 进行相关仿真 。
1. 纠正错误 2. 电动机烘干处理 ,老化的绝缘要进行更新换代 3. 包扎或更新引出线绝缘 ,修理接线盒
电动机起动困
难 ,加额定负载 后 ,电动机转速 比额定转速低
1. 电源电压低 2. △联结绕组误接成 Y 联结 3. 笼型转子开焊或断裂 4. 重绕时匝数过多
绝缘电阻低
1. 绕组受潮或被水淋湿 2. 绕组绝缘老化
在忽略相间互感的情况下 ,电压方程为
U j
=
ri j
+
dφj (θj , dt
ij)
(2)
其中 , U j —第 j 相绕组电压 ; r —绕组电阻 。
PWM 控制方式分为电压斩波和电流斩波两种。 电压斩波控制方式的原理比较简单 ,即用速 度给定值与实际速度的差值调节外加电压 Us 在 导通相绕组上的有效时间宽度改变其有效值 ,从 而改变输出转矩的大小 ,通常称之为“电压 PWM 控制”。采用这种控制策略时 ,功率变换器主开关 的开通角θon和关断角θoff固定 , PWM 信号调制功 率变换器中各相主开关的触发信号 ,通过给定 PWM 信号的占空比 D 调节电机各相绕组平均供 电电压 ,可以得到系统相应的机械特性 。 电流斩波控制与电压斩波控制的区别在于 , 前者通过设定一电流限值控制外加电压 Us 作用 与导通相绕组上的有效时间 ,设定不同的电流限 值即可改变转矩输出 。 电流斩波方式还可以进一步细分 ,电机起动
关键词 开关磁阻电动机 模型 PWM 仿真
Controlling Simulation of Switched Reluctance Motor Based on MATLAB Xiao Fang
Abstract The const ruction and operation principle of t he Switched reluctance mo2 tor is special , so analysis and st udy of it is more difficult t han ot her motors. The quasi2 linear simulation model of t he switched reluctance motor is established by MA TLAB2 SIMUL IN K. The simulation of PWM cont rolling algorit hm is carried out on t he basis of it . The rest ult shows t hat bot h t he dynamic and static performances of t he system are very good.
图 4 PWM 方式 SIMUL IN K 仿真模型
图 5 PWM 方式空载时起动波形
图 6 PWM 方式半载时起动波形 26
图 7 PWM 方式全载时起动波形
5 结束语
运用 MA TLAB SIMUL IN K 建立了开关 磁 阻电动机的准线性模型 ,该模型通用性强 、修改方 便 ,适用于系统控制的定性分析 ,且便于进行控制 算法的研究 。PWM 控制算法通过仿真 ,结果表 明系统动静态性能均较好 。 (下转 31 页)
图 3 实际磁化曲线
至此 ,SRM 模型描述完毕 。
3 PWM 控制方式
图 2 分段线性化磁化曲线
按照力学定律在电动机电磁转矩 Te 和负载 转矩 TL 作用下 ,转子机械运动方程为 :
Te = J dd2θt2 + D ddθt + TL
(1)
式中 , J —转动惯量 ; D —摩擦系数 ;θ—转子 位置信号 。
采用电流斩波控制 ,开通角 θon固定为 0°,关 断角θoff固定在 θr/ 2 (θr 为电机转子周期角) , 电 机运行时 ,当电流超出设定限值时 ,功率变换器主 开关被强迫关断 ,当电流下降一段时间 ,低于限值 后再导通 。通过设置不同的电流斩波限可得到相 应的系统机械特性[5 ] 。
5 系统仿真
1. 电动机负载过大或被卡住 2. 电源未能全部接通 3. 电压过低 4. 对于小型电动机 ,润滑脂硬 或装配太紧
1. 电源线与接地线搞错 2. 电动机绕组受潮 ,绝缘严重 老化 3. 引出线与接线盒接地
处 理 方 法
1. 检查设备 、排除故障 2. 更换熔断器的熔体 ;紧固接线柱松动的螺钉 ;用万用表检查 电源线的断线或假接故障 ,然后修复 3. 如果 △联结电动机误接成 Y 联结 ,应改回 △联结 ,电源电压 太低时 ,应调整供电电源 ;电源线压降太大造成电压过低时 ,应 改成粗电缆 4. 选择合适的润滑脂 ,提高装配质量
L max
L min + L max i1/ i L max - K (θ- θ4) L min + [ L max - K (θ- θ4) ] i1/ i
0 ≤i ≤i1 i > i1 0 ≤i ≤i1 i > i1 0 ≤i ≤i1 i > i1
θ1 ≤θ≤θ2 θ2 ≤θ≤θ3 θ3 ≤θ≤θ4 θ4 ≤θ≤θ
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防爆电机 ( EXPLOSION -
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121 期) 出版
过程中为限制起动电流峰值 ,同时保证任何位置 都有较大的起动转矩 ,采用全开通起动斩波方式 ; 电机起动后以较低速度运行 ,此时为避免续流进 入电感下降区导致制动转矩 ,采用定角度斩波方 式“, 切掉”一段电流脉冲后沿 ;当转速再稍高 (中 速) 时 ,采用反复切换功率开关器件的变角度斩波 方式 。
电动机过热或 冒烟
1. 电源电压过高 ,使铁心磁通 密度过饱和 ,造成电动机温升 过高
2. 电源电压过低 ,在额定负载 下电动机温升过高
3. 定 、转子铁心相摩擦 4. 电动机过载或拖动生产机 械阻力过大 ,使电动机发热 5. 电动机频繁起动或正反转 次数过多
6. 风扇故障 ,通风不良
1. 如果电源电压超过标准很多 ,应与供电部门联系解决 2. 若因电源线电压降过大而引起 ,可更换较粗的电源线 ,如果 电源电压太低 ,提高电源电压 3. 检查故障原因 ,如果轴承间隙超限 ,则Байду номын сангаас更换轴承 ;如果转轴 弯曲 ,则需进行调直处理 ,铁心松动或变形时应处理铁心 ,消除 故障
若不计电动机磁路饱和的影响 ,假定相绕组 的电感与电流的大小无关 ,且不考虑磁场边缘扩 散效应 ,这时 ,相绕组的电感随转子位置角θ周期 性变化的规律如图 1 所示 。该准线性模型的电感 解析式为[4 ] :
收稿日期 :20042042021 肖 芳 女 1981 年生 ;中国矿业大学信电学院在读硕士研究生 ,研究方向为电机与电器 1
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2004 年第 4 期 (总第 121 期) 2004 年 11 月 15 日 出 版
( EXPLOSION -
PROO F
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防爆电机
L (θ,i) =
L min
L min + K (θ- θ2) L min + K (θ- θ2) i1/ i
其中 , K = ( L max - L min) / (θ3 - θ2) 。
进一步整理得 SRM 的状态方程为
dφj dt
=
Uj
-
ri j
dω dt
=
1 J
(
Te
-
TL -
Dω)
(3)
ddθt = ω
图 1 定 、转子位置图和理想相绕组电感曲线
图 2 是 SRM 性能分析中的准线性模型的磁 化曲线 ,其中一段为磁化特性的非饱和段 ,其斜率 为电 感 的 不 饱 和 值 ; 另 一 段 为 饱 和 段 , 斜 率 为 L min 。图中 i1 是ψ- i 曲线拐点处的电流值 , i < i1 时磁路不饱和 , L max和 L min分别为绕组电感的 最大值和最小值 。实际磁化曲线如图 3 所示 。
2004 年第 4 期 (总第 121 期) 2004 年 11 月 15 日 出 版
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防爆电机
(续表 1) 故 障 现 象
电动机通电后 , 不起动 、嗡嗡响
电动机外壳带 电
故 障 原 因
1. 轴承磨损 ,有故障 2. 定 、转子铁心松动 3. 电压太高或不平衡 4. 轴承缺少润滑脂 5. 风扇碰风罩或风道堵塞 6. 气隙不均匀 ,定转子相摩擦
1. 检修或更换新轴承 2. 检查振动原因 ,重新压紧铁心进行处理 3. 测量电源电压 ,检查电压高和不平衡的原因 4. 清洗轴承 ,填加润滑脂 ,使其充满轴承室容积的 1/ 2～1/ 3 5. 修理风扇和风罩 ,使其尺寸正确 、清理通风道 6. 调整气隙 ,提高装配质量