开关磁阻电动机调速系统交流电源侧电流谐波问题的研究

摘要

开关磁阻电动机调速系统 (简称SRD-Switched Reluctance Driver) 是20世纪80年代中期发展起来的一种新型调速系统，已大量应用于工业调速与伺服、家用电器等领域.SRD采用交流一直流整流电源供电，在运行过程中产生电流谐波，影响电网电能质量.目前对SRD谐波的研究大多集中于谐波对开关磁阻电动机(简称SRM-Switched Reluctance Motor)的影响，缺少对电网影响的研究.针对这个问题，本文构建了SRD的仿真模型，利用该模型分析了SRD交流电源侧电流的谐波成分及各电机、电路参数对谐波含量的影响；最后通过对实际SRD数据分析，验证了数字仿真的结论. 在研究SRD基本构成、工作原理以及谐波分析基本方法的基础上，通过将SRD简化成阻容滤波的三相整流电路模型，推导出了SRD交流电源侧的电流表达式，利用傅里叶变换对电源电流的谐波成分进行了理论分析. 建立了SRD的仿真模型并进行了仿真及谐波分析.比较了各种计算机仿真建模工具的特点，建立了6/4极SRD的Matlab/simulink仿真模型.在分析SRM构成与工作原理的基础上，提出了将6/4极SRM模型改建为12/8极的SRM模型的方法，并从仿真、实验两方面验证了该方法的正确性.利用仿真模型，对SRD交流电源侧电流谐波进行了数字仿真，分析了谐波成分与电机转速、功率和滤波电容的关系，总结出谐波的变化规律: (1) 谐波主要与功率有关，随功率的增大而减小(6/4极60kW的SRD谐波总含量从空载时的153﹪降低到额定状态下的64﹪；12/8极SRD谐波总含量从空载的172﹪降低到37kW的72﹪)； (2) 谐波与转速无关； (3) 谐波成分随电容变化比较复杂.谐波以电容的某一个值作为界限，之前波动很大，变化频繁，之后随电容的增大而小幅度降低.实际应用中，电容选值较大，一般都遵循曲线后半部分的变化规律，即谐波随电容值的增大而减小. 利用SRD仿真模型，在SRD的直流母线上串入平波电抗器，对其滤波效果进行了数字仿真分析.加电抗器后谐波总含量下降幅度较大(对于6/4极SRD，当电容为2000uF时，谐波总含量由不加电抗器时的83.7﹪降为加1000uH的电抗器时的到28.7﹪，降低了55﹪)；谐波次数越低，效果越好，谐波次数越高，效果越不明显. 在山东科汇电气股份有限公司的开关磁阻电机测试平台上，对由三相12/8极SRM(额定功率37kW、额定转速1500r/min)和SRD10132控制器组成的SRD的电源谐波进行了实测，分析了谐波成分随功率、转速、滤波电容和平波电抗器的变化规律，把该结论和同样参数下的仿真分析结果进行了对比.验证了仿真分析的正确性.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1本课题的研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本课题的研究内容

第2章SRD基础知识

2.1 SRD的基本构成

2.1.1开关磁阻电动机

2.1.2功率变换电路

2.1.3角位移传感器

2.1.4控制电路

2.2 SRD的工作原理与特点

2.2.1 SRD工作原理

2.2.2 SRD特点

2.3 SRM数学模型

2.3.1电动势方程式

2.3.2转矩方程式

2.4 SRM非线性磁链模型

第3章SRD交流电源侧电流谐波理论分析

3.1谐波的基本概念

3.1.1谐波的定义

3.1.2电压电流的波形畸变

3.1.3畸变波形的有效值和畸变率

3.2 SRD交流电源侧谐波理论分析简化模型

3.3 SRD谐波理论分析

3.3.1单相等值电路的谐波分析

3.3.2三相整流电路的谐波分析

3.3.3 SRD直流母线侧加平波电抗器L的滤波效果分析

第4章SRD的simulink仿真模型

4.1仿真工具的选用

4.2 6/4极SRD仿真模型

4.2.1 SRM模块

4.2.2功率变换器模块

4.2.3角位移传感器模块

4.2.4控制器模块

4.3 12/8极SRD仿真模型的建立

4.3.1基于6/4极SRM的12/8极SRM模型的构建方法

4.3.2 12/8极SRM模型的仿真验证

4.4 SRD仿真模型与实际系统的对比验证

第5章SRD交流电源侧电流谐波仿真分析

5.1 6/4极SRD电源电流谐波仿真分析

5.1.1仿真参数

5.1.2额定功率，额定转速下波形及其谐波成分

5.1.3功率恒定时，谐波成分随转速变化情况

5.1.4转速恒定时，谐波成分随功率变化情况

5.1.5功率恒定时，谐波成分随滤波电容变化情况

5.2 12/8极SRD电源电流谐波仿真分析

5.2.1仿真参数

5.2.2额定功率，额定转速下波形及其谐波成分

5.2.3功率恒定时，谐波成分随转速变化情况

5.2.4转速恒定时，谐波成分随功率变化情况

5.2.5功率恒定时，谐波成分随滤波电容变化情况

第6章SRD直流母线侧加平波电抗器的滤波效果仿真

6.1 6/4极SRD平波电抗器的滤波效果仿真

6.1.1仿真参数设置

6.1.2滤波电容C=6800uF时谐波随平波电抗器变化情况

6.1.3滤波电容C=2000uF时谐波随平波电抗器变化情况

6.2 12/8极SRD平波电抗器的滤波效果仿真

6.2.1仿真参数设置

6.2.2滤波电容C=6800uF时谐波随平波电抗器变化情况

6.2.3滤波电容C=2000uF时谐波随平波电抗器变化情况

第7章SRD谐波实测分析

7.1 SRD实验台组成

7.2 12/8极SRD电源电流谐波实测分析

7.2.1 SRD参数

7.2.2额定功率，额定转速下电流波形及其谐波成分

7.2.3功率恒定时，谐波成分随转速变化情况

7.2.4转速恒定时，谐波成分随功率变化情况

7.2.5 SRD平波电抗器的滤波效果

结论

附录：SRM模型参数

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

参考文献