（电力电子与电力传动专业论文）小功率开关磁阻发电系统的理论研究与实践.pdf

小功率开关磁阻发电系统的理论研究与实践 c o m p a r e dt o o t h e rm a c h i n et y p e s ，s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) o f f e r sa l l e x c e l l e n tb a l a n c eb e t w e e nc o s t ，r e l i a b i l i t y , p o w e rd e n s i t ya n dh i 曲s p e e dc a p a b i l i t y h o w e v e rt h ec o m p e t e n c eo fs r mu s e da san o v e ld cg e n e r a t i o ns y s t e mc a nn o tb e n e g l e c t e d n l i sd i s s e r t a t i o ni s d e v o t e dt ot h e o r e t i c a l s t u d ya n de n g i n e e r i n gp r a c t i c eo n s w i t c h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o rs y s t e m f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r yo f s w i t c hr e l u c t a n c eg e n e r a t o rf s r g ) i sd i s c u s s e di nd e t a i l e d ， b a s e do nt h em e c h a n i s me l e c t r i c e n e r g yc o n v e r t i n ga n a l y s i s ，n o n - l i n e a ra n a l y s i s a n d n o n 1 i n e a rs i m u l a t i o n t h r e ec o n t r o lm e t h o d so fs r g ( a n g l ep o s i t i o nc o n t r o lm e t h o d c u r r e n t c h o p p i n gc o n t r o lm e t h o d ，p u l s ew i d t hm o d u l m i o nc o n t r o lm e t h o d ) a r ed e e p l y s t u d i e da n da n a l y z e d t h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e r , w h i c hc o n t r o l l e db vd s p o rb yh a r d w a r ec i r c u i ta r e d e v e l o p e d f o rl o w - p o w e rs w i s h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t i o ns y s t e m f i n a l l y t w on o v e l c o n t r o ls c h e m e s ，e x c i t i n gv o a a g ec o n t r o la n d 僦lc o n d u c t e dc u r r e n t c h o p p i n gc o n t r o l ，a r ed i s c u s s e d i nd e t a i l e da n d p r o v e db y t e s t so fs r g p r o t o t y p es y s t e m k e yw o r d s ：g e n e r a t o r , s w i t c h e dr e l u c t a n c e ，n o n l i n e a ra n a l y s i s ，c o n t r o lm e t h o d i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 磁阻电机是结构最简单的电机之一，过去由于其同步控制困难，一直限制了它的 应用和发展。随着现代电力电子技术、控制技术以及数字计算机技术的迅速发展，形 成了磁阻电机应用的新台阶一一开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r 简称 s r m ) 。目前，开关磁阻电动机以其调速性能好、结构简单、效率高、成本低等特点， 已在迅猛发展的调速电动机领域内争得一席之地，并在牵引运输、通用工业、航空工 业、家用电器等领域得到了较广泛的应用“”。1 。 s r m 是一种典型的机电一体化电机，其控制非常灵活，很容易实现四象限运行， s r 电机作发电机运行也非常有特色，目前以美国g e 公司为代表的航空电气界，从 上世纪8 0 年代后期对开关磁阻电机作为航空起动发电机开始可行性探索“”“， 单机功率最大达到2 5 0 k w ，输出电压为2 7 0 v ，其电压品质满足m i l s t d 一7 0 4 e 标准；由l o c k h e e dm a r t i n 公司研制的美国空军下一代联合攻击战斗机( j s f ) ，机 上也采用了8 0 k w ( 2 7 0 v d c ) 的开关磁阻起动发电机。这一切均表明开关磁阻电机作 为一种新颖的发电机是很有潜力的。但是，s r 电机自7 0 年代问世以来，多集中于研 究开发调速电动机，极少涉及发电方面的研究。为了完善开关磁阻电机的理论，本文 重点分析了开关磁阻电机的发电原理并且对发电运行控制策略进行了专题研究，试制 了一套小功率开关磁阻发电原理样机系统，为以后进行预研以及型号研制做前期的准 备。 1 2 开关磁阻电机发电机的运行机理 双凸极磁阻电机的定、转子均为凸极齿槽结构，定子设有集中绕组，转子无绕组。 开关磁阻发电机的相数组成因为没有起动的问题所以比较自由，可以是单相、三相、 四相或其他多相。以目前广泛应用的三相6 4 结构电机为例，其截面如图1 1 所示。 图1 - l 三相6 4 结构磁阻电机截面图图1 - 2 典型三相s r m 主电路圈 小功率开关磁阻发电系统的理论研究与实践 其定子有6 个齿极，转子有4 个齿极，每个定子齿极上设有一个绕组，位于径向相对 的两个线圈串联构成相绕组，可组成a 、b 、c 三相绕组。为方便起见，图1 - 1 只 画出其中一相。 三相绕组与开关电路构成的电流分配器相接如图1 2 ，构成开关磁阻电机的主电 路。这是直流电源系统，负载电阻r 上及滤波电容c ，此外也可以并联蓄电池作为储 能元件。 磁阻电机的转子由原动机拖动旋转，通过转子上的位置传感器实现位置闭环，控 制三相轮流工作，如主开关导通时，相绕组就形成电流；之后适当的关断主开关，由 于绕组中电流不会立即消失，电感储能将继续循续流二极管流通，以续流电流的形式 向电负载或者蓄电池回馈电能。进而言之，磁阻电机的凸极效应使相绕组成为有源线 圈传递能量，实现发电状态工作。 s r 电机电磁转矩的形成及其理论是认识其工作原理的基础。如当a 相供电时， 设相电流为i 。，则建立磁场的能量“1 w m = f “耐 ( 1 1 ) 式中，相磁链妒是相电流和转子位置的函数。如图1 - 3 简示了该磁特性，p 点( 矿，i 。) 为该磁工作点。由电磁场基本理论可知，在这个磁系统中，当转子有虚位移，图中虚 线为下个位置的磁特性，则磁能与机械能之间发生转换，其电磁转矩 匀i 矿 乙一等k ( 1 - 2 ) 该式以磁链y 不变为约束条件，表示了增减的磁能和机械能的变化相平衡，式中 的负号是表示产生的电磁转矩的方向将有趋于磁能的减少。 图1 - 3 电磁转矩计算关系 图1 - 4 绕组相电感曲线 用磁共能来表达 l = 鲁l m ，) 在线性化处理的磁系统中“1 ，电机的电磁转矩为： 2 南京航空航天大学硕士学位论文 l ：三f2 嬖 ( 1 - 4 ) i m2 i 7 2 丽 式中：i 为相电流，是相电感，臼是转子位置角。 由图1 1 可以看出，当转子位置变化时，各相磁路的磁阻及相绕组的电感也随之 改变，若忽略磁路饱和的影响，把相绕组轴线( 定子齿轴线) 与转子槽轴线重合位置 定义为口= 0 。，该位置相电感为最小值l m m ；再定义定子相绕组轴线和转子齿轴线重 合位置为幺= 4 5 。，其时电感具有最大值。如图1 - 4 所示，相电感l ( o ) 将以转子 齿距角0 ，为周期而变化。 0 ，= 3 6 0 。，z ，( z ，为转子齿极数) ( 1 - 5 ) 根据式( 1 - 4 ) ，开关磁阻电机电磁转矩的方向是由相电流所对应的相电感的变化率 笏决定的：若相电流处于荔 0 区间时则产生正转矩，电机工作在电动状态；若相 电流处于：去 o 的区间时则产生负转矩，s r 电机工作在制动或发电状态。即只要根 据转子位置来控制主开关通断角度，以改变相电流的大小和波形，使相电流主要集中 在兰 o 的区间，就可以使s r 电机在运行时以产生负电磁转矩为主，将机械能转换 为电能向外输出。 嗔州一 r o t o r p o s i t i o n ! 岫”i 鼬s i g 沁n a “ll ji 卜叫 5i5lii 啊 c o 型n t r o l l e r 寸必p p ii ， 霸曝丽黑啊脯_ _ _ _ 1 、原动机( m ) ，它可以是电动机，发动机或其他能够提供动能的装置 3 小功率开关磁阻发电系统的理论研究与实践 2 、开关磁阻发电机( s r g ) ，包括电流分配器( c u r r e n td i s t r i b u t o r ) ； 3 、控制器( f 2 4 0 d s p b a s e dc o n t r o l l e r ) ，包括驱动电路、过压过流保护电路、电 压电流检测电路、电机转子位置检测电路、d s p 最小系统电路等，详细部分 将在第三章介绍； 4 、蓄电池( b a t t e r y ) ，它是系统的储能装置； 5 、逆变器和负载( i n v e r t e ra n dl o a d ) ，如果负载是直流负载，则不需要逆变器： 6 、辅助电源( a u x i l i a r yp o w e rs u p p l y ) ，这里用的是开关电源，用来给控制器提 供1 5 v 、+ 5 v 等多路电源。 1 4 开关磁阻发电系统的特点及发展前景 直流电源系统应用广泛，在飞机、汽车上常常使用直流电源系统为其用电设备提 供电能，在这些直流电源系统中常采用有刷直流电机、无刷直流永磁电机和爪极电机。 一般直流电机作为航空发电机在飞机上应用，其电气性能为大家所接受，但由于 结构复杂、寿命短、高空大功率换向性能差，维护要求高等固有缺陷，限制了它的进 一步发展。 无刷直流永磁电机，能量密度大，效率高，而且可以输出高质量的直流电压，但 其内部永磁体是其固有弱点，恶劣环境工作能力不高，存在高温去磁、抗振动能力差 以及短路保护困难等问题。 目前汽车发电系统中多采用爪极电机。爪极电机是同步交流电机的衍生，分为有 刷和无刷两种，其转子为爪极结构。无刷爪极电机内部没有永磁体，可以避免无刷直 流永磁电机的上述缺点。但是爪极电机转子爪极结构加工工艺复杂，机械强度较弱， 其高速、大功率性能比较低。 磁阻电机的转子是简单的迭片结构，其坚固且经济，由于转子没有绕组和磁钢， 因此可在较高转速下运行，其定子集中绕组可以成型绕制好再嵌入定子槽，这使得定 子装配工艺简单，制造成本低，冷却方便。由于s r 电机转子没有绕组和永磁体，转 子结构对温度很不敏感，电机的最高运行温度取决于绝缘系统，因此其高温环境的运 行能力优良，功率密度可达到传统最佳电机的8 5 9 0 。1 。s r 电机的显著弱点一 一轴位置传感器，目前已被非直接位置传感器所代替“”“。s r 电机的以下特点使它 成为具有高容错能力的电机。1 。 电机的定子相绕组在物理和电磁上都是彼此隔离的，这大大降低了相间故障的 可能性并使得故障相与系统其它部分隔离，而且发生缺相故障时系统仍能维持工作。 因转子无励磁源，故不会在故障相产生电能，因而在电动状态故障相不会产生 阻转矩且不会因较大的故障电流而产生危险。 开关磁阻电机电流分配器之功率器件与相绕组串联，该结构不会发生象交流变 频器中出现的桥臂直通短路故障。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 单相开关磁阻发电机输出脉动电流，有利于消除蓄电池的电化学极化，实现优 化充电。 飞机、汽车电源系统从发电型发展为起动发电型是技术上的进步，它不仅降低 了系统重量，而且提高了可靠性和系统效率，直流电源系统为构成起动发电系统提 供了可能性。而开关磁阻发电系统的优良特性更决定了它作为一种新型的起动发电 系统也具有很强的竞争力：开关磁阻发电系统可以在同一套电流分配器的基础上灵活 地进行起动到发电状态的切换，并可以产生高质量的高压直流电能；磁阻电机起动时， 可以产生较大转矩。 由此可见，开关磁阻发电机所具有结构简单坚固、低成本、高容错运行能力、较 高的能量密度和高温高速运行能力等优良特性。这些特性决定了开关磁阻发电系统作 为一种新型的直流发电系统是很有应用潜力的。 1 5 本文研究的主要内容 本文以开关磁阻电机在低压小功率系统中应用的基本原理和实现方法为主要研 究内容，从理论和实践上为开发小功率开关磁阻发电系统进行可行性探索，在前人研 究的基础上，深入研究了开关磁阻电机发电运行机理、发电运行控制方案。其中完成 了对开关磁阻发电系统发电原理的研究；利用a n s y s 对原理样机进行了电机内部磁 场的有限元分析：对强化励磁的控制方案和无位置传感器的全导通控制方案进行了理 论研究和样机实验；完成了基于d s p 的控制程序的编写、硬件控制系统、样机实验 平台，并且进行了大量的样机实验。 主要的研究工作如下。 ( 1 ) 本文第二章从开关磁阻电机的相电流入手，以机电能量转换的角度对开关 磁阻电机的发电特性作了较深入全面的分析研究：讨论了开关磁阻发电系统的控制方 法、以及磁阻电机的相数结构、系统负载特性对发电系统的影响。 ( 2 ) 在第三章针对三相6 4 原理样机，进行了发电系统的硬件设计以及d s p 控 制程序的设计。 ( 4 ) 在第四章进行了发电系统原理样机的实验，并且对实验结果进行了研究和 分析。 ( 5 ) 在第五章中提出了强化励磁的控制方案，针对这一方案进行了理论分析， 并且针对强化励磁两种形式：他励和自励，分别进行了仿真分析和样机实验，同时也 验证了一种用于强励方案的主电路新拓扑。从分析以及实验可以看出，强化励磁方案 在一定转速范围内能够提高开关磁阻发电机的输出功率，同时也扩展了s r 电机的工 作转速范围。 ( 6 ) 在第六章针对无位置传感器的全导通斩波控制方案进行了理论分析，并且 e 小功率开关磁阻发电系统的理论研究与实践 通过仿真分析和样机实验进行了验证。从分析和实验可以看出，全导通斩波控制方案 去除了位置传感器，使得s r 电机结构简单工作可靠的优点更加突出，同时也减小了 控制芯片的计算量，简化了控制。全导通斩波控制比较适合在高转速下运行，在较低 转速时，必须结合传统带位置闭环的控制方案进行。 ( 7 ) 在本文的最后，对课题已经开展的以及需要完善的内容进行了总结。 参考文献 1 刘迪吉等开关磁阻调速电动机北京机械工业出版社1 9 9 4 【2 】王宏华编著开关型磁阻电机调速控制技术北京机械工业出版社1 9 9 5 3 】詹琼华开关磁阻电动机武汉华中理工大学出版社1 9 9 2 4 1 s r m a c m i n na n dw d j o n e s ”a v e r yh i g h s p e e d s w i m h e dr e l u c t a n c e s t a r t e r g e n e r a t o rf o ra i r c r a f te n g i n ea p p l i c a t i o n ”i np r o c n a e c o n 8 9 m a y1 9 8 9 5 1 s r m a c m i n na n dj w s e m b e r ，”c o n t r 0 1o fas w i t c h e dr e l u c t a n c ea i r c r a f te n g i n e s t a r t e r - g e n e r a t o r o v e r av e r y w i d es p e e d r a n g e ，”i n p r o ci e c e c 8 9 ，v 0 1 1 ，p p 6 3 1 6 3 8 f 6 1a v r a d u m ”h i g l lp o w e rd e s i t ys w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v ef o ra e r o p l a c e a p p l i c a t i o n s ，”p r o c e e d i n g s ：i e e ei a s a n n u a lm e e t i n g p p 5 6 8 5 7 3 s a n d i e g o 。c a ，1 9 8 9 f 7 1e r i c h t e r , c f e r r e i m , p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f a2 5 0 k ws w i t c h e dr e l u c t a n c es t a r t e r g e n e r a t o r ”c o n f r e c o r do f t h e1 9 9 5i e e e3 0 i a sa n n u a lm e e t i n g 【8 】刘闯，“开关磁阻电机起动发电系统理论研究与工程实践”，南京航空航天大学博 士论文，2 0 0 0 年，1 月 f 9 1 e r i c h t e re ta 1 ，”t h ei n t e g r a ls t a r t e r g e n e r a t e rd e v e l o p m e n tp r o g r a s s ，”i np r o cs a e a e r o s p a c ea t l a n t i c9 2 d a y t o n1 9 9 2 1 0 1 s t e p h e n r ，j a n db a r r y t d ，”s e n s o r l e s ss w i t c h e dr e l u c t a n c es t a r t e r g e n e r a t o r p e r f o r m a n c e ”i e e ei am a g z i n e19 9 7p p 3 3 3 8 l1 1c a f e r r e i r a ，s r j o n e sa n de ta 1 “d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no faf i v eh o r s e p o w e r s w i t c h e dr e l u c t a n c ef u e l 1 u b ep u m pm o t o rd r i v ef o rag a st u r b i n ee n g i n e ”i np r o c i e e ea p e c 9 2b o s t o n1 9 9 4 p p 3 3 3 6 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章开关磁阻发电机发电运行理论分析 2 1 开关磁阻发电机基本工作原理 开关磁阻电机的结构及其主电路如图2 1 所示。为简化起见，图中只画出三相磁 阻电机其中的一相及其电流分配器电路，电流分配器这里用来满足磁阻电机励磁和续 流的需要。我们定义转子位置角p 在定子齿极轴线( 相绕组轴线) 与转子槽轴线相重 合时为零；定义定子齿极轴线和转子齿极轴线相重合的位置为8 。；一个周期为转子 的齿距角护。 口，= 3 6 0 。z ，( z ，为转子齿极数)( 2 1 ) 图2 - 1 开关磁阻电机结构原理图 随着转予位置角的不同，电机相绕组磁路的磁阻随之变化：在p 为零的位置磁阻 最大，在以的位置磁阻最小。电机相绕组的磁链y 不仅是相电流f 的函数，同时它 还是转子位置角目的函数。通过有限元分析软件对电机内部磁场进行仿真计算可以得 ，：凸、 到电机相绕组的磁链特性，如图2 2 所示。相绕组的静态电感定义为( f ，口) = ! 导生， l 则磁链的特性曲线可以转化成相绕组电感特性曲线，如图2 3 所示。 l 弋盟l i , z a 惑k 口0， i ，( p ) 一( 口) - 、瓣。 ，f 乃 图2 - 2 相绕组磁链特性曲线 图2 3 相绕组电感特性和典型电流曲线 7 小功率开关磁阻发电系统的理论研究与实践 一般地，当转子位置角满足只c 目c b 时，对应相的主开关导通，电机相绕组在母 线电压沈的作用下相电流。上升，吸收电能，称之为励磁阶段；当如岛以后，主开 关s l 、s 2 关断，相电流经过续流二极管d 1 、d 2 向母线回馈能量，直到f 降为零，这 个过程是发电( 或称续流) 阶段。目。称为开通角，臼：称为关断角。 根据电机统一理论，开关磁阻电机的电动运行和发电运行是对称的川。假设当a 相供电时，设相电流为f ，则磁共能为 矿。q = h 砌 ( 2 - 2 ) 式中相磁链y 是相电流和转子位置的函数。图2 - 4 简示了该磁特性，p 点( 矿。，f 。) 为该磁工作点。 d 幽2 - 4 磁链电流曲线 由电磁场基本原理可知，当磁系统中的转子产生虚位移，图中p 点下方曲线即为 下一个位置0 。的磁特性，开关磁阻电机产生的电磁转矩可以根据磁共能。来计 算，即 乙= 1 a w 厂 m a gk ( 2 3 ) 式中0 为转子位置角，f 为绕组电流 从图2 - 4 可以看出在转予位置变化的过程中，磁共能形。减少，减少的磁共能 为图中阴影部分面积a 由图2 - 2 相绕组磁特性曲线可以知道：当以、0 。均大于p 。时， 巳 钆，即处于丝8 0 o 、工徊) 的值比起三( 鼠) 有所 增加，所以鱼盟 0 ， u 口 那么电流在i ，的基础上继续增大，随着转子位置进一步增加，进入电感曲线的平缓区。 jr 当一( 三+ ，) i ( o ) = u 。+ 2 a u 。时，相电流达到周期内的最大值，在此之后电流开始 u 口 迅速下降。在此区段内足够强的续流电流源源不断的将机械能转换为电能输出。因此， l j r l 励磁电流f 。以及电机设计时参数i 兰l 取得较大值，将有助于开关磁阻发电机利用运动 i o t j l 电势将励磁能量转化发电电流向外输出。 2 3 机电能量转换过程 开关磁阻电机本质上是个单边激励机电装置，我们从能量守恒定律和电磁感应定 律这两个基本定律出发可以分析开关磁阻电机发电运行时机电能量转换的规律。由于 开关磁阻发电机运行时各相对称，为简明起见，以下分析仅以一相为例进行。 首先根据能量守恒定律，写出其发电运行时的能量方程式： 输入的机械能= 磁场储能的增量+ 能量损耗+ 输出的电能+ 转子动能 ( 2 1 1 ) 这里的能量损耗主要有三类： 1 、发电系统( 包括电机绕组) 内部的电阻损耗； 2 、机械系统的摩擦损耗和通风损耗，这些统称机械损耗； 3 、磁场或电场在介质中产生的损耗，如磁滞损耗、涡流损耗等，这 些统称为介质损耗。 将这些能量损耗分别归并到相应的项中，改写( 2 1 1 ) 得到： ( 输入机械能机械损耗) = ( 磁能的增量+ 介质损耗) + ( 输出的电能+ 电阻损耗) + 转子动能 ( 2 1 2 ) 将( 2 1 2 ) 改写成微分形式( 其对应于出时间内转子转过d o 角) ，得： d 降，卅醵h = d 降乙帮+ d 彬船4 - d 阡么 ( 2 - 1 3 ) 其中，d 阡，爪。：输入的有效机械能的增量； d 既。：磁场总能量的增量； d 睨。： 输出的总电能的增量： 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 d 阡么： 转子动能( k i n e t i ce n e r g y ) 的增量。 当电机稳态运行时，d 降么为0 ，( 2 1 2 ) 可以简化为： d 。d = d 阡_ 。+ d r y k 。 ( 2 一1 4 ) 在时间饥内，设流过电机绕组电流为i ，绕组上产生电势为口，则电机输出的电 能为e i d t ，绕组线圈上的电阻损耗电能为i 2 r d t ，为简化分析，略去电阻上的损耗。 d 彬k 。= e i d t ( 2 1 5 ) 根据电磁感应定律，绕组产生的感生电势： 8 。一掣( 2 1 6 ) 班 则在时间d t 内，从电源输入到耦合场的净电能d 睨k 为： d 睨k 。= 一i d g t ( 2 1 7 ) 在相绕组的一个工作周期中，少( f ) 将如图2 - 8 所示变化。同时，结合图2 3 中典 型相电流波形( 工作点由只至只) ，可得磁链轨迹在矿一i 坐标中将按图2 8 所示变化。 只 o 图2 8 单周期相电流在磁链上的轨迹曲线 工作状态从日到e ：主开关导通，形成的电流发生在茜 o 区域。由前面分析 可知电磁转矩乙 0 磁场储能继续增加，即：( 电能+ 机械能) 一并转换为磁能。如图2 - 1 0 所示： o 只， o a ) 吸收电能b ) 磁场储能增量c ) 吸收机械能 图2 1 0p 2 到p o 的机电能量转换过程 工作点由p ，到p 4 再到达p 5 点时，主开关关断，续流二极管d 导通，电机输出电 能虻。= r f 却 o ；输入机械能矿- ，= f r 一。加 o ，磁场储能增量，= 一h _ k ：t o ， 即：( 机械能+ 磁能) 全部转换为电能输出，如图2 - 1 1 所示： a ) 输出电能b ) 输出磁能c ) 吸收机械能 图2 1 1p 摇o p 4 直至h 的机电能量转换过程 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 1 2 单周期电能输出 ( 机械能输入) 将上述三个过程中输出的电能的阴影面积相加，同时 认为吸收电能为负的面积，可以得到如图2 1 2 的开关磁 阻发电机单周期总输出电能。 同理也可以得到一个周期内吸收的机械能，其大小与 电能输出的大小相等。整个过程中磁能仅仅是电能与机械 能转换的媒介，在一个相电流周期中，磁场储能之和为零， 而磁链路径包围的面积代表了一个相电流周期的有效电 能输出，即等于有效的机械能输入。 从以上分析，我们可以看出要提高开关磁阻发电机出力也就是要扩大上图中磁链 所包围的面积。主要方法有： 1 优化电机设计：加大相电感的最大值，减少相电感的最小值，以增大y i 。 与y i o = o 两条曲线间距。 2 从控制方面而言，可以通过强化励磁、调整开关角，提高斩波电流限的方法 将p 3 点向右移动，以扩大图中阴影部分面积。 2 4 开关磁阻电机发电运行的控制方法 开关磁阻发电机许多参量的变化将影响发电机的出力大小。这些可控量既可以单 独使用，也可以和其它可控量结合在一起对系统进行优化控制。这些可控量归根结底 是对发电机的励磁主控量i 。进行控制。 2 4 1 角度位置控制( a n g l e p o s i t i o nc o n t r o l ，简称a p c ) 图2 - 1 3 a 固定b ，调节幺的相电流波形图2 - 1 3 b 固定岛，调节q 的相电流波 从开关磁阻发电机的运行原理以及对相电流的分析，我们可以看出；开通角b 和 关断角目：都影响着相电流的大小，进而影响着发电机的功率输出。但是由于系统的 非线性，所以无法直接列写出b 和吼与输出功率大小的关系。通常采用的是经过经 1 5 婆黼燃答 小功率开关磁阻发电系统的理论研究与实践 验判断或者仿真实验确定某一个角度大小或其变化范围。图2 - 1 3 a 、2 - 1 3 b 给出了两种 角度控制的方案： 图2 - 1 3 a 所示的方案是固定开通角0 ，在一定范围内调整关断角口：。随着p ：的增 大可以看出，在关断时刻励磁电流增加，关断以后的续流电流也相应增加，从而使得 发电机总的输出功率提高。 由于励磁电流在电感下降区有显著的上升，所以相电流波形对眭的变化较敏感， 因此实际采用a p c 方法时，一般先根据优化的值固定幺，然后通过闭环调节只如图 2 - 1 3 b 。若开关磁阻发电机工作转速范围较宽，则可以通过分区段固定0 ：的值，使得 不同的转速区段对应的幺有所不同，然后再通过闭环细调鼠。 2 4 2 电流斩波控制( c u r r e n tc h o p p i n gc o n t r o l ，简称c c c ) c c c 方法是目前国内外对s r 电机电动控制所采用的最常见的种控制方法，同 样也适用于开关磁阻发电机的运行。这种方案的可控性很好，控制简单直接，与后面 所阐述的p w m 控制方案相仿。其控制方法是让相电流f 与给定的电流斩波限f 。进 行比较，当转子位鼍口 0 。后，开始时f m 。 f m ，主开关开通，这样一来，相电流( 励 磁电流) 上升并逐渐到达电流斩波限，当f 。，f 。出现时，让主开关关断一段时间 后再开通，如图2 一1 4 。 f 图2 - 1 4 固定鼠，调节电流斩波限的相电流波形 斩波控制实际上是一种调节励磁的控制方案。如图2 1 4 所示，显然固定了0 。然后 调节斩波限脚就相当于在调整岛，随着斩波限忡的增加，励磁区间加宽，励磁电 流增大，续流电流也相应增加，最后可以使电机的有效输出功率增加。这样的调节过 程相当于调整i 。的大小。若开关磁阻发电机工作转速范围较宽，同样可以通过分区段 设定优化的鼠值。 南京航空航天大学硕士学位论文 实验证明”1 在一定范围内发电机的功率输出与斩波限的大小成线性关系，系统的 可控性很好。 2 4 3 p w m 控制 p w m 控制与上述两种控制方法不同，它并不是实时的调整主开关的开通角e 和 关断角口：，它的控制思路是在主开关的开通信号中加上调制的p w m 信号，这样一来， 通过调节p w m 的占空比d 就可以调整励磁电流的大小，d 越大，励磁电流也越大， 发电机的有效输出功率也越大。 d 竺! ：! 竺：! 咖删 图2 - 1 5p w m 控制的相电流波形 图2 1 5 为p w m 控制的相电流波形。在p w m 控制方案下，p w m 的占空比d 与 激磁电流( 指相电流的一个周期中励磁电流达到的最大值) 之间存在良好的线性关系 m ，不仅可控性较好，而且对闭环系统p i 调节器的设计也带来一定的方便，但这种 控制方法使得主开关的开关损耗会有所增加。 2 4 4 励磁电压控制( e x c i t i n gv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 励磁电压控制是本文的一个创新点，传统的控制方案从本质上说，都属于间接的 调整开关磁阻发电机的励磁，即通过开关角的变化、斩波限的调整以及占空比的调节 控制发电机励磁强度的大小。从2 2 节相电流的分析可知道，标志励磁强度的是电流 ( 见图2 7 ) 。大则电机的磁场强，转换的能量大，无疑要增加发电功率输出，加 大i 。是重要的途径。事实上开关磁阻发电机类似可控电流源，控制f ，的大小可以控制 由此开始输出的电流( 能) 大小。加强的方法有：角度控制( 如在一定范围内加大 1 7 小功率开关磁阻发电系统的理论研究与实践 口，) ；斩波控制( 提高斩波限) 。但唯有增加励磁电压具有单调控制的意义。开关磁阻 发电机在高速运行时，由于励磁时间缩短，所以励磁强度较小，从而影响电机的功率 输出。角度控制和斩波控制固然能在一定范围内提高励磁电流t ，但是不能从根本上 解决问题，强励方案的提出可以解决开关磁阻发电机在低压、宽转速范围系统中所面 临的高转速低功率的问题，同时也应该看到低压系统有利于电压的提高从而实施强励 方案。关于该控制方案的分析及实验结果将在第五章进行专题介绍。 2 4 5 全导通斩波控制( f u l lc o n d u c t e dc u r r e n tc h o p p i n gc o n t r 0 1 ) 从s r 电机发电运行机理来说，只要通过适当的控制使得绕组相电流有效地工作 在电感下降区即可发出电能，前面控制方法都是由位置信号解算出发电运行的只、只 信号，对系统进行优化控制，使得绕组相电流有效工作在相电感下降区。 全导通斩波控制方案是一种去除位置传感器的开关磁阻发电机控制方案，其控制 方法是由调节器根据给定量( 如电压) 与发电系统的输出量( 如电压) 求出所需励磁 电流的限值，如斩波控制方案，而与斩波控制不同的是这种方案自始至终无须和开通 关断的角度信号相迭加，换而言之始终保持开通的信号，完全靠电流的斩波来控制发 电机的功率输出。当相电流达到或超出限值时，通过控制电路关断相应相绕组丌关， 其余时间始终保持相绕组主开关导通，如图2 1 6 。这时开关磁阻发电机不需要检测转 子位置，从而去掉了转子位置传感器，简化了系统结构和控制方案，提高了可靠性和 容错性，降低了成本，特别适合在高转速下应用。关于该控制方案分析及实验将在第 六章进行专题介绍。 n n 几厂r 8 s w i t c hs i _ t t l d 图2 - 1 6 全导通斩波控制的相电流波形 2 5 开关磁阻发电机的相数 开关磁阻电机可设计成多种不同的结构。目前在调速电机中常用的有四相、三相 等，小功率的调速电机也有采厨两相结构。在作为发电机运行时由于不必要考虑起动 1 8 南京航空航天大学硕士学位论文 问题，所以相数选择范围较大，如单相、三相、五相等结构。在同样相数中，又有不 同的定、转子齿槽数方案。不同的结构方案有不同特性，以适用于不同要求的场合应 用。相数多，步距角小，转矩脉动小，但是结构复杂，且主开关元器件数多。相数少 的结构适用于对转矩脉动要求不是很高的场合，或者应用于以控制电路简单、减少成 本为首要目标的工作环境，如汽车发电机、风力发电机等。同时不同相数结构对电机 的出力都有一定影响，因此对开关磁阻电机的相数结构进行研究是具有价值的。 2 5 1 单相结构的开关磁阻发电机 以6 6 单相开关磁阻发电机为例，其定转子结构，及绕组二次接线如图2 - 1 7 、图 2 - 1 8 所示。 图2 - 1 7 单相6 6 磁阻电机结构示意图图2 - 1 8 单相电机绕组二次接线 考虑到结构上的对称以及磁路上的对称，我们将定子径向相对齿极上的线圈顺串 构成一个绕组，形成n 、s 磁场。假设绕组中通入电流如图2 - 1 7 所示，则在电机定子 齿极上形成n 、s 磁场如图2 1 7 。如果三个绕组匝数相同并且电机结构完全对称，那 么在各个时刻每个绕组中的电流大小是一致的，因此可以将三个绕组并联构成一个单 相绕组。在发电机中采用这种结构有明显的优点： 1 控制简单。由于电机的对称结构，所有绕组均同相，因此只需要对一路位置信号 解算进行闭环控制。 2 主器件少。单相电机的主电路简单，主功率器件最少。 3 电机利用率高。从结构上看，定子转子的齿极数越多，转子在完成一周运动期间， 工作周期也越多。但是增加定子转子齿极数，会造成相电感最大值和最小值之差 减少，从前面的分析可知，塑的大小直接影响着发电机的功率输出；而且齿极数 a 口 越多，加工工艺越复杂，各个并联绕组的特性会因为加工上的误差，而造成较大 的偏差。所以电机极对数应该通过对电机进行有限元场计算，并且结合实际情况 选取。 4 有利于对蓄电池充电。单相电机母线上的电流是脉动的，由于蓄电池往往采用的 1 9 小功率开关磁阻发电系统的理论研究与实践 是铅酸电池，在蓄电池充电过程中适当加入放电脉冲，可以有效的消除电化学极 化，提高蓄电池的充电效果。 2 5 2 三相结构的开关磁阻发电机 以6 4 三相开关磁阻发电机为例，其定转子结构，及绕组二次接线如图2 1 9 、图 2 2 0 所示。 图2 1 9 三相6 4 结构磁阻电机示意图 图2 2 0 三相绕组二次接线 将定子径向相对齿极上的线圈顺串构成一相绕组，形成n 、s 磁场。每相之间互 差l 3 工作周期。相电流在每一时刻大小均不等，不能采用并联的形式，应予以分别 控制。 开关磁阻电机的三相结构发展较早，是一种比较成熟的结构。三相结构也有其不 容忽视的优越性： 1 电路容错性能好。对每相绕组分别控制，有三套分别独立的开关元件。如果 有一相主开关器件损坏，不会影响其余两相的正常工作。 2 电机振动，噪声较小。相数多，则步距角小，转矩的脉动小。对于小功率发 电系统，电机的转矩脉动会带来较大的功率损耗，有相当一部分能量不能转 换为电能向外输出，而是作为噪声振动损耗掉。 2 5 3 三相结构与单相结构的对比 2 5 3 1 电机内部磁场的对比 为方便两种结构电机进行比较，对6 6 单相、6 4 三相两台样机采用相同的定子外 径、定子内径、气隙长度、转子内径、转子齿高、定子极数、定子齿高、线圈匝数以 及定子极弧系数进行设计，而转子则采用不同的极弧系数进行设计。 在定子极弧系数、线圈匝数等参数一定的条件下，转子结构的不同直接影响电机 工作时磁场的大小。利用有限元分析软件a n s y s 分别对两种电机通以不同电流时的 磁场进行仿真，可以得到如图2 - 2 1 所示的电感曲线。这里仍然定义转子位置角占在 j 塑量燮垂查兰堡主兰垡堡茎 定子齿极轴线( 相绕组轴线) 与转子槽轴线相重合时为零。 i 6 馋0 3 蕾1 m 。0 3 蕾10 旺- 0 3 8 o o e - 0 4 to 饨_ 0 4 2 0 吨- 0 4 0 0 魄+ 0 0 圈2 2 1 三相、单相开关磁阻发电机单个线圈电感一角度曲线 躞颦绕组通过2 0 a 电流为例，从图中可以看出三相样机的电感角度曲线变化率 夸量兰謦粤机：三相电机最大电感与最小电感之比约为i o ；单相电机最大电感与最 姜想电机、三相电机的最大电感相差不大，从理论上说应该相等，但是因为做有 曼量分篓时，网格的划分不是唯一，而且考虑到由于转予的不同漏磁路径五聂篇磊茹 竺喜! 翟望，所以单相与三相电机相电感最大值之间会有差异，造成单相电玩写三葙 竺竺望竺譬雾化率不同的主要因素是其最小电感值的差异。在电流一定的情况下，篇 皇擘与譬数的平方、定子齿极截面积成正比；与定子转予之间气隙长度成反比。在篇 苎垄! 竺，用有限元软件绘制场图，如图2 - 2 2 所示。可以看出此时三相电机定菇孚 主宁的导隙鼍度大于单相电机的气隙长度，因此三相电机的最小电感区段所占的琵葫 擎大：这二点从图2 _ 2 1 也可以看出三相电机电感平缓区较长，其电感角度变化率较 套。车翌尊电流的分析中可知，电感变化率越大，续流电流增长率就越大，发电机的 竺妻竺警大。单相开关磁阻发电机在相同体积和电流密度条件下输出功率，要略低于 2 小功率开关磁阻发电系统的理论研究与实践 ( a ) 6 1 6 单相电机气隙( b ) 6 4 三相电机气隙 图2 2 20 度时刻单相、三相电机定转子气隙长度 2 5 3 2 基本频率及其影响 用z 表示转子齿数。定子每相通断一个工作周期，也就是功率变换器经历一个基 本开关周期。由于开关磁阻发电机装有位置检测器，实现位置闭环控制。因此功率变 换器输出基本频率，始终和转子转速”保持同步关系，即 n = 6 0 f 互( 2 - 1 8 ) 从( 2 一1 8 ) 式可知，三相6 4 结构开关磁阻发电机的基本频率是 五，4_三(2-19) s ，。西 ) 而单相6 6 结构开关磁阻发电机的基本频率是 f 6 6 = 焉( 2 - 2 0 ) 因此，在同一转速下，单相6 6 开关磁阻发电机的基本频率是三相6 4 结构发电 机的1 5 倍。所以单相6 1 6 结构发电机的磁场变化频率高于三相6 4 结构开关磁阻发 电机，则其铁损耗比较大，同时由于其变换器开关频率高，因而开关损耗也比较大。 2 5 3 3 环流及振动的影响 单相发电机是将相对齿极的两个线圈串联成一组，然后再将三组并联。理论上因 为各个线圈特性相同，并联起来的总功率应该是每个线圈的6 倍，但是由于电机加工 工艺无法做到绝对对称，包括定、转子尺寸和各个线圈之间的差异，所以不可的避免 造成每组线圈磁场特性、电感电阻以及接触电阻等参数的不能完全一致，这会