（电力电子与电力传动专业论文）电励磁双凸极电机起动和发电系统的研究.pdf

电励磁取凸极电机起动和发电系统的研究 a b s t r a c t t h ed o u b l e - s a l i e n tm o t o ri sal l e wk i n do fa cb m s h l e s sm o t o r , w h i c ho f f e r sa n 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 y , a n dh i g h - s p e e dc a p a b i l i t y t h eu s eo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) c o n t r o l l e rs i m p l i f i e st h ec o n t r o ls y s t e m ， a n dm a k e si tp o s s i b l et oi m p l e m e n to p t i m i z e dc o n t r o la l g o r i t l m a s f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e s t h es t m c t u r ea n db a s i co p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h en e w e l e c t r o m a g n e t i cd o u b l e s a l i e n tm o t o rb r i e f l y t h e n t h i st h e s i si n t r o d u c e st h em e t h o d s o fc u r r e n tc o n t r o li nm o t o rd r i v e r ，t h em e t h o d so ft h ec u r r e n tc h o p p i n gc o n t r o li s s t u d i e di nd e t a i l s i nt h et h i r dc h a p t e r ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ed o u b l e s a l i e n t m o t o rs t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e mi si n t r o d u c e d a n dt h ep e r f o r m a n c eo fs t e a d ys t a t e a n dd y n a m i cs t a t ei ss t u d i e d l a s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g no ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 、o fd o u b l ys m i e n te l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t o r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r eo b t a i n e do nt h ep r o t o t y p e s ，w h i c hp r o v e t h a tt h et h e o r i e s a n d a n a l y s i sa r ec o r r e c t k e y w o r d s ：s t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e m ，b m s h l e s sd cm o t o r d o u b l ys a l i e n t m o t o r , d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，可以将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、缩印或其它手段保存论文。 作者签名： 日期： 南京航空航天大学硕士学位论文 一、缩略词与名称 缩略诃 s r m d s e m d s p f 2 4 0 7 b l t 注释表 名称 开关磁阻电机 电励磁双凸极电机 数字信号处理 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片 系统自检 二、基本符号与名称 含义 励磁装置磁导 取凸极电机励磁绕组的自感 a 相绕组与励磁绕组的互感 磁场储能 系统输入功率 转子角速度 负载转矩 磁阻转矩 励磁电势 固定关断时间 开通时间 开关频率 自感最大值 基本缩略词 d s p m p w m m c u p d p i n t a 名称 永磁双凸极电机 脉宽调制 微控制单元 保护中断输入引脚 含义 虚拟磁动势 a 相绕组自感 相绕组间互感 电机铜耗 电机输出转矩 系统的转动惯量 励磁转矩 变压器电势 磁阻电势 电流脉动值 电流脉动最火值 自感最小值 转子位置信号 枵巧乙b如 ， 砧 幻 小 钿。 册巧乙b如 ， 砧 幻 小 钿。 特嘶匆幻野 坼 乃 嘶，铀 电励磁双凸极电机起动和发电系统的研究 m p i l + i 5 d g n d s y m v s s a 斩波功率管驱动信号 负载电流 1 5 v 电源正端 数字地 综合电流比较信号 反向偏置电源 逆磁功率管驱动信号 怠速 模拟地 a 相电流有效值 正向偏置电源 比例积分 x d a 哳 协 埘 h a v 南京航空航天大学硕士论文 绪论 0 1 双凸极电机的发展历史及研究现状 在现代调速技术迅猛发展的8 0 年代，国外推出了交流调速的新品种开 关磁阻电机。开关磁阻电机结构简单，定、转子均为凸极齿稽结构，其转子上 无任何绕组，因此转子上没有铜耗，且转子结构非常坚固，特别适合高速运行， 其定子上只有集中绕组，制造工艺简单。因此，开关磁阻电机凭借其结构简单、 工作可靠、制造成本低廉等诸多优点，形成与其它电动机竞争豹潜在优势，在许 多场合得到广泛应用t 9 - 1 3 1 。 上世纪9 0 年代，著名电机专家t a l i p o 等人在深入研究开关磁阻电机的基 础上，提出在开关磁阻电机定子上( 或转子上) 增加一套简单的励磁装置1 - 8 1 ， 如永磁体。改进后的电机在结构上与原开关磁阻电机类似，仍呈双凸极结构， 故称为永磁双凸极电机。由于附加了永磁磁场，永磁双凸极电机在电机磁路、 运行原理、力矩控制特性和系统控制规律等方面与开关磁阻电机有较大的区别； 永磁双凸极电机的控制方式与无刷盲流电机相近，其性能上与直流电机调速系 统相近哪2 6 1 。 双凸极电机全周期内出力，力矩电流比大。国外初步研究表明，在额定功 率相同、外形尺寸基本一致的情况下，双凸极电机的力矩电流比是永磁无刷直 流电机的1 7 倍，开关磁阻电机的1 6 倍，同步电机的1 2 倍，感应电机的32 倍；力矩惯量比是永磁无届4 直流电机的5 8 倍，开关磁阻电机的1 4 倍，同步电 机的3 6 倍，感应电机的1 0 倍。 永磁双凸极电机不足之处在于：由于采用了永磁材料，电机高温环境运 行能力降低，削弱了开关磁阻电机原有的高温运行能力强的优势；因为励磁 磁场由永磁材料提供，发电时调压困难，且无故障灭磁能力，所以不宜用作起 动发电机。 1 9 9 8 年南京航空航天大学航空电源重点实验室在深入研究永磁双凸极电动 电励磁双凸极电机起动和发电系统的研究 机基础上，提出了一种新型电励磁双凸极无刷直流电机，并申请了国家发明专 利。这种新型电机可作为发电机运行，也可作电动机用。 电励磁双凸极电机具有下列特点1 2 3 1 ( 1 ) 励磁转矩远大于磁阻转矩，其大 小与电枢电流和励磁电流的乘积成正比，在电感上升区与下降区分别通以正负 电流，电机均产生正转矩：( 2 ) 不存在电刷和滑环；( 3 ) 转子结构简单坚固， 适合高速运行：( 4 ) 发电运行不需要位置传感器和可控功率变换器，调节励磁 电流司实现调压，故障时断开励磁电源灭磁，从而实现电机系统故障保护。 电励磁双凸极电机以其独特的结构和优良的电气性能正成为一种应用前景 看好的新型电机，可望成为一种有竞争力的新型无刷电机。 0 2 高压直流发电系统的发展现状以及数字控制系统的优点 2 7 0 v 高压直流电源将成为今后车载电源系统和飞机电源系统的发展方向和 必然趋势。目前高压直流电源己在美国第四代战斗机f 2 2 和直升机r a h 6 6 上 使用，国内此项技术尚不成熟。基于此，南航航空电源重点实验室开展了2 7 0 v 高压直流发电系统的国防预研工作。本文针对车载供电系统中双凸极高压直流 发电系统设计了电压调节器。 现代调压系统主要有模拟调压系统和数字调压系统，它们分别采用模拟控 制器和数字控制器。模拟控制器主要由模拟电路组成，存在模拟电路固有的缺 点，如调整参数困难，不易获得对各种状态均适合的电路参数等。近年来随着 数字芯片和控制技术的迅速发展，数字控制技术取得了长足的进步，采用数字 控制技术是今后控制技术发展的必然趋势。与模拟控制器相比，数字控制系统 具有以下明显的优势：可以采用先进、复杂的控制算法；调整控制参数简便， 只要通过修改系统的控制软件，就可以实时、在线修改；数字电路不存在模拟 器件漂移的问题，所以不存在参数变化的影响；具有数据通信和系统监视预警、 记录功能，便于实现信息共享和维护。 0 3 课题研究目的和内容 由于电励磁双凸极电机发电运行时调压简单，可实现故障灭磁，适合构成 起动发电系统，本文主要的研究对象电励磁双凸极电机，如无特殊说明，文中 双凸极电机均指电励磁双凸极电机。本课题的研究目的包括：1 、分析基于半、 南京航空航天大学硕士论文 全桥变换器的双凸极电机电流斩波控制的理论分析、仿真研究和部分试验研究。 2 、根据双凸极电机的数学模型，建立了起动、发电的仿真模型并进行了仿真分 析。3 、根据双凸极电机发电运行原理，设计并实现双凸极发电机数字调压器。 本课题得到国防十五预研基金、教育部博士点基金、航空科学基金等项目 的支持，本文对弼凸极电机系统进行了以下几方面的研究： 1 ) 双凸极电机电动和发电工作的原理。 2 ) 双凸极电机起动电流控制方法的研究。 3 ) 双凸极电机起动及发电系统的建模仿真方法。 4 ) 基于d s p 的电励磁双凸极发电机数字调压器的软硬件设计。 本文的主要内容包括以下六个部分： 1 ) 绪论主要介绍了双凸极电机的发展、高压直流发电系统和调压器的 发展和数字调速系统的优点。 2 ) 第一奇主要介绍了电励磁双凸极电机的基本结构、静态特性以及数学 模型，发电运行和电动运行时的工作原理。 3 ) 第二章首先介绍了双凸极电机起动系统所用变换器的种类，然后介绍 了常用的电流控制方法，最后针对不同变换器下电流斩波控制方法分别进行了 理论分析、仿真研究。 4 ) 第三章首先简要介绍了3 0 k w 双凸极无刷直流发电系统的构成，然后利 用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱和电力系统模块s i m p o w e r s y s t e m ，采用了 结构化和模块化的建模方法，建立了双凸极电机的起动、发电系统的动态仿真 模型。 5 ) 第四章主要介绍电励磁双凸极电机数字调压器系统的硬件和软件部分 的实现。 6 ) 第五章详细介绍了发电系统实验的条件、过程、方法以及试验数据。 电励磁敢凸极电机起动和发电系统的研究 第一章双凸极电机的结构、特性和工作原理 本章介绍了双凸极电机的结构、电磁特性和数学模型，并在此基础上讨论双 凸极电机电动和发电运行的工作原理。 1 1 双凸极电机的结构 ( a ) 永磁双凸极电w l( b ) 电励磁双凸极电机 图1 1 双凸极电机结构示意图 双凸极电机结构与开关磁阻电机相似，继承了开关磁阻电机结构简单，适合 在高速和恶劣的条件下运行等优点。双凸极电机在定子上除了安装有三相电枢 绕组以外，还安有励磁机构，根据励磁方式不圊，可安装励磁绕组和永磁体。 图1 1 ( a ) 为永磁双凸极电机结构示意图，( b ) 为电励磁双凸极电机结构示意 图。 本文主要研究电励磁双凸极电机，定转子均为凸极齿槽结构，并由硅钢片叠 压丽成，转子无绕组，相差1 8 0 。机械角的两个电枢绕组相互串连形成一相。设 计定子极弧为定子齿距的l 2 ，这样可保证所有极下的转子齿和定子齿的重叠角 之和恒等于一个定子极弧长度，面与转子位置无关。 1 2 双凸极电机的电磁特性 双凸极电机的静态特性主要指电机静态时各参数随转子位置角和电流变化 南京航空航天大学硕士学位论文 的特性。由于电机内磁场的分布复杂，若同时考虑到磁路饱和以及边缘效应的 影响，电机的磁链、电感以及转矩相对应转子位置和电流的变化难以用解析的 方法表示出来，而常用一簇曲线来表达。用有限元方法对电机的非线性磁场进 行仿真研究可以比较精确地得到电机的静态特性，这方面研究发现转子位置对 电机的各参数特性影响较大。为讨论方便，忽略电机的磁路饱和及边缘效应的 影响，也就是近似认为电感与电流无关，称这种简化的电机模型为线性模型。 双凸极电机的等效磁路如图1 2 所示，其中g f 和f f 分别为励磁装置磁导和 虚拟磁动势；g o 、g b 和g 。分别为a 、b 、c 三相定予齿与转子齿之间的气隙磁导。 定转子齿间气隙磁导与定转子重合角有关，而定转子的重合角可表示为转予位 置角的分段线性函数，如图1 3 所示，其中、a 6 和n 。分别为各相定转子重叠 角，图中重叠角不变的区域对应于转子极弧比定子极弧宽的部分。为方便讨论， 定义合成气隙磁导g 一倪+ g 6 十倪，它与电机定转子齿重叠角之和成正比。因为 双凸极电机定转子齿重叠角与转子位置角无关，所以合成气隙磁导为一常数。 圈三 - ； 二至；二至， _ 口j 口口 坼 - l i 一 气 i l i。 ；i 少气 n 图1 2 电励磁双凸极电机等效磁路图图1 3 各相定转子重叠角和转子位置角关系图 由等效磁路图可以得到以下结论 1 - 9 ： ( 1 ) 双凸极电机励磁绕组的自感西为一常数，即 l ，= n j z ( g ，g 。) ( 1 1 ) 其中肌为励磁绕组匝数。 ( 2 ) 相绕组自感厶与转子位置角呈分段线性关系，即 l 。：g 。 ( 1 - 2 ) 其中。为相绕组匝数。 ( 3 ) 相绕组与励磁绕组的互感厶r 与转子位置角也呈分段线性关系，即 三“n 。n r g 。 ( 1 。3 ) ( 4 ) 相绕组与励磁绕组互感厶，与相绕组自感厶的比值等于励磁绕组匝数 电励磁双凸极电机起动和发电系统的研究 与相绕组匝数的比，该比值为一常数，设为t ，即 ：生：生 l 。n 。 ( 5 ) 相绕组间互感厶6 ( 以a 、b 两相为例) 较小可以忽略，即 三“= 2 雨g a 。百g d “。 1 3 双凸极电机的数学模型 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 双凸极电机的数学模型包括磁链方程、电压方程、功率方程、转矩方程和 机械方程。这些数学模型描述了双凸极电机主要物理量之间的关系，是进行双 凸极电机理论研究的基础1 2 9 - 3 2 1 。 ( 1 ) 磁链方程 m = 闳【，】 ( 1 6 ) 其中以三相电机为例，式中各参量分别为砂】= 陋】_ l ，0 0 l 。f 0 l 6 0 l 6 ， 00 l 。l 。， l ml $ l i ( 2 ) 电压方程 。 j 。 i f 。 虬 - u 】= 小 明i d i s + a 击 l f ，】 ( 1 7 ) 引u a 其中，阴= i ；? l ，【r 】= l u cl u i ( 3 ) 功率方程 r 。0 0 r 00 00 00 00 r 。0 0 r ， 堕! 堕堕壅奎堂堡主堂焦丝苎 气2 阱m 埘懈盯i d i l l 阱 阶i d e l = m 州+ 扫掣明+ j d ，( 渺1 卅d 。1 根据各项的物理意义，公式( 1 8 ) 可写成如下形式 圪= 瓦+ ，q + 篆( ) ( j 9 ) 其中，哆2 三1 p f i l l p 】为磁场储能，最。= ( ，r 泳 p 1 为电机铜耗，p ，。为电 芋凡从系统输入的功率，t 为电机输出转矩，嘶是转予角速度。 ( 4 ) 转矩方程 r = 拶1r 掣吲 ( 1 l o ) 瓦= 乙+ 乙= - 等，- 等 m 其中，7 k 为磁阻转矩，它产生原理与开关磁阻电机磁阻转矩的产生原理是样 的，是电枢绕组随转子位置的不同，由相绕组自感变化而产生的；为励磁转 矩，是相绕组随着转子位置的不同，电枢绕组与励磁绕组的互感发生变化而产 生的。 ( 5 ) 运动方程 t - 正：，_ d 6 9 r( 1 1 2 ) 其中，为系统的转动惯量，t 为合成转矩，乃为负载转矩，为转子角速度。 1 4 双凸极电机工作原理 1 ，4 ，1 电动工作原理 双凸极电机和开关磁阻电机一样，都是以脉动磁场方式进行工作，但由于 励磁绕组或永磁体的存在，工作原理又有较大区别。最主要的不同在于：开关 磁阻电机输出转矩是磁阻转矩，而双凸极电机输出转矩是由励磁转矩和磁阻转 矩合成。 由式( 1 1 1 ) 可知，电励磁双凸极电机的磁阻转矩为 电励磁取凸极电机起动和发电系统的研究 ( 1 1 3 ) 可见，磁阻转矩和电流方向无关，只和自感变化率有关，在电感上升区间为 正，下降区间为负。图1 4 为电励磁双凸极电机的磁阻转矩波形。 娄 黝黧黝 i ； 。一 芦 1 藤熙；殇嘲 l l f 卜场谥卜 图14 电励磁双凸极电机的电感特性图1 5 电励磁双凸极电机三相自感特性 和磁阻转矩波形和励磁转矩波形 由( 1 1 1 ) 可知，电励磁双凸极电机的励磁转矩为 a ， 乙= f 。i j ：箸 ( 1 1 4 ) u 叮 由于励磁电流一般不改变方向，所以励磁转矩的正负只和相电流的方向以及 电感的变化率有关。若要输出正的励磁转矩，可在电感上升区间通正电，下降 区通负电。图】5 为电感上升区间通正电、下降区间通负电的情况下，电励磁双 凸极三相自感特性和励磁转矩波形，由图可见，不论在电感上升区间还是下降 区间，励磁转矩均为正。 1 ，4 2 发电工作原理 当双凸极电机励磁绕组通电且转子在外力作用下转动眨，各相电枢绕组匝 链的励磁磁链不断变化，变化的磁链在电枢绕组产生感应电势。以电枢绕组外 接阻性负载为例，电枢电流的方向与感应电势的方向一致，电机工作于发电状 态。以发电机的电流电压参考方向为准，由电机电枢绕组的电压方程式( i 7 ) 可得电压方程( 以a 相为例) 南京航空航天大学硕士学位论文 叫 等一鲁+ 。鲁+ k 百d i i 假设稳态时励磁电流不变，同时忽略电机内阻，电枢电压方程为( 以a 相 为例) 铲等屯d 出l 4 + i ，百d l f t s ) 其中p 。：一上。! 是由于电枢电流变化引起电枢磁链变化而感应的电势，称为 d t 变压器电势；e ，- - - - i j d l f a f 是由于转子位鼍变化，励磁磁链随之变化而在电枢绕 组中感应的电势，称为励磁电势；e 。= 一i 。竺! 是由于转子位置变化，电枢绕组 “ 闭合磁路磁阻随之变化，由电枢电流产生的磁链变化并在绕组上感应的电势， 称为磁阻电势。 励磁电势和磁阻电势是由于电机转子转动产生的，是运动电势，它们与电 机的机电能量转换直接相关。图1 6 画出了在励磁电流和输出电流恒定条件下， 励磁电势和磁阻电势相对各相电感的波形。励磁电势为交流量，它的幅值与励 磁电流的成正比。磁阻电势与电枢电流成正比。 缓辞邕黎孝巧剜l；眩z 剜j 鳟髦斜髦。9 淫条擎。 司ll ；幽ll 】幽8 ( a ) 各相励磁电势 电励磁取凸极电机起动和发电系统的研究 ! ； ， i j 。 1 4 岬h “4 “卅2 一i 二蓬。d 吕。葛蓬。j 凶一j 日? “# 。删? # “”“j f b ) 各相磁阻电势 圈1 6 取凸极电机运动电势示意图 凰l 一双凸撮电辊空载对各楣线趣医 双凸极发电机空载时相电流为零，这时变压器电势和磁阻电势均为零，只 有励磁电势起作用，发电机的空载线电压如图1 7 所示。在加载后，电机变压器 电势和磁阻电势将受输出电流的影响。 从双凸极电机发电工作原理可知，双凸极电机输出励磁电势大小和励磁电 流有关。通过控制励磁电流就可以控制双凸极发电机输出电压，其发电过程不 需要转子位置传感器。这是双凸极电机作为发电机的个优势。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章电励磁双凸极电机起动控制方法的研究 电励磁双凸极电机控制系统常用的功率变换器有三相全桥电路、三相半桥电 路和三单相全桥电路。三相全桥变换器控制比较简单，需要的功率器件比较少( 每 相2 个) ，但控制不够灵活；半桥变换器比全桥变换器多一个电容，但每相可独 立控制；三单相交换器控制灵活，但是所需功率器件多于前两种电路( 每相需要 4 个) ，这点限制了它的实际应用。因此实际应用中一般采用三相全桥变换器 和三相半桥变换器。 与其它无刷直流电机一样，电励磁双凸极电机起动控制系统也是由双凸极电 机本体、位置传感器、直流电源、功率变换器及控制器组成。其中控制器功能是 根据电机运动状态、三相电枢电流控制功率变换器，从而实现对电机运动状态的 控制。 图2 1 双凸极电机控制系统结构框图 起动系统中电流控制方法一般有p w m 、滞环和电流上限斩波控制等控制方 式。p w m 工作方式的优点是开关频率恒定，不需要稳频电路；缺点是存在控制 延时，最大延时时间为一个载波周期。滞环控制工作方式优点是电流跟踪性能好， 响应速度快，电流环稳定，限流特性好，无超调：缺点是开关频率不稳定受许 多因素影响，特别与电机转速的关系很大；且频率过高则开关损耗较大，频率过 低则电流响应较慢，同时会使电机电流质量下降，所以需加稳频电路。电流上限 斩波控制方法的优点是：一定转速和工作电流下，通过改变关断时间来调节开关 频率，保证开关频率处于一个合理的范围内；相绕组电流的上限得到有效控制， 能够保证相绕组电流不会超过设定的最大值，减小启动电流的冲击。电流上限斩 电励磁双凸极电机起动和发电系统的研究 波控制方式是一种折衷方案，它同时具备p w m 控制方式和滞环控制方式的优 点，即最高开关频率和电流上限都受到控制。缺点是电流下限与电机的运动状态 有关啦- 3 3 1 。 采用电流斩波控制方式时，必须对固定关断时间d f 。圹进行研究，以便得到合 适的开关频率及电流脉动。下面分别对不同变换器下电流斩波控制进行分析，对 不同电感区间内关断时间和电流脉动、开关频率、转速之间的关系进行理论分析 和仿真研究。 下文首先对基于半桥变换器电流斩波控制进行研究，接着对基于全桥变换器 的斩单管和斩双管进行研究。 2 1 基于半桥变换器的电流斩波控制的研究 2 1 1 电流斩波控制的原理 图2 2 三相半桥变换器与三相电枢绕组的等效电路图 ：芝鳃，之算慕_ 、! | 兰鲡i 衍 五卅 烈篓越 f i i l lll i i j ： l j 一 i 卜 图2 3 电机电感曲线和三相电流波形 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 2 、2 3 分别为三相半桥变换器与三相电枢绕组的等效电路图和双凸极电 机电感曲线、三相电流波形。图中，u 为壹流电源电压，乃为功率管，d ， d 6 为续流二极管，厶、厶、l 。为三相绕组自感，上驴三驴三盯为各相绕组与励磁 绕组之间的互感，、i b 、i 。为三相电枢电流。 下面研究双拍工作模式下的电流斩波控制。以。相为例，在电感上升区，电 枢绕组通正电，乃开通时，d 相电压为u 2 ，电枢电流增大。当电流达到上限时， t 1 关断，口相电压为一u 2 ，电流下降。经过固定关断时间4 协后，乃再次开通。 在电感下降区，电枢绕组通负电，i 4 开通时，相电压为一u 2 ，电枢电流负向增 大；当电流达到上限时，瓦关断，口相电压为u 2 ，电流下降，经过固定关断时 间一切后，乃再次开通。下面分电感上升区和下降区分别讨论。 2 1 2 理论分析 首先分析电感上升区的情况，在电感上升区，开关管开通时口相电压方程为 ( 为了简化分析，忽略绕组电阻) 等吒鲁+ 屯百d l a + 。鲁 泣， 整理得 k 簧= 警- 鲁 泣z ， l 。瓦2 i 叫。i 叫7 百 幢2 式中，z j i 为电流脉动，a t 。为开通时间a 开关管关断时，电流通过续流二极管续流，电枢绕组两段的电压为一；，即 一善咆虿d i o “鲁+ f ，i d l p a ( 2 ，) 整理得 匕惫= 托鲁q 等 。， 令等咄，鲁吐，代入加心舢得 电励磁双凸极电机起动和发电系统的研究 由式( 2 4 ) 得 a t 。= 三。f k l i 。0 9 一k 2 i j 出 白2 5 磊l , a i ( 2 5 ) ( 2 6 ) i u 够+ k l i 。够+ 孟2 0 够 a i = 。( 2 7 ) l 。 显然，在u 、i 。、口、d 够及f ，确定的情况下，最大电流脉动4 j 。出现在最小 电感厶。处，即 罢r + 后l f 酊+ 七2 f ，f 够 a 。= j ( 2 8 ) 开关管开关频率厂为 ，1 ：! 一一一孥型丛生立垡l ( 2 9 ) r = 一 t ，vj 。 + a t o 4 u ( 罢+ 科k 2 ) a t 西 同理由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可得在电感下降区有( 为与电感上升区区别，下降区 几个变量加上标) 4 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 誊一 一u 一2 一u 一2 i i = 州 铲 出 城 些 哗 如 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 等一七l 屯一k 2 i f o ) ) a t 盯 0 。、= 生- 一 ( 2 13 ) - d r a i n 厂，：姿二垫：! ! 些：丝竺： ( 21 4 ) 。4 u ( 罢一膏，俨f ，七：o j ) a t 。 下面对开关频率和电流脉动等有关变量进行分析，研究各变量之间的关系， 为开关时间选取提供理论依据。 在电感上升区，由式( 2 4 ) 可见 l 扛( 罢+ 尼t i a ( o + 尼j ：c o ) 出够i u 锄 ( 2 1 5 ) 显然 。a i 等嘞 ( 2 1 6 ) 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 9 ) 得 r ；竺二垫玉生生些：兰l 上( 2 1 7 ， 。4ul。ai4 l 。a i 2 a t 一 在电感下降区，由于双凸极电机的励磁转矩= k 2 i n i 远大于磁阻转矩 瓦，= o , 5 k l 2 ，即ik 2 i ，i l o 5 k ，f ，又有k l i y o ，所以 k t i 。+ k 2 i r ， o 罢切一眦 a t o f f ( o + f 七：l i t 印1 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ，：j 一 1 u 一2 ki f ( o ( 2 3 7 ) 因此4 f 。副幻， 由式( 2 3 5 ) 得电流脉动值和其它量的关系 扯警 眩，s ， 设电感最大值和最小值分别为三一和l 。，在o s - 0 2 区间l 。+ 厶= c o n s t ，在 一，；有2 l a = l m i a4 导笋 = z 丽i q = l a a r 纠+ 舡“卜牡。 由式( 2 3 5 ) 、( 2 3 6 ) 、( 2 3 7 ) 得 1 ，一2 肼，m 2 蕊a t o 3 - 2 u a t o y 2 3 9 。 o + 同理可以得其它导通区间的电流变化率、电流脉动和开关频率的表达式， 如表2 1 所示。 电励磁双凸极电机起动和发电系统的研究 表2 1 斩般管各个导通区间电感、开关频率和电流脉动值的关系 l 角度导通相导通相电感之和( z ) 开关频率，电流脉动值出 0 ，0 j n b 工：= 鲁k 。+ ( z 一鲁) l m 。 u 一2 tf 。c o a i ： ，)ri(u+2k2i 2 u a t , 6 7 三， 上，2c + 丢，+ c ，一鲁，。同上甄： 七2 圆- t e t ，e 2 口c 三， 0 2 ，e 3b ，c如同上f j 0 3 ，0 4口b 二， 同上 4 如 0 4 ，0 5以c厶同上 n i 8 5 ，8 6b ，c 三 同上 4 吐 由表可知，通电的两相电感之和在各个区间的大小不等，但其值只有两种 情况。 、 2 2 2 斩单管方式的理论分析 斩单管方式，以a 、b 两相为例，两管开通时情况一样；当电流达到上限时， 功率管t 。关断，a 、b 端的电压为0 ，电流下降。经过固定的关断时间后，功率 管t ，开通，整个过程中全桥变换器只有上管处于开关状态。 根据同样的分析方法可以推导出全桥变换器下斩单管时各个导通区间电感、 开关频率和电流脉动值的关系，如表2 2 所示。 表2 2 斩单管各个导通区间电感、开关频率和电流脉动值的关系 i 角度导通相导通相电感之和( l ) 开关频率， 电流脉动值f 。，目， ab 厶= 鲁k 。+ ( 2 鲁) k 。 u 2 i 坞i f ，功 t ：2 m 硝 u a t 硝 e | ，e 2 州l + 鲁) 厶掰+ ( 1 一鲁战。 同上 2 k 2 i y c o a t 啊a i 口c = 二旦 厶 8 2 ，0 3b ，c岛 同上 4 f 1 曰3 ，0 4口，b 三 同上 血f 2 0 4 ，酊口c 岛 同上 j ， e 5 ，9 6 b ，c工， 同上 a i 2 由表2 1 、2 ，2 可见斩双管和斩单管的开关频率在一定的电枢电流、励磁电 南京航空航天大学硕士学位论文 流、转速、关断时间的情况下，开关频率均为固定值，电流脉动情况也类似。下 面主要针对斩双管的控制方式进行仿真和试验研究。 2 2 3 分析与比较 由式( 2 3 7 ) 可见，功率管开通时间要大于关断时间，且彳与4 切的差值 随着转速增大而增大。因为随着转速上升，电枢绕组产生的反电势越来越大，使 得在功率管导通时电流变化率越来越慢，而在功率管关断时，电流变化率越来越 快，因此在固定的关断时间内电流下降的越多，而电流重新到达斩波限的时间越 长，所以开关频率随着转速上升而下降。 由式( 2 3 6 ) 、( 2 3 9 ) 可见在电机参数不变时，功率管的开关频率和电枢电流 无关，只和转速、关断时间和励磁电流有关。开关频率随着转速和励磁电流增大 线性下降，随着关断时间增大而减小。当c o = o 时，关断和开通时问相等，这时 开关频率最大 ， 1 m “2 2 a t ( 2 - 4 0 ) 在一定的转速和励磁电流下，关断时间的o u 选取决定了电流脉动和开关频率。 且不同导通区间的电流脉动大小不完全相同，所以要兼顾不同的导通电流脉动， 合理选择关断时间以保证电流脉动和开关频率在一个合理的范围内。 2 2 4 仿真计算与实验结果 图2 1 0 不同关断时间时，转速和开关频率的关系曲线 电励磁双凸极电机起动和发电系统的研究 下面的仿真参数和21 节中的仿真参数相同。图2 1 0 是电枢电流为5 5 a 时， 不同关断时间时，转速和开关频率的关系曲线。可见开关频率随着转速增大而线 性下降，开关频率和转速的比值随着关断时间减小而增大；随关断时问增大而减 小。 q ， 。二每7 j 一一，7 ” ； 一zy ，曩 图2 1 l 通电回路电感值较大区间内电流脉动和转速的关系曲线 图2 1 1 是关断时间为趿5 时，通电回路电感值较大区间内电流脉动和转速的 关系曲线。可见电流脉动随着转速上升而变大。电感值较大区间在整个导通区间 内占了较大的比重，因此在选择关断时间主要考虑通电相电感之和较大的区间， 同时兼顾通电相电感之和较小的区间，从而保证系统处于良好的工作状态。 图2 1 2 、2 。1 3 为n = 1 5 0 0 r - m i n - o 时部分电流波形，关断时间取4 0 y s ， 厂_ 4 24 k h z ，在( 0 ，矿) a i l = 0 3 7 a ，在( 6 0 ，3 0 0 ) a i 2 = o1 6 a 。 2 1 2 19 与8 17 16 a 7r 一入7 一p f ：娩：眈i 。v 。 4 t i m s 56x o 1 图2 1 2 在( 0 ，矿) 部分电流波形 图2 1 3 在( 矿，3 0 。) 部分电流波形 最后本文通过一台双凸极电机和数字控制器构成的实验平台进行了试验验 证，系统的参数和仿真参数一致。图2 1 4 ( a ) 为电机在关断时间为4 0 y s ，转速 n 为1 0 0 0r m i n 。时，电流斩波上限为1 4 时，图( b ) 为关断时间为2 0 s 时，转 南京航空航天大学硕：十：学位论文 速n 为1 5 0 0r r a i n 。时，斩波限为2 a 时的电流波形，由实验波形可以看出在一个 导通周期内电流脉动为两个大小不等的值，电流脉动值较大所占的时间较小。图 2 1 5 为电流波形拉开图，可见电流斩波控制时开关频率固定，电流波形类似滞环 控制的电流波形，试验结果与理论分析和仿真分析结果吻合。从而验证了理论分 析和仿真研究的正确性。 一7 。_ + 一i _ | ：卜一： 0 ( 叶；? 叠带 ：嘲一 。jl ：】- 圄 ? 。f 1 。埘i 1 婶：i _ 婶j i ! l 一 一 ： m i d ，m 口m 9 _ j i 黼：。 ：。 w 旷胛 囝 i_ i ! 。】： 耐 ；- ：、i 埘 卜 l ：童蠹三二二j ( a ) 电流斩波限为1 a ( b )电流斩波限为2 a 图2 1 4a 相电流波形 ； 。 ，。；k j! 弧鹃黼熟剿满藕档峨 图2 1 5 电流斩波限为2 a 时的电流波形拉开图 2 2 5 结论： ( 1 ) 全桥变换器的电流斩上限电流波形与电流滞环控制类似，但电流脉动 值是由通电回路电感决定的，因此在电流上限一定时，合理选择关断时间是保证 系统正常工作的关键。 ( 2 ) 在斩双管时，功率管的开通时间大于关断时间，电机的开关频率与电 电励磁职凸极电机起动和发电系统的研究 枢电流无关，随着转速的上升而下降。电流脉动最大值出现在导通相电感之和较 小的区间，电流脉动值随着转速的增大而增大。 ( 3 ) 电流斩波控制方法可以有效的控制电流年n g t - 关频率，通过改变关断时 间的大小，将电流的脉动值和开关频率控制在合理的范围内，使系统处于良好的 工作状态。 ( 4 ) 斩单管和斩双管控制方式的比较，斩单管方式下开通时间和关断时间 之间没有严格的大小关系；同样的开关频率下，由于斩单管只有个管子处于开 关状态，因此斩单管的开关损耗小于斩双管；同样的关断时间和转速情况下，斩 单管时由于关断状态下电流处于自然续流，因此电流脉动小于斩双管， 2 3 小结 本章主要