（电机与电器专业论文）磁通开关发电机系统研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t f l u xs w i t c h i n gm a c h i n ei san e wt y p e ，d o u b l es a l i e n tb r u s h l e s sm a c h i n e ，w h i c h h a sn op e r m a n e n tm a g n e to ns t a t o ro rr o t o rb u tw i t hb o t he x c i t i n gw i n d i n ga n d a r m a t u r ew i n d i n gf i x e do ns t a t o r i ti n c o r p o r a t e st h ef e a t u r e so fs i m p l es t r u c t u r e ， h i g hp o w e rd e n s i t ya n dh i 曲s p e e do fac o n v e n t i o n a ls w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e ， a n di t sc o n v e n i e n tt ob ec o n t r o l l e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff s mc a nb ed e s c r i b e da s l o wc o s t ，l o wn o i s ea n dr o b u s t n e s s t h es i m p l es t r u c t u r eo ff s mm a k e si tf l e x i b l et o b ec o n t r o l l e dw h e ni to p e r a t e si ng e n e r a t i n gm o d e ，a n dt h es y s t e mc o s ti sv e r yl o w w h i c hi sam a j o ra d v a n t a g et oo t h e rr e l u c t a n c eg e n e r a t o rs y s t e m s f i r s t l t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec o n f i g u r a t i o n ，o p e r a t i o np r i n c i p l ea n dn o n l i n e a r i n d u c t a n c ec h a r a c t e r i s t i co ff s m ，t h e nd i s c u s s e st h r e er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n m e t h o d s ，o fw h i c hm a g n e t i ce n e r g yr e c o v e r ys w i t c h ( m e r s ) i sp r o p o s e dt ob e a p p l i e di ng e n e r a t i n gc o n t r 0 1 s e c o n d l y , b a s e do nm a t h e m a t i cm o d e lo ff s qa n o n - l i n e a rs i m u l a t i o nm o d e li sb u i l ti nm a t l a b ，w h i c hi su s e dt oa n a l y z es t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fg e n e r a t i n go p e r a t i o n t h i r d l y , t h ed i s t r i b u t i o no fm o t o r m a g n e t i cf i e l di sa n a l y z e d 谢t hs t a t i c f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dt h em o t o r i n d u c t a n c ei sa l s oc a l c u l a t e d at i m e - s t e p p i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e li sd e v e l o p e dt o v e r i f ym a t l a bs i m u l a t i o n f i n a l l y , b a s e do nd s p i c 3 0 f 2 0 1 0 ，ac o n t r o ls y s t e m i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sd e s i g n e d ac o n t r o l l e rc i r c u i ti sd e s i g n e da n d m a d et ov e r i f yc o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ep r o c e d u r e k e yw o r d s ：f l u xs w i t c h i n gm a c h i n e ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ， m a t l a b s i m u l m i o n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：丝= ! 匦筵e l 期：主! 艺：羔生 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丛! 匿筮导师签名：翟址日期：2 啦 l i j 东大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1磁通开关电机发展历程及研究现状 最早在1 9 9 9 年，英国l e i c e s t e r 大学的c h a r l e sp o l l o c k 教授在其著名的论文 ( t h ef l u xs w i t c h i n gm o t o r ，ad cm o t o rw i t h o u tm a g n e t so rb r u s h e s 中提出了 磁通开关电机( f l u xs w i t c h i n gm a c h i n e ，简称f s m ) 的概念【l 】。最初的模型是 用s r m 改造而成的，定子为四极，转子为两极，主要用于证明假设理论的正确 性。其结构如图1 1 所示。定子和转子均采用叠片结构，转子上没有绕组，所 以具有开关磁阻电机的简单牢固性和良好的鲁棒性。在这种新型电机中，两套 整距绕组不像传统电机那样通电，励磁绕组用直流电励磁，而电枢绕组必须通 交变电流，以提供转子转动需要的磁场。励磁绕组可以直接接入直流电源，因 此省去了这部分的器件，降低了成本，正是这种电机的竞争优势所在。但是该 样机存在明显的缺点，电枢绕组反电势的峰值与有效值比值太大，产生转矩的 效率很低。 图1 14 2 结构磁通开关电机示意图 2 0 0 3 年，c h a r l e sp o l l o c k 教授又提出了8 4 结构的磁通开关电机【2 】，并应用 有限元方法建立了电机模型3 1 ，以证明该类型电机的可行性，同时还与开关磁 山东大学硕十学位论文 阻电机驱动系统进行噪音方面的比较【4 】，以验证其在磁阻电机领域的优势。其 结构如图1 2 所示： 图1 28 ，4 结构磁通开关电机示意图 2 0 0 5 年，英国l e i c e s t e r 大学 y ic h e n g 提出了带永磁体的磁通开关电机【5 】 并将其应用到小功率风扇中。其结构如图1 3 所示。这种结构的电机通电方式 不变，只是用永磁体取代了励磁绕组，提高了电机效率，但是同时也使工艺复 杂化，增加了电机成本，高温下永磁体性能下降也会限制该电机的应用范围。 2 图1 3 带永磁体的磁通开关电机示意图 山东大学硕士学位论文 上述几种磁通开关电机均为单相结构。除了单相结构外，还有三相磁通开 关电机6 _ 7 1 ，其结构如图1 4 所示，定子1 0 个齿，转子8 个齿，定子齿中镶嵌有 永磁体，定子绕组中通有三相交流电。本文主要针对单相磁通开关电机展开工 作，故对三相结构的电机不做过多的阐述。 a 2 a z 图1 4 带永磁体的三相磁通开关电机示意图 在文献 1 3 】中，对电机的分析主要是在已知电机尺寸的情况下，应用有限 元方法对电机性能进行验证，没有涉及电机的具体设计。2 0 0 6 年，j o h neb a n g u r a 对磁通开关电机的数学模型进行了详细的阐述，同时给出了电机的整体设计过 程，并应用p s p i c e 建立了电机的仿真模型【8 】，进一步完善了磁通开关电机的研 究。 磁通开关电机的研究初衷是用于交流调速场合。作为一种新型电机，它集 中了开关磁阻电机和直流电机的特点，采用简单的双凸极结构，具有机械强度 高、可高速运行、大转矩、高功率密度、相对较高的效率等一系列优点。由于 控制磁通开关电机的功率器件少，成本低，而且作为一种电子换向无刷电机， 具有更长的寿命、灵活精确的转矩控制、速度控制，从而可以被广泛应用于家 用电器、电动工具和电动车等领域。同时根据电机运行可逆的原理，磁通开关 电机同样可以工作于发电状态。与永磁无刷发电机不同的是，可以对励磁进行 独立控制，这是是这种发电机的一个优势。对磁通开关电机发电运行的研究同 样得到了c h a r l e sp o l l o c k 等人的重视，并进行了多种控制策略的研究分析1 3 哪! 。 3 山东人学硕十学位论文 1 2 课题研究的背景及意义 在传统的低速发电领域，同步发电机以及异步发电机占据主流地位。随着 嵌入式发电系统、便携式电动装置的发展，迫切需要发展低成本、灵活可靠的 发电系统。这些发电系统的原动机可以是从低速风轮机到高速汽轮机中的任意 一种形式。嵌入式发电设备以及便携式电子设备的大量出现使对低损耗、灵活 可靠的发电机系统的需求变得极为迫切。这些设备对于负载的特殊要求表明发 电机的输出应该是电子控制的，以适应独立系统的需要【1 2 1 。这些需求要求研发 简单、坚固耐用的在不同转速下可以有效输出功率的发电机系统。发电机也需 要在不同的负载情况下输出灵活可控的电能。 传统的同步发电机已经不能满足变速发电的需要，异步发电机也仅限于风 轮机等低速场合。高速发电系统采用了无刷电机 9 - 1 2 】，目前采用的电机主要有 永磁发电机( p m g ) 和开关磁阻发电机( s r g ) 。它们各自都有优缺点，永磁发 电机没有励磁机构，结构简单，效率高，但是由于永磁体易受高温影响而使性 能下降，再加上高性能永磁体成本非常高，使得这种电机的应用受到限制。开 关磁阻发电机结构简单、坚固，成本相对于p m g 低，运行可靠，但是其控制 比较复杂，而且运行时功率因数相对较低。 相对于有刷电机来说，无刷电机需要增加电力电子控制器件的成本，在某 些情况下，有刷电机还是相对比较经济的电机，但是需要考虑电刷的寿命和可 靠性。随着电力电子技术的不断发展，传统的机械驱动方式正逐渐被电子驱动 装置所替代，如汽车上的油泵、刹车系统、转向系统、电子阀装置、涡轮增压 装置及空调系统等等。同样，在适应变速发电、变化负载方面，无刷发电机系 统更具有其优势。目前一些比较有潜力的技术已经被很多汽车公司采用，包括 电励磁双凸极电机或开关磁阻电机的汽车用起动一发电系统己经有了比较成熟 的产品。 综上所述，无刷发电机具有很强的竞争力，但其对应的功率器件以及控制 器件的复杂程度及其成本是制约其广泛应用的重要因素。本文研究一种采用磁 通开关发电机( f s g ) 的新型发电系统。磁通开关电机结构简单可靠，鲁棒性 强，成本低，而且在很宽的转速范围内可获得单位功率因数输出特性，控制策 略简单有效。磁通开关电机的出现避免了永磁发电机所面临的调压困难、故障 4 山东大学硕+ 学位论文 时无法迅速灭磁等缺陷，同时这种发电系统因为控制装置简单、控制方法灵活， 相对于相数多、控制复杂的开关磁阻发电机系统来说将更具有竞争优势。 1 3 本文的研究工作 本文在前人研究的基础之上，对磁通开关发电机的工作原理、非线性电机 模型的建立、磁场的分析、控制策略以及控制器的设计等做了进一步的研究和 探讨。本文的研究内容主要包括： 第一章在阅读大量国内外文献资料的基础上，介绍了磁通开关电机及其发 展概况，提出了课题的研究内容。 第二章详细阐述了磁通开关电机的结构、特性以及发电运行的机理，并比 较了前人已有的控制策略，提出将磁能恢复开关( m e r s ) 串联补偿方式应用 到磁通开关发电机控制中。 第三章首先介绍了磁通开关发电机的数学模型，并利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了磁通开关发电机的非线性模型，并利用该模型对发电机 的稳态和动态输出特性进行了仿真。 第四章采用了有限元方法对磁通开关电机进行了分析，并利用a n s o f l m a x w e l l2 d 软件分别建立了磁通开关电机的稳态和瞬态模型，稳态模型分析了 电机磁场并计算了电感，瞬态模型对发电特性进行了仿真分析，同时也验证了 第三章m a t l a b 仿真模型的正确性。 第五章主要是基于d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 单片机的磁通开关发电机系统软硬件设 计。包括功率电路、控制电路、保护电路以及单片机c 语言软件的实现。同时 对进行电路板的设计和制作，使用单片机在线调试器m p l a bi c d 2 对程序进行 调试，并对硬件电路进行测试，完成控制器系统的调试。 在最后一章里对全文的工作进行总结并提出了下一步工作的发展方向。 山东大学硕+ 学伊论文 第二章磁通开关发电机的原理及控制策略 2 1 磁通开关电机的结构0 8 i 磁通开关电机的结构类似于双凸极永磁( 电励磁) 电机，定转子均为齿槽 结构，定转子铁芯由硅钢片叠压而成，与开关磁阻电机不同的是，定子上除装 有电枢绕组外，还有装有励磁绕组，而转子上无绕组，使这种电机结构简单坚 固、鲁棒性强、散热好，适用于高速领域。按极数和相数分，磁通开关电机有 单相4 2 、8 4 、3 2 1 6 结构以及三相1 0 8 、1 2 1 0 结构等。按励磁方式分有电励 磁方式和永磁体励磁方式两种。图2 1 为8 4 结构磁通开关电机的截面图，图 2 2 为3 2 1 6 结构磁通开关电机的截面图。 图2 18 4 结构的磁通开关电机示意图 本文采用单相8 4 结构的磁通开关电机为例进行分析，定子上安装了一套 整距励磁绕组，标记为f ，以及一套整距电枢绕组，标记为a 。磁通开关电机 有三个特点使得其运行与传统的开关磁阻电机明显不同： 6 山东大学硕十学位论文 图2 23 2 1 6 结构磁通开关电机不恿图 1 励磁电流在电机的整个运行过程中一直提供给励磁绕组，无论转子对齐 到哪一个位置； 2 励磁绕组中一直通以单向电流，所以其中不需要功率开关器件； 3 电枢绕组中电流的切换控制着定子磁通矢量的方向，从而决定哪对定子 极吸引转子极。 因此磁通开关电机在电机磁路、运行原理以及控制方法上都与开关磁阻电 机有很大不同。 2 2磁通开关电机的工作原理 2 2 1 工作原理 与双凸极永磁电机( d s p m ) 和开关磁阻电机( s r m ) 等所有双凸极结构 电机一样，当磁通开关电机定子绕组通电时，转子有使自己旋转到与定子磁阻 最小的位置的趋势，因而产生了磁阻转矩。 磁通开关电机的气隙磁场由电枢绕组产生的交流磁场与励磁绕组产生的直 7 山东大学硕士学位论文 流磁场叠加而成。以转子逆时针旋转时的发电状态为例，如图2 3 ( a ) ，此时转子 在只= 一2 2 5 0 位置( p = 0 0 位置见图2 1 所示) 。励磁绕组通有单极性电流而产 生磁通向量，其方向与电枢绕组槽中心线对齐。同时电枢绕组感生出负电流， 产生的磁通向量与励磁绕组槽中心线对齐。因此，合成的磁通向量与定子极中 心线对齐，这有使转子顺时针旋转使转子极与定子极对齐的趋势，如图2 3 ( b ) 所示。这是因为，与所有双凸极结构的电机类似，当磁路被激励时，转矩由转 子极转向和定子极之间磁阻最小的位置的趋势而产生，在发电状态，该转矩表 现为阻力矩。随着转子继续旋转，励磁绕组和电枢绕组在相同的方向上被激励， 如图2 3 ( c ) ( d ) 所示。因此，合成磁通向量将对准相同的定子极。但是，随着转 子转到如图2 3 ( e ) 所示的下一个对齐位置时，电枢绕组感生出与前相反的电流而 被反向激励，同时励磁绕组励磁方向不变，故而励磁绕组产生的磁通向量方向 不变，而电枢绕组产生的磁通向量改变了1 8 0 度电角度，或者说是4 5 度空间角 度。合成磁通向量将在由励磁绕组缠绕的相邻的定子极之间切换，转子极将对 齐定子极以使磁通达到最大。一旦转子转过如图2 3 ( f ) 所示的位置时，这一系列 的电枢电流换向将反复出现。因此，电枢绕组中电流的反向将导致定子合成磁 通向量在由励磁绕组缠绕的相邻定子极之间切换，这也就是磁通开关电机名称 的由来。该定子合成磁通向量不是旋转的而是在由励磁绕组缠绕的相邻定子极 之间振荡。 8 ( a ) a ( ) ，f ( + ) a n do r = - 2 2 5 。( b ) a ( + ) ，f ( + ) a n d 只= 0 0 山东人学硕七学位论文 ( c ) a ( + ) ，f ( + ) a n d9 = q ( e ) a ( - ) ，f ( + ) a n d 只= 4 5 。 ( d ) a ( + ) ，f ( + ) a n d 只= 2 2 5 0 ( f ) a ( - ) ，f ( + ) a n d 只= 6 7 5 0 c g ) a ( + ) ，f ( o ) a n d 谚= 2 2 5 0( h ) a ( o ) ，f ( + ) a n d 谚= 2 2 5 0 图2 3 电枢绕组和励磁绕组的磁通模式 9 山东人学硕十学位论文 根据电机可逆原理，磁通开关电机可以工作于发电状态。当磁通开关电机 只有励磁绕组通电，并且外加机械原动力使转子旋转时，由励磁绕组缠绕的两 对定子极之间的磁通切换导致交链电枢绕组的磁通不断脉动，脉动磁通将在电 枢绕组中产生感应电势，该反电势的幅值取决于发电机转速以及由励磁电流产 生的励磁磁通的大小。以电枢绕组外接电阻负载为例，电枢电流的方向与感应 电势方向一致，电机就工作于发电状态。 2 2 2 绕组电感分析 磁通开关电机的结构很简单，但是其内部磁场分布却比较复杂，由于磁路 饱和以及边缘效应的影响，其磁链、电感以及转矩随转子位置和电流的变化难 以用解析方法表示。尤其是绕组的电感随转子旋转的变化特性，对电机性能有 很大影响。因此定性分析电机的电感变化，有利于更好地理解电机的工作原理。 在定性分析中，首先分析理想化的绕组电感，即认为电感变化是随转子位置变 化成线性关系的。如图2 4 所示： 1 0 l a l f l a f i f m a ) 【 i f i a m a ) i a - i a m 。， o o0 l 2 2 5 。4 5 。 6 7 5 。 9 0 。0 r 图2 4 理想绕组电感( 自感和互感) 及电流波形 山东人学硕十学位论文 图2 4 中，l a 是电枢绕组自感，l f 是励磁绕组自感，l a f 是电枢绕组和励 磁绕组的互感，i f 是励磁绕组电流，i a 是电枢绕组电流。当转子位置从图2 3 ( b ) 所示与定子齿对齐位置转向图2 3 ( c ) 所示位置时，由于磁阻的增大，电枢绕组和 励磁绕组的自感线性的减d , n 最小值，与该最小值相对应的位置是转子极前沿 恰好刚刚与定子极重合。随着转子的转动，由于转子极和定子极之间的重合面 积不变，磁阻不变，故而电枢绕组和励磁绕组的自感将在转子极末端离开定子 极之前始终保持为常数。随着转子继续旋转，由于转子极向与定子极对齐的位 置靠近，自感将线性增加。同时，随着转子从图2 3 ( b ) 的位置转向图2 3 ( d ) 所示 相邻定子极之间的位置，励磁绕组和电枢绕组之间的互感将从最大值线性减小， 该位置绕组互感为零。其原因是，当励磁绕组单独励磁时，交链电枢绕组的磁 链为零；或者电枢绕组单独励磁时，交链励磁绕组的磁链也为零，如图2 3 ( g ) ( h ) 所示。当转子转向如图2 3 ( e ) 所示的下一个对齐定子极的位置时，产生的磁链将 在励磁绕组缠绕的两个定子极之间切换，故互感此时为负，并在半周期的末端 变成负的最小值。在另一半周期内，互感将从负的最小值增加到正的最大值。 2 3磁通开关电机发电运行的控制策略 与感应子式交流发电机( 队) 一样，磁通开关发电机( f s g ) 的一个重要 特性就是通过励磁电流控制实现输出电势的独立控制，但与之而来的问题就是 很大的有效电感。在高速运行时，这将导致电压调节性能变差以及很低的功率 因数，这是限制磁通开关发电机功率输出的主要因素。因此，为了降低变流器 容量，减少成本，磁通开关发电机需要进行无功补偿【1 8 2 3 1 ，实现单位功率因数 运行【2 4 之7 1 。 英国l e i c e s t e r 大学的c h a r l e sp o l l o c k 教授对磁通开关电机发电运行进行了 深入分析，并提出了两种控制策略，通过仿真和试验，取得了很好的效果。本 节将对这两种控制策略进行介绍，同时将磁能恢复开关( m e r s ) 引入磁通开 关电机发电运行控制中，简化了控制策略，并可实现发电机单位功率因数输出， 提高输出电压，获得稳定的功率输出。 山东大学硕十学位论文 2 3 1 可控p w m 型a c d c 变换器1 1 3 - 1 6 i 为了改善磁通开关发电机的功率输出，文献【1 3 - 1 5 提出了一种可控的p w m 型a c d c 功率变换器，对发电机的控制包括励磁电流控制、相角控制以及脉冲 宽度调制( p w m ) 。p o l l o c k 教授在分析这种控制策略的时候首先把磁通开关发 电机简化成一个等效模型，如图2 5 所示： 图2 5 单相磁通开关发电机简化模型 以上模型考虑了磁通开关发电机独立励磁和电枢绕组电阻，实际应用中电 枢绕组的电阻很小，如果将其忽略，则其等效模型如图2 6 所示： 1 2 l m e a 图2 6 每相等效电路 v 山东大学硕士学1 1 ：7 ：论文 根据等效简化模型，磁通开关发电机的可控p w m 型a c d c 变换器拓扑如 图2 7 所示： s s 么d 1d 4 一 _ 一 s 4 j 臭l m 尚_ n - f c s 3 么d 2 d 3z i 负载 图2 7p w ma c d c 变换器拓扑示意图 在这个p w m 交直流变换器中，发电机端电压v 和内部感应电动势e 。之 间的相位角6 可被控制。变换器在发电机端部可得到交流电压，通过调节其幅 值和相对于感应电动势的相位，可以控制电枢电流i 。以及功率输出。这在图2 8 和2 6 所示的向量图和每相等效电路中可以看出来，其中v 。是由变换器控制的 端电压有效值，e 。是发电机反电势，i 。是电枢电流。 图2 8 磁通开关发电机等效模型向量图 山东人学硕士学位论文 对任意给定反电势e a 和电枢电流间的相角魄，端部电压幅值v 由下式给 出： = e l k ( 2 - 1 ) 圪= ( 乞一l ks i n q ，g ) 2 + ( i 。x l mc o s 唿) 2 ( 2 - 2 ) 其中k = 2 z f l m ，是频率厂( 赫兹) 下的同步电抗，l m ( 亨) 是电枢有 效电感，中g 是反电势e a ( 伏) 和电枢电流i 。( 安) 之间的相角。假设魄为正， 也就是说电枢电流滞后反电势，有： 吃= 厂( 乞，彩，l ，唿) ( 2 3 ) 输出功率及发电机的容量由下式给出： p = e l c o s c p g ( 2 4 ) k q 删) = 乞厶 ( 2 - 5 ) 发电机输出端变换器的k v a 额定值为： k m c d 矿) = 吃l ( 2 - 6 ) 对于一个功率恒为p 的发电机来说，( 2 3 ) 可以写为： 吃= ( 2 7 ) 由( 2 6 ) 、( 2 7 ) 两式可看出，当功率恒定时，v 觚和k v a c o m , 可通过改变反 电势e 。以及相角q 。来控制。最佳运行点应满足： o ( v o a e o , o j i 。, q , ) ) ：0 ( 2 8 ) a ( 乞) 。 在该点上，v 为最小值。可控的v 幅值直接限制了最小直流输出电压， 以及变换器的容量等级。变换器的容量等级与任一运行功率因数下的直流输出 电压有直接的关系。该点上，反电势和端电压分别为： 1 4 e ( 掣) = 吃( m i n ) = 在最佳运行点上，电枢电流和变换器容量要求分别为： ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 山东人学硕十学何论文 l ( 叫) = ( 2 1 1 ) k 恸，= 导 p 2 ， ( 2 1 0 ) 式说明给定功率p 下v 粒幅值取决于发电机的转速和功率因数。减速 时运行于低功率因数下，或者设计一个有效电感很小的发电机，可以得到更低 的v 。从( 2 1 2 ) 式可以看出，变换器k v a 额定值与最佳运行点时发电机的转速 无关。 最佳运行点的功率因数等级规定了变换器k v a 额定值和发电机k v a 额定 值之间的匹配关系。采用超低频p w m 开关频率相位角p w m 方法可实现该控 制。在相位角p w m 控制【2 8 。1 】中，直流电容被用于传递需要的无功功率，以补 偿发电机同步电感吸收的无功功率。作为可控变换器，单相f s g 系统有三种运 行方式【1 6 】： 1 正压环( p v l ) 正压环中，对角线上的功率器件导通，直流电压加在电枢绕组上，能量由 直流电容流出，在电枢绕组中迅速建立起电流。 2 零压环( z v l ) 这种情况只在某一个功率器件导通时出现。发电机内部开路电压将在绕组 中建立电流。 3 负压环( n v l ) 此时所有的功率器件都关断。电枢电流被强制从对角的两个续流二极管中 流过。电枢绕组中的储能以及附加机械能从发电机传递到电源端，同时电枢电 流迅速衰减。 为发电机研究的开关算法必须保持简单且功率器件损耗低。所提出的简单 开关序列采用双脉冲控制，其开关频率为电枢电流的两倍，并包括如图2 9 所 示的开关模式。 山东大学硕十学位论文 p v l lp v l 2 图2 9 双脉冲开关序列 基于该简单开关序列，为了确定任意给定运行条件下的最佳控制函数，可 获得不同的控制算法。最佳控制函数为当( 2 - 1 3 ) 式得到最大值时所确定： 型安：他，l，cf)(2-13)ia ( r m s ) 一_ 7 控制函数c f 由下式决定： c f = 厂( s 1 ( q ) ，s 2 ( 岛) ，s 3 ( 岛) ，s 4 ( 包) ) s i ( 0 1 ) = p v l 4 0 , ) o , z v l ( o , ) s 2 ( 幺) = n v l ( 0 2 ) o r z v l ( 0 2 ) s 3 ( 岛) = z 纥( 岛) ，p v l ( 0 3 ) o r n v l ( 0 3 ) s 4 ( 幺) = n v l ( 0 4 ) ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 相位角由s 1 ( 研) 决定，同时s 2 ( 岛) s 3 ( 0 3 ) s 4 ( 幺) 决定p w m 开关频率和占空 比。对给定转速和输出功率，控制函数c f 和励磁电流这两个变量被用于检测 哪种算法可给出最佳控制。 2 3 2p w m 控制串联补偿器0 1 7 i 文献 1 7 1 提出了一种利用p w m 控制技术的串联补偿方式。恒速运行时，固 定电容串联补偿方式被用于改善电压调节、功率因数以及发电机效率l j 引。对 变速领域来说，这种方法的效果就不明显了，因为没有对输入系统的无功功率 进行适当的补偿。为了补偿无功功率，采用晶闸管控制电抗器的静止无功补偿 器被广泛采用，因为它们可实现柔和连续的功率因数变化。但这种补偿器存在 谐波问题。变速运行时可采用电容器组进行无功补偿，这种电容器组不能连续 1 6 山东人学硕十学位论文 控制，除此之外还存在通断期间浪涌电流的问题【3 3 1 。变速领域中需要补偿无功 功率，这可以用脉宽调制技术实现【3 4 书】。这样可以改进功率因素，以及任意转 速下的效率。 文献 1 7 】给出的p w m 控制串联补偿器拓扑形式如图2 1 0 所示： c c r 图2 1 0p w m 控制串联补偿器 l m 是发电机有效同步电感，c 。和l v 是串联补偿器的补偿电容和补偿电感。 对任意转速，在发电机输出端看到的等效电容是时间、电感l v 的函数，并在任 意给定开关周期被加到电路中。这是通过可控关断开关s m ( 主开关) 可s r ( 用 于提供电抗器k 续流回路的补偿开关) 实现的。 任意转速和满足等效电容条件的占空比下的等效电容由下式决定： = c c 一是 ( 2 - 1 9 ) d 2 = 彩2 厶e 一争 ( 2 2 0 ) 其中d 是每个开关周期的占空比。随着占空比的增大等效电容值下降，并 最终变为负值( 感性) ，如图2 1 1 所示： 1 7 图2 1 1p w m 控制串联补偿器等效电容变化示意图 该串联补偿器有四种工作模式3 4 。5 】： a ) 固定电容模式( 占空比d = 0 ，s m 不导通) 等效阻抗等于补偿电容的电抗，补偿电容的电抗被定义为基值阻抗( 1 p u ) 。 在此运行模式中，补偿器类似于一个传统的固定串联容性补偿器，该容性补偿 器的补偿系数根据电容值不同在o 2 到0 5 之间变化。由于负载电流引起的感性 压降被补偿器减小了，端部电压改善了能量输出也增加了。 b ) 微调电容模式( d 值较小，一般小于o 5 左右) 功率器件由互补的两路p w m 信号进行控制，s m 的占空比d 被调整从而使 补偿器的等效阻抗从基值到2 到3 倍标幺值连续变化，这将进一步改善输出电 压同时增强了功率输出。 c ) 微调电感模式( d 值很大，一般大于0 8 ) 比上一种模式中的d 更大，补偿器阻抗变成可调感性阻抗。此模式向电路 提供附加电感来减少电路中的功率输出。此特性在严重的负载故障状态下以及 系统受到扰动后的阻尼振荡很有用。缺点是带来比微调电容模式下更多的损耗。 d ) 虚拟电阻模式( d 值位于等效阻抗值为零位置) 此模式下容性电抗和感性电抗几乎相互抵消，补偿器的整体阻抗显示为电 阻性。视在电阻( 由电抗器及功率器件的损耗而来) 在此区域为最高。流过功 率器件及电抗器的电流大小主要取决于该视在电阻。在电能输出出现故障时， 这种独特的特性可使补偿器在电源附近作为功率阻尼器使用。 山东人学硕七学位论文 2 3 3 磁能恢复开关( m e r s ) l a g - a g l 1 m e r s 结构 目前串联补偿器正大量应用于各种电力设备中，用于提高电压以及功率输 出能力、提高功率因数。作为一种新型的可变串联补偿器，不论负载阻抗如何 变化，磁能恢复开关( m a g n e t i ce n e r g yr e c o v e r ys w i t c h ，以下简称m e r s ) 总 能自动的校正功率因数，而且其结构简单，还具有损耗低、成本低和体积小的 优点。采用m e r s 的磁通开关发电机系统拓扑结构如图2 1 2 所示。 一+ 一 e 。 图2 1 2 带有m e r s 串联补偿的磁通开关发电机系统拓扑 m e r s 的拓扑结构如图2 1 2 中虚线框内所示，它包括四个可控功率器件( 比 如i g b t 或者m o s f e t ) ，四个续流二极管和一个电解电容。m e r s 的结构与单 相全桥逆变器完全相同，但是其应用领域和工作原理不同。与传统的单相全桥 逆变器相比，电解电容小了好几倍。因为直流电容很小，又由于开关器件的频 率与电源频率一致使得损耗很低，m e r s 成为一种结构紧凑的补偿器件。图2 1 2 所示就是m e r s 的典型应用，它被串联在交流电源与负载之间。m e r s 吸收储 存在电感中的磁场能量并将其补偿到负载中，这就是磁能恢复开关名称的由来。 2 m e r s 工作原理 m e r s 的电流路径通过不同的控制可以有很多种，最常用的控制方法是对 功率器件两两进行开通关断控制，这样可以流经电解电容的电流方向。一对功 率器件包括s 1 和s 3 ；另一对则包括s 2 和s 4 。当电流从f l 流向b 时，只控制 1 9 山东人学硕士学位论文 s 2 和s 4 的通断，而s 1 和s 3 此时始终保持关断。当s 2 和s 4 导通时，电流从 a 经过d l 、s 4 和s 2 、d 3 并联的流向b ，由于此时电解电容c 上没有电流流过， 故电容电压依然保持为零。此后，当s 2 和s 4 关断时，电流从a 经过d 1 、电解 电容c 和d 3 流向b ，电解电容c 将吸收电感中储存的磁场能量，电容电压得 以逐渐提高。当电解电容完全充满电时，此时磁场能量完全转移到电解电容中 储存起来，d l 、d 3 被强制关断，m e r s 满足关断条件，无电流流过，处于关 断状态。然后，当s 2 和s 4 再次导通时，由于电解电容两端电压的作用，d 1 和d 3 仍然不能导通，电流从a 经过s 2 、电解电容c 和s 4 流向b ，电解电容储 存的能量将以磁场能量的形式回馈到负载上，电容电压也将逐渐降低。当电容 电压减小到零的时候，电流又会并联地从a 流向b ，并依次重复上述工作方式。 这四个工作过程如图2 1 3 所示： 声- - 心4 j 刈a 2 + 、 c _ _ _ _ _ _ _ _ _ 本d 2当昌2 _ - 一。- _ i 一 李f d l 1 一t 一i 厂 、 c _ _ _ _ _ _ _ _ _ = 乞l 。 太d 2 ( a ) s 2 和s 4 导通时( b ) s 2 和s 4 关断时 u c = u c m a ) ( 当也 本d 1 一 厂 c _ _ _ _ _ _ _ _ _ s 3 1 昌2 丕d 2 。 ， “1 一 上、- 一 c 玉 当崮z ( c ) 关断条件( 电容充满电) ( d ) s 2 和s 4 再次导通时 图2 1 3m e r s 的工作原理示意图 当电流从b 流向a 的时候，情况正好相反，只控制s 1 和s 3 的通断，而s 2 和s 4 始终保持关断。由此可见，m e r s 可以方便简单的实现电流的双向流动。 通过上述方法控制m e r s ，可得到三种控制模式：当电解电容两端只有部分时 间有电压时的不连续模式( n o tc o n t i n u o u sm o d e ) ；电容电压含有直流偏置的直 山东人学硕十学位论文 流偏置模式( d c o f f s e tm o d e ) 以及这两种模式之间的平衡模式( b a l a n c e d m o d e ) ，如图2 1 4 所示。 m e r s 电流相位控制的简易性是它的一个重要特点。当电解电容容抗小于 电路的等效感抗时，电解电容的放电时间将比开关周期短，放电还没有结束的 时候已经进入下一个开关周期，电容电压变化较小，此时m e r s 工作在直流偏 置模式下。在直流偏置工作模式中，控制电路需要一个串联电压相位参考信号 以及根据参考信号得到的门极驱动信号。此时如果将门极驱动信号( s 2 和s 4 的) 超前参考电压9 0 度，则电流相位将自动调整到超前参考电压9 0 度，不管 电路具体情况如何，功率因数将自动调整到1 。参考信号可以是通过测量电压 或者是发电机转子编码器输出信号。 不连续模式 直流偏置模式 艚 s 2 - s t t 1 i 图2 1 4m e r s 工作模式 2 l 山东大学硕十学位论文 基于相位参考信号的门极控制将自动实现功率因数自动调整的原理如图 2 1 5 所示： ( a ) ( c ) 图2 1 5m e r s 功率因数自动调整原理图 v g 和v l 分别是m e r s 两端( a 端和b 端) 的节点电压，0 l 是负载功率角， 保持不变。v g 被当作参考相位角基值( 即v g 的相角为零) 。图2 1 5 ( a ) 表明初始 参考信号为6 l ，串联电压v m e r s 被调整以使v g 和i l 之间相角为6 l ，图2 1 5 ( b ) 是参考信号从6 l 刚变为6 2 时的情况。在参考相角刚刚发生改变时，v m e r s 与之 前相同，但其相角因为参考信号的变化而发生改变，电流的相角仍然近似等于 6 l 。电流和串联电压之间的角度将小于9 0 度，这意味着，有功功率输入m e r s 并建立直流偏置电压，这将使串联电压v m e r s 迅速增大。图2 1 5 ( c ) 表示了参考 信号改变并稳定后的状态。 3 m e r s 谐波分析 m e r s 产生的谐波取决于它的工作模式。在平衡模式中没有谐波，m e r s 等效于一个串联电容。对于不连续模式，谐波的产生可由式( 2 2 1 ) 来估算： 阮= 等n i n x - s 郴) s i n n x d x ( 2 - 2 1 ) 山东大学硕十学位论文 其中4 艿是零电压区域的电角度，：。是万= 0 ( 即平衡模式) 时的电压，吃 是n 阶谐波的大小。这与晶闸管控制电抗器中谐波电流成分类似。对于连续模 式的谐波可由式( 2 2 2 ) 来估算： ：4 v o c ( 2 - 2 2 ) 万刀 其中n 偶数，是直流电容电压直流偏置部分。不同相对电抗值下 m e r s 注入电压的谐波含量如图2 1 6 所示： 相对电抗( x d c ，c a p e q u i 、，a i e n i ) 图2 1 6m e r s 串联电压谐波含量 相对电抗表示直流电容实际电抗与m e r s 等效电抗之间的关系。很明显相 对电抗的大小很重要，对于不同应用场合直流电容的选择需要进行分析。 4 应用m e r s 对磁通开关发电机串联补偿 如前所述，磁通开关发电机一个重要特点就是具有很大的同步电抗，从而 限制了功率输出，并导致功率因数很低。同时，由于大电抗的存在，使得发电 机在负载较大时所需的直流励磁功率也很大。为了提高发电机的功率输出能力 和减少直流励磁功率，本文采用了m e r s 进行串联补偿，其基本结构如图2 1 2 山东人学硕十学位论文 所示。在本文中只考虑电解电容容抗小于磁通开关发电机等效感抗的情况，此 时s 2 和s 4 的触发脉冲超前电机电动势9 0 。电角度，功率因数将自动调整为l ， 此方式称为移相控制方式。 2 4 本章小结 本章首先介绍了磁通开关电机的基本原理，包括其结构、工作原理，并分 析了绕组电感对电机运行的影响，然后分析了三种磁通开关电机发电运行的控 制策略，最后采用磁能恢复开关作为磁通开关发电机的无功补偿器。 2 4 山东人学硕十学位论文 第三章磁通开关发电机系统的m a t l a b 仿真 3 1磁通开关发电机数学模型 j a - 一易l q 乏二铭 b - ， k _ f ，f = l 醪i 4 + l f i f 、 br烹：二一p2，s 忙p 誓母。+ 韭等趔 山东人学硕十学位论文 k = 圭乞2 参嘞等 机械方程为： 一= ，鲁 式中，、吩分别为电枢绕组和励磁绕组的磁链；虬、分别为电 枢绕组和励磁绕组的端电压；i 一0 分别为电枢绕组和励磁绕组的电流；l a 、 0 分别为电枢绕组和励磁绕组的自感：为电枢绕组和励磁绕组之间的 互感；q 是转自转过的角度；j 是转子的转动惯量；缈是转子的角速度；k 是瞬时转矩；是负载转矩。 3 2 基于m a t l a b s i m u l i n k 的磁通开关发电机系统建模 3 2 1m a t l a b s i m u l i n k 软件简介加4 2 1 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) m a t l a b 这个词源于“矩阵实验室 ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) ，于1 9 8 4 年由 m a t hw o r k s 公司推出，是一种应用于数学计算及计算结果可视化处理的软件。 它把数值计算、矩阵计算、函数图形生成与处理、控制系统仿真等诸多强大功 能集成在一个便于用户使用的交互式环境之中。起初主要是为了方便处理矩阵 的存取，经过多年的完善和扩充，现在已经成为许多领域课程、科研的实用工 具。m a t hw o r k s 公司不断接受和吸收各学科领域编写的函数和程序，并将它们 转换为m a t l a b 工具箱，是m