（电力电子与电力传动专业论文）开关磁阻电机起动发电系统理论研究与工程实践.pdf

a b s t r a c t c o m p a r e dt oo t h e rm a c h i n et y p e s s r 艟o f f e r sa ne 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 i i t y ，p o w e rd e n s i t y ，h i g hs p e e dc a p a b i l i t y i t n o to n l yr e a l i z e sd u a l f u n c ti o no fb o t hs t a r t e ra n dg e n e r a t o re a s i l y ，b u ta l s oh a sg o o dh a sg o o ds t a r t i n g a n ds p e e dr e g u l a t i n gc h a r a c t e r i s t i t su s e da ss r ma n df i n ee l e c t r i cp o w e rq a a l i t y ， h i g hp o w e rd e n s i t ya n du n i q u ef a u l t t o l e r a n c eu s e da sg e n e r a t o r t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt ot h e o r e t i c a ls t u d ya n de n g i n e e r i n gp r a t t i c eo n s 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 rs y s t e m t h ea h i i i t yo f2 7 0 vh i g hv o l t a g e d i r e c tc u r r e n ta i r c r a f ts t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e mi sr o u n d l yd e m o n s t r a t e d f i r s t l y t h es t a r t i n gp e r f o r m a n c eo fs r m i sd i s c u s s e di nd e t a i l e d b a s e do n c h a r a c t e r i s t i c so fa i r c r a f te n g i n el o a dt o r q u e ，h o wt h et h r e es c h e m e so fc o n s t a n t a c c e l e r a t i o n ，c o n s t a n tt o r q u ea n dc o n s t a n tp o w e rw i t h1 i m i t e dt o r q u ei n f l u e n c eo n s t a r t i n gp a r a m e t e r ss u c ha ss y s t e mc a p a c i t ya n ds t a r t u dt i m e i ss i m u l a t e di nt h i s c h a p t e r a na p p r o p r i a t es rs g s y s t e ms t a r t i n gs c h e m e i s c o n c l u d e d a i m i n gt o s t a r t i n gp r o c e s s ，w h i c hi n c l u d ei n i t i a t es t a r t u ps t a t e ，l o ws p e e da n dh i g hs p e e d s t a t e ，t h es t a r t u pc h a r a c t e r i s t i co f8 r mi sc o m p r e h e n s i v e l yd i s c u s s e di n t h i s t h e s i s t h eb a s i ct h e o r yo fs r gi sd e e p l ys t u d i e di nd e t a i l e d t h r o u g hs r g sm e c h a n i s m e l e c t r i ce n e r g yc o n v e r t i n ga n a l y s i s ，1 i n e a ra n a l y s i sa n dn o n l i n e a rs i m u l a t i o n ，t h e o p e r a t i o np r o p e r t ya n dp h y s i c a 】e s s e n c eo ft h ev o l t a g ee s t a b l i s h m e n tf o rs r ga r e a n a l y z e d 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 da n dp u l s ew i d t hm o d u l a t 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 df o rt h ef i r s tt i m e an o v e lf u l lt u r n i n g o na n g l eg e n e r a t i n g m o d ew i t h o u tp o s i t i o ns e n s o ro fs r gi sp r o v i d e d 。t w ok i n d so fo p e r a t i o nm o d eo fs r g a r ec o n t r a s t e d ，l o a d ss a d d e nc h a n g ea n dt h ef a u l to p e r a t i o nu n d e rs h o r t a g eo fs r g a r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ，t h ep a r a m e t e r si n f l u e n c e do nv o l t a g eq u a l i t ya r e i n d u c e d r e l a t i v et on o n 一1 i n e a rm a g n e t i c p a r a m e t e rm e t h o d ，n o n 一1 i n e a r i n d u c t a n c e p a r a m e t e rm e t h o d ，w h i c hi sar a p i dn o n l i n e a rs i m u l a t i o nm e t h o d ，i sp r o p o s e d s r g i n d u c t a n c ec u r v e sa r ef i t t e d b yf o u r i e rs e r i e s i ti su s e dt oa n a l y z ef o rs r d s t a r t l n ga n dg e n e r a t l n gm o d et r u l y f i n a l l y ，s i m u l a t i o np r o g r a m so fs r da n ds r ga n a l y z e df o rs t e a d ya n dd y n a m i c p e r f o r m a n c ea r ec o m p l e t e d t h r e es o r t so fe 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 d b y8 0 9 8m i c r o c b i p ，b y8 0 c 1 9 8 k cm i c r o c h i pa n db yh a r d w a r ec i r c u i ta r ed e v e l o p e d t w o 8 rs gs y s t e m ，o n ei sr a t e da t3 k w 2 k r p mm a x i m u m o p e r a t i n gs p e e d t h eo t h e ri sr a t e d a t6 k w ，1 2 k r p mm a x i m u mo p e r a t i n gs p e e d ，a r ed e s i g n e dt om e e tr e q u i r e m e n t ss u c ha s p o w e rq u a l i t yp e rm i l s t d 一7 0 4 e t h et e s td a t ai sp r e s e n t e dt os h o wt h a tt h es y s t e m m e e t st h ep o w e rq u a l i t yr e q u i r e m e n ti ns t e a d ys t a t e ，a sw e l la st o a ds w i t c h i n gm o d e s o fo p e r a t i o n k o yw o r d s ：s r s is t a r t g e n e r a t o r a i r c r a f th i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n tp o w e r s y s t e ms t a r t i n go p e r a t i o ng e n e r a t i n go p e r a t i o nc o n t r o lm e t h o df a u l t t o l e r a n c e v o l t a g eq u a l i t y i n d u c t a n c ep a r a m e t e r sm e t h o d m a t h e m a t i c sm o d e l 南京航空航天大学博士学位论文 i 1 引言 第一章绪论 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“、2 。- 。 s l 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，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。目前只有以美国g e 公司为代表的航空 电气界，从1989 年起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 - - 7 0 4 e 标 准，现进行装机试验。为了跟踪国际在开关磁阻电机起动发电系统方面的先进技术， 尽快缩短国内外飞机电气系统的差距，本文重点研究s r 电机的发电机理及其起动发 电双功能运行的可行性，解决其中的某些关键技术，为预研及型号研制打下基础。 1 2 开关磁阻电机起动发电系统的运行机理 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。 以目前广泛应用的三相6 4 结构电机为例，其截面如图l 一1 所示。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 图i 一1 三相6 4 结构s r 电机截面图图1 2 开关磁阻电机结构图 开关磁阻电机起动发电系统理论研究与工程实践 构成一相绕组，可组成a 、b 、c 三相绕组。图i - - 2 为s r m 的结构图。s r m 综合了电机、 电力电子、微电子及自动控制等技术，是机电一体化的新型调速电动机系统。 其电磁转矩的形成及其理论是认识s r 电机工作原理的基础。如当a 相供电时， 设相电流为i 。，则建立磁场的能量 w 。g = l 。i d | 】f ，( i - 1 ) 式中，相磁链是相电流和转子位置的函数。如图l 一3 简示了该磁特性，p 点 ( ，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 乙= 一等i 峭( i - 2 ) 该式以磁链不变为约束条件，这正表示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。 用磁共能来表达 乙= 等l ( 1 _ 3 ) 在线性化处理的磁系统中，s r 电机的电磁转矩为： 。：三f 2 w 磊l ( 1 - 4 ) 乙2 i 2 历 式中：i 为相电流，三是相电感，护是转子位置角。 图1 3 电磁转矩计算关系图1 4 绕组相电感曲线 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) 与转予槽轴线重合位置 定义为0 = 0 。，该位置相电感为最小值三。；再定义定子相绕组轴线和转子齿轴线重 合位置为醌= 4 5 4 ，其时电感具有最大值三。如图i - - 4 所示，相电感三( 矽) 将以转 子齿距角矿为周期而变化。 2 南京航空航天大学博士学位论文 根据式( 1 4 ) ，s r 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：若相电流处于笏o 区间时则产生正转矩，s 8 电机工作在电动状态；若相 电流处于笔 o 时，s r g 的工作状态为： d 讳_ 。= t 。q 出= 妻f 2 0 输出机械能； d w 。= e i d t 0 一输入电能； ( 2 ) i o l 二 护：阶段为回馈发电阶段。s r 电机的 每一相绕组可看作是由一个电阻r 和电感线圈l 串联而成。相应电路方程为： u。=一e+ir(3-17) 式中：+ u ，适于激磁阶段，一 ，。适于回馈发电阶段；e 为相绕组电势。 相绕组磁链方程为：=li(3-18) 相应的，相绕组电势 一警“妄一z 笏警( 3 - - 1 9 ) 8 2 一- = 矿3 一厶石一5 j 万j f 设电机匀速旋转，则上式改写为 姒= 三纠荔m ，】( 3 - - 2 0 ， 如图3 - - 5 所示为s r g 线性模式相电感曲线，一个周期为9 0 0 ，相电感最小处对应 0 0 位置，最大处对应4 5 0 位置。s r 电机电动发电状态的改变只需要简单地把开关角 改变即可。电动状态的工作电流主要作用在电感的上升区，即在o o 4 5 0 范围；发电 状态的工作电流主要作用在电感下降区，即4 5 0 - - 9 0 0 范围。若不计漏磁和边缘散磁， ( 易可简化为图3 - - 5 所示梯形规律。一般而言，转子齿极宽略大于定子齿宽，出现 壹塞堕窒塾茎奎兰量主堂垡堡茎一 了一个。的小平顶；而转子槽宽常大于定子齿宽，故存在三一小平台a 图中画出了 一个齿距角护，周期。 3 3 2 相电流解析 相绕组电阻影响很小，忽略电阻及管压降，以做进一步简化，那么 ，= 坐( 3 - - 2 1 ) 狐心 i i i e m i v i 、 、 q岛 啡 。|x 。 图3 - - 5s r g 线性模式相电感曲线图3 - - 6 发电工作的相电流解析 据此，以主开关触发开通瞬间为时间坐标原点，则得图3 6 所示相绕组磁链规律： 2 u ， 瞑 护 岛 ( 3 2 2 ) i 少= 2 一u s t易 2 幺一岛 其中：= u s 华 ( 3 _ 2 3 ) 由甲和l 的变化规律，不难根据( 3 1 8 ) 式获得相电流规律。在图3 5 中，把 个相电感周期分为i 、i i 、i i i 、i v 四个区段，本节主要讨论发电运行的两种主要导 通模式。 a 设在导通i i 区触发主开关，在区段i v 内关断主开关。这种情况下的相电流波 形如图3 6 所示，其具体过程分五个工作阶段： ( 1 ) ( o ) 阶段： ( 3 2 4 ) 由上式可见，导通开始瞬间，由于在时刻0 ( 对应毋= 岛) 时zr 髟的值较大，相电 流上升速度较慢。此时，吸收的电能，一部分转换为机械能输出，另一部分作为磁场 4 3 开关磁阻电机起动发电系统理论研究与工程实践 能储存起来。 ( 2 ) ( t ，t ，) 阶段： i - 坐( 3 2 5 ) 三。 进入此阶段电流上升变快，将按正比例上升。此阶段吸收的电能转化为磁场储能。 ( 3 ) ( t ，t ，) 阶段： f _ 坠! ( 3 2 6 ) z = o 一 lj 一 三一+ s 洲l n ( f r 2 ) 因此，该阶段电流上升率比上一阶段更快，且越来越快。在此阶段：吸收的电能 和机械能均转化为磁场储能。因此，此阶段是非常有效的励磁阶段，增加此阶段的长 度和励磁强度，将非常有利于磁场能量的储存，即有利于输出电能的增加。但是过分 延长口，会减少发电的有效区域，降低系统效率。 ( 4 ) ( t ，t 。) 阶段： f - 弛孚旦l ( 3 2 7 ) k + 荔q ( f _ f ：) 该阶段为有效发电区，把机械能转换为电能，并且发出电能多少与储存的磁能 量有关。 ( 5 ) ( t 。t ，) 阶段： 江! 纰二坐( 3 2 8 ) 三m “ 此阶段在【，。作用下电流下降很快，这时机械能与磁能都转换电能输出。但当护， 过大时，相电流可能续流到i i 区，降低电机效率。 由以上分析可知：( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 为发电运行的励磁阶段，可控参数有0 。、0 。、u ，其 中矽：对系统性能影响较明显；( 4 ) ( 5 ) 为发电阶段，输出电流不能直接控制，但可通 过调节励磁阶段来控制发电过程。 以上为第一种导通模式下，相电流的解析结果，当电机转速不同时，相电流波形 会发生很大变化，图3 7 为发电运行时典型的相电流波形。图中相电流波形1 、2 、3 分别对应转速为啊、”：、玛；在相同转速下，改变瞑对s r g 发电运行产生很大的影响， 图3 - - 8 为发电运行时不同鼠对应的相电流波形。 南京航空航天大学博士学位论文 - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 舅幺 曰 只岛 图3 - - 7 不同转速发电运行相电流解析图3 - - 8 开通角舅对相电流波形影响 b 假设在i i 区触发主开关，在i i i 区 关断主开关，此时的相电流解析波形如图3 一9 所示，其分析方法与前面类似。当转速 较低时，在( t ，f 。) 区间电流将下降；当 转速较高时，由于运动电势的大，电流将 可能上升，至接近零时，电流则迅速地 下降。 讨论： ( 1 ) 当s r g 转速较低时，相周期较长， 其励磁区相电流面积值较大，但由于运动 电势较小，致使发电区域电流面积相对较 小，导致发电效率降低，因此低速是不利 用发电的。 ( 2 ) 比较两种导通模式可知，由于a 、三 己 夕 - - 一 目l l 7 2 护7 ，f 、 强 f 、 图3 - - 9 护2 提前到区时相电流 解析波形( n l 0 ( 3 3 0 ) 该式说明，励磁电流，越大，转速越高，s r g 的出力越大，以致发电运行的效率 也越高。 二，s r g 的自然输出特性 实际在控制参数( 只、8 j a u ，) 不变时，励磁电流也是受电机的转速影响的，由 式( 2 - 2 6 ) 得励磁电流为 i 。= 生刍二堡 q 三。+ 荔( 岛训 ( 3 3 1 ) 其中乱对应时间t ：，由此可看出，速度越低，l 越大，说明在低速时电机容易励 磁。式( 3 - - 2 7 ) 用角度来表示得 f ：姿。堕芏( 3 - - 3 2 ) q 三一+ 要( 一0 2 ) 从式( 3 3 2 ) 可得出：当速度越低，发电区的相电流值越大，因为当电机结构参数 和外加电压一定时，发电运行时运动电势大小取决电机转速，当然也取决于励磁电流 c 的大小：该式说明s r g 在低速时易出力，这是s r g 的自然特性。也是s r g 发电运行 优点之一。上述结论是从线性模式分析得出的，而实际工作必须考虑电机铁心的饱和 因素，当励磁强度大到一定程度，铁心进入饱和状态时，兰将减小，此时会影响发 出电能。在s r g 实际工作中，由于外界的制约因素，s r g 励磁强度总受到限制。从这 壹塞塾至堕盔奎堂要主堂垡丝苎 个角度来说，速度越高越有利于发电运行。低速发电时效率是低的。 三，s r g 的等效模型 前面的线性分析导出s r g 发电运行状态的典型相电流波形在不同电感区域的解析 式。这些分段电流函数可以用下面的通式统一描述，即 ，r “印= 二三“们( 3 3 3 ) 【2 。 若外加电源电压、角速度为常数，电流波形f ( 功与开通角、关断角及电机的结构 参数有关，s r g 的工作特点使得其输出可等效为电流源，如图3 一l o a 所示。由于电 流源具有内阻抗大、易并联等特性，使得s r g 的结构更灵活；对s r m 来说，从自起动 能力和能否正反转考虑，其相数m 3 ，且一般满足 4 3 z ，= z ，+ 2 ( 3 - 3 4 ) s r g 结构更灵活；由于主电路简单，驱动电路少，单相结构的s r g 是很有吸引力 的，8 8 、6 6 等单相结构的s r g 具有成本低、可靠性高等特点 。而美国g e 公司2 5 0 k w 航空起动发电机采用是1 2 8 结构，可实现多余度供电o ”。 对于多相s r g ，由于绕组具有电流源特性，即使在缺相条件下，s r g 仍然能正常工 仁 、f ( 6 0 l 7 q 。 。钞7 么 j r 护 图3 一l o as r g 一相绕组等效电路图3 一l o b 输出电流的波形 作，因此s r g 具有很高的容错性。本方案的起动发电机由于要兼顾起动特性，因此 仍采用6 4 结构。 s r g 输出是脉冲电能，在励磁阶段由外界给电源提供能量，在发电阶段则向外提 供能量，其输出电流如图3 一l o b ，较适合作蓄电池的脉冲充电电源。如需要作恒压源， 则输出要并联电容，起到对电压的滤波作用。如图3 一“为6 4 结构的s r 航空起动 发电机的等效电路。其输出电压要求为2 7 0 7 0 c ，输出必须并联电容。 其中三相绕组电流分别相差3 0 0 ，轮流给电容进行充放电，同时电容持续给负载放 电。当s r g 提供电流平均值大于负载电流f 。时，电容电压上升；小于i 。时电容电压下 降；等于时电压保持平衡。由此看出s r g 可通过调节输出电流来控制输出直流电压的。 墅苤壁里皇垫塑垫垡皇墨竺堡堡堕塞皇三矍壅堕一 四，s r g 作恒压源输出时电压纹波分析 s r g 作恒压源时输出必须并联电容，由于绕组 给电容周期性的充放电，因此电容的电压是脉动 的，下面进一步分析s r g 作恒压源时外界参数对 电压纹波的影响。 在s r g 的励磁过程，电容分别给绕组励磁和向 负载供电，电容电压下降；在发电过程，此时绕 图3 一i l6 4 结构s r s g 的等效电路 组向电容充电，电容向负载供电，一般来说前者提供能量大于后者，此阶段电容电压 是上升的；在发电阶段与励磁阶段之间电容只给负载供电。其工作过程如图3 一1 2 ， 则 图3 一1 2a励磁过程能量流向图3 1 2b 发电过程能量流向 励磁过程 c a d u 曰o q = 一f 。一f 。 发电过程 c 面d u cq = f g f 。 放电过程 c 等q 进一步求解式( 3 - - 3 5 ) 得 圹州让一一等 圹s z ( 6 5 一u 。( 幺) e 一去 。 c f 2 。、7 “。= u 。( 岛) e o f ( 3 3 5 ) 岛矽 岛 幺护只 ( 3 - 3 6 ) 易s 汐 o ) 电流下降稍快，进入i i i 区( 笔= o ) 下降缓慢，在电 。廿d 甘 感i v 区( 三三 ，m 。，时，功率管关断，运动电势克服线电压经二极管续流使得相电 流继续上升，进入有效发电状态。转子位置到达最小电感处，相电流快速下降，又进 入到下一个周期工作过程。从斩波工作全过程看，在0 0 4 5 0 位置区间，斩波控制起 到抑制相电流作用；而在4 5 0 9 0 0 区间，斩波控制不能抑制相电流上升。由前面发电 机理分析可知，若通过斩波控制使得相电流在4 5 0 9 0 0 区间面积大于0 0 4 5 0 区间面 积，即使不需位置信号鼠、只，系统也可以输出电能。基于上面分析，全导通斩波发 电运行模式是可行的。 4 5 2 全导通斩波模式的仿真分析 如图4 4 0 为全导通斩波发电模式的控制框图，系统包括电机、变换器、斩波控 一1 新鼍婚，厨环狲懦。驱动龟潞几个部分。其斩波控制电路仅实现固定关断时间的崭 波控制，该方案中没有位置传感器及相应的信号解算等复杂电路，整个系统的结果很 简洁。 7 6 图4 4 0 全导通斩波模式s r g 发电运行方案的控制框图 西如 坫 竹0 0 ( v ) l u 9 3 0 南京航空航天大学博士学位论文 对全导通斩波发电模式中，斩波固定时间a t 是唯一可以优化的参数，a t 值的选 取会影响斩波的次数和发电运行等效开通角，图4 - - 4 1 ( a ) ( b ) 为a t = 1 0 0 时在不同转 速下相电流仿真波形。图4 - - 4 2 ( a ) ( b ) 为a t = 2 0 0 , t b 时相应的转速下相电流仿真波形。 4 0 3 0 2 0 _ 1 0 0 a n g l ea t = 1 0 0 四a n g l e ( a )( b ) 图4 4 1 全导通模式c c c 方式一相相电流仿真波形 从上面仿真波形看出，当出取1 0 0 a 2 s 时，相电流的斩波次数较多，而且相电流没 有降到零，功率管又开通，导致相电流在电感上升区仍有一定的值，影响了系统的效 率和出力。加取2 0 0 口时，基本保证在斩波时相电流下降为零，其发电效率明显高 于前者。因此，缸的选取要满足保证斩波时相电流下降到零，同时出也不能选的过 大，要保证发电运行的实际有效开通角鼠不能太大，即 rr口 = 堂土坠a t 尘( 4 2 1 ) u ， 6 刀 式中n 为电机转速，发电运行时相电流一般续至( 9 5 1 0 5 。) 区间，以一般取2 0 ， 这样使得有效鼠不会大于3 5 。，上式仅为出的选取提供一定的范围，提供仿真分析和 试验具体调整，尽量优化系统的出力和效率。 4 0 3 0 2 0 1 0 0 加 3 0 冬2 0 1 0 0 02 5 5 0 7 51 0 0 1 2 5 1 5 0 1 7 52 0 0 a n g l e f ：2 0 0 z ， ( a ) 图4 02 55 07 51 0 0 1 2 5 1 5 0 1 7 5 2 0 0 a n g l e ( b ) 4 2 全导通斩波发电模式一相相电流仿真波形 开关磁阻起动发电系统理论研究与工程实践 图4 4 3 为不同转速下全导通斩波模式的斩波限与输出功率关系曲线，其线性程 度差，且转速对输出功率的影响不一致，因此在可控性上没有前面介绍的控制方案 好。图4 4 4 为全导通斩波发电运行时相电流实测波形。 051 01 52 02 53 0 i m a x ( a ) 图4 4 3 全导通发电模式输出特性曲线 儿 ：八 机 n ( n = 7 0 0 0 r p m ，a t = 1 0 0 胪) 图4 一“全导通发电模式相电流实测波形 4 5 3 全导通斩波发电模式的特点 通过前面的分析，全导通斩波发电模式具有以下的特点： ( 1 ) 全导通斩波发电模式不需要位置传感器及需要位置信号解算电路，大大简化 系统的结构，降低成本，提高了系统的可靠性。 ( 2 ) 全导通斩波发电模式控制变量是斩波限，可变量只有f ，因此系统的控制很 简单，但在可控性上较前面三种控制方案逊色。 因此，s r g 能进行全导通模式发电本身证明了s r g 系统具有很高的容错性和可 靠性。同时全导通斩波发电运行模式可广泛应用在对能源利用率要求不高、环境恶 劣、成本低等场合，如风力发电等场合。 4 6 s r g 故障运行的仿真分析 s r 电机相间电磁耦合较小，功率变换器各相之间独立工作，因此具有独特的容错 能力，即在其中一相或两发生故障的情况下仍能继续工作。 s r 发电系统的故障包括电机故障和功率变换器故障。不考虑机械故障，电机可能 发生的电磁故障主要有【7 i ： 绕组开路 绕组匝间短路 相邻绕组短路 绕组接地 7 8 至jom 南京航空航天大学博士学位论文 过载 功率变换器的故障主要有： 功率开关开路 功率开关击穿短路 驱动信号错位 在以上的故障中，绕组开路和功率开关开路均会造成缺相故障，绕组匝间短路及 功率变换器击穿短路最终也会转变为缺相状态。因此，研究缺相运行十分有必要。下 面分别仿真系统在电压开环及闭环方式下缺相的运行情况，并与正常运行状态作运行 性能比较。 00 05 10152025 t ( s ) 开环电压 图4 4 5a 开环缺相运行电压仿真波形 3 04 56 07 59 01 0 5 1 2 0 a n g l ed e g r e e 1 开环故障前稳态电流 2 开环故障后稳态电流 图4 4 5 b 开环故障前后相电流比较 输出电压的建立过程实质上是对滤波电容充放电平衡的过程( 见4 3 1 节) ，当 负载突变及缺相故障发生时，破坏了原有的平衡状态，系统通过自身调节重新达到新 的平衡。当发生缺相故障时，该相电流为零，其余两相继续工作。处于电压开环工作 状态时，控制参数保持不变，此时对电容的充电量小于负载的放电量，电压开始降低， 伴随输出电压的降低负载的放电量相应较小，同时，相电流的发电区面积相应增大( 见 4 3 1 节) 对电容的充电量增加，最终达到新的平衡状态。图4 - 4 5 a ，b 是开环时发 生缺相故障的仿真波形，可见，与上述分析一致。 当在电压闭环方式下发生缺相故障时，系统通过调节励磁电流以增大另外两相的 相电流，最终故障相的充电量由其余两相补偿，实现与负载电流泄放的平衡，输出电 压仍然保持原给定值( 2 7 0 v ) 。下图4 4 6 a ，b 为闭环方式下的仿真波形。 另外，由下图a 还可以看出，当输出电压重新达到稳态之后，电压纹波明显增大，这 是由于缺相造成总线电流不对称脉动加大的缘故。 通过上述仿真分析可知，s r 发电系统具有较高的容错工作能力，当发生缺相故障 蚰=5；弱弓侣伯5 o (v)lc曾与。 瑚啪垂| 伽 抛 伽 。 开关磁阻起动发电系统理论研究与工程实践 时，仍能保持较好的工作能力。 000 5 1o1 ，52 02 53 0 t ( s ) 闭环电压 图4 4 6 a 闭环故障运行时电压变化过程 4 7本章小结 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 1 53 04 56 07 59 01 0 51 2 0 a n g l ed g r e e l 闭环故障前稳态电流 2 闭环故障后稳态电流 图4 4 6 b 闭环故障前后相电流比较 本章首先介绍了s r g 作电压源的建压机理及输出特性，并在此基础上首次深入、 系统研究了s r g 的脉宽调制控制( p w m ) 、角度位置控制( a p c ) 、电流斩波控匍j ( c c c ) 的特点及其实现和发电性能。并提出一种新颖的全导通电流斩波控制的发电运行方 案，使得s r g 在发电运行可以不要位置信号，克服s r 电机必须要位置传感器的传 统观点。综合前面研究可得如下结论： ( 1 ) s r g 可以采用自励和他励两种发电模式，其自励模式的变换器外接电源容量 可以很小，仅仅提供初始时励磁能量，使得其系统的结构紧凑。他励模式则始终需要 外接励磁电源，而且不能开环空载建压，因此s r g 一般采用自励发电模式。 ( 2 ) a p c 方式、p w m 调压方案和c c c 方式均可以对s r g 发电运行进行有效地控 制。通过参数优化，均可使得控制变量与输出变量之间存在很好的线性关系，使得其 闭环控制器设计的非常简单，仅采用p i d 或p i 控制均可使得系统具有良好稳态特性 和动态特性。但它们各自的特点使得其应用的场合不同( 见4 4 4 节) 。 ( 3 ) 全导通斩波发电模式可以不需要位置传感器，大大简化了系统的结构，降低 成本，提高了系统的可靠性。全导通斩波控制的s r g 以低成本、高可靠性等优点可 以广泛地应用在能源利用率要求不高、环境恶劣等场合。s r g 可以进行全导通模式 发电本身证明了s r g 系统具有很高的容错性和可靠性。 ( 4 ) s r 发电系统具有很高的容错工作能力，当发生缺相故障时，通过闭环调节 可以使得输出电压稳定，仍能保持正常的工作。 一v)lu磐jnu 喜| 拗 瑚 m m 。 南京航空航天大学博士学位论文 参考文献 f 1 1c a f e r r e i r as r j o n e s ，e ta l ，“d e t a i l e dd e s i g ho f a3 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 s y s t e m f o rag a st u r b i n e e n g i n ea p p l i c a t i o n , i e e ei a v 0 1 3 1n o 3p p 5 5 3 5 6 1 ，1 9 9 5 2 1 s r m a c m i n na n dw d j o n e s ”av e r yh i g hs p e e ds 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 rf o r a i r c m f = 【e 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 f 3 1 李磊开关磁阻电机起动发电系统的研究与实践南京航空航天大学硕士论文1 9 9 8 4 】朱学忠刘闯张琦雪开关磁阻起动发电机研究技术报告南京航空航天大学1 9 9 8 5 c a f e r r e i r a 。s r j o n e s e t a l ，“p e r f o r m a n c ee v a l u t i o no fas w i t c h e d r e l u c t a n c e s t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e mu n d e r