（电力电子与电力传动专业论文）电励磁双凸极起动发电机系统研究与实践.pdf

电励磁双凸极起动发电系统研究与实践 a b s t r a c t d o u b l ys a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cs t a r t e r g e n e r a t o ri n t e g r a t e st h ef u n c t i o no fs t a r t i n g e n g i n ea n dg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y a n da l s oh a st h ec h a r a c t e ro fs i m p l es t r o n gs t r u c t u r e e x c e l l e n te l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ea n dh i g hs p e e dc a p a b i l i t y t h i st h e s i si sd e v o t e dt ot h e t 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 c t i c eo n1 2 8p o l ed o u b l ys a l i e n te l e c t r o - m a g n e t i c s t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e m t h ep a p e rm a i n l ya n a l y z e ss t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n da r m a t u r e r e a c t i o no f d o u b l y s a l i e n te l e c t r o - m a g n e t i cs t a r t e r g e n e r a t o r , i m p l e m e n t sd o u b l ys a l i e n t e l e c t r o m a g n e t i cm o t o rd i g i t a lc o n t r o ls y s t e ma n da c c o m p l i s h e st h es i m u l a t i o nr e s e a r c h o i lt h er o t o r p o s i t i o ne s t i m a t i o n o f d o u b l y s a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cm o t o r f i r s t l y , t h e b a s i cs t r u c t u r ea n do p e r a t i o n p r i n c i p l e o fd o u b l ys a l i e n tm o t o ri s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e n ，t h i st h e s i ss t u d i e st h es t a r t i n ge n g i n ec h a r a c t e ro fd o u b l y s a l i e n t e l e c t r o m a g n e t i cs t a r t e r g e n e r a t o r , a n a l y z e s t h ei g b to f f - a n g l ei n f l u e n c eo n s t a t o rc u r r e n ta n da l s op r e s e n t ss i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lw a v e f o r m s 、t h ep a p e r b u i l d st h e g e n e r a t o r s i m u l a t i o nm o d e li nm a t l a ba n d a n a l y z e st h e s t a t o rc u r r e n t i n f l u e n c eo ns t a t o rv o l t a g e t e s ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r es h o w na tt h es a m e t i m e b a s i n g o nt h e a n a l y s i s o f d o u b l y s a l i e n t e l e c t r o m a g n e t i c m o t o r t h e o r y ，t h ep a p e r h a s a c c o m p l i s h e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fd o u b l ys a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cm o t o r d i g i t a lc o n t r o ls y s t e ma n da l s oe x p e r i m e n t sw i t hp r o t o t y p e t h e n ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e s h o w na n dd e m o n s t r a t et h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r e t i c a ls t u d ya n d d i g i t a ls i m u l a t i o n t h et h e s i sa l s os t u d i e sak i n do fm e t h o do f d o u b l ys a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cm o t o r r o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o n ，a n a l y z e st h e p o s s i b i l i t y o fd o u b l ys a l i e n t e l e c t r o - m a g n e t i c m o t o rs e n s o r - l e s sc o n t r o la n d p r c s e m s s i m u l a t i o nr e s u l t sa tl a s t k e yw o r d s ：d o u b l ys a l i e n tm o t o r ；s t a r t e r g e n e r a t o r ；e l e c t r o m a g n e t i c ；d s p s t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ；a r m a t u r er e a c t i o n ；p o s i t i o ne s t i m a t i o n 南京航空航天大学硕士学位论文 绪论 0 1 引言 在交流调速技术迅猛发展的8 0 年代，随着电力电子技术的发展，出现了开关磁 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 ) 调速驱动系统。开关磁阻电机( s r m ) 的结构非常简单，定、转子都是凸极齿槽结构，转子是简单的迭片结构，没有绕组和 磁钢结构坚固且经济，因此可以在高转速下运行，其定子集中绕组可以成型绕制好 在嵌入定子槽，这使得定子装配工艺简单，制造成本低，冷却方便。由于开关磁阻电 机转子没有绕组和永磁体，转予结构对温度不敏感，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。 上世纪9 0 年代，著名美国电机专家t a l i p o 等人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，如永磁体。改进后的电机 在结构上与原开关磁阻电机类似，仍曾双凸极结 构，具备s r m 上述诸多优点，故称永磁式双凸极 电机( d o u b l y s a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r , 简称 d s p m ) 1 2 3 , 4 ，如图o 一1 。由于附加了永磁磁场， 永磁式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 围。一1 双凸极永磁宅机截面固 有较大区别；在控制上与无刷直流电机相近，其性能上与直流电机调速系统相近。研 究结果表明：d s p m 具有效率高、能量转换率高、力矩电流比大、控制灵活等优良性 能【2 0 0 。j 。双凸极永磁电机是调速市场的新成员，从它的诞生开始就引起国内外许多 学者的关注。 0 2 研究现状 国内浙江大学、华中科技大学、东南大学等率先开展对双凸极永磁调速电动机研 究，包括电机设计、磁场计算及系统控n t 4 , 5 】等。研究结果也充分地肯定双凸极永磁 电机性能的优越性。 参数计算是电机设计和性能分析的基础和关键，由于d s p m 电机极顶的深度磁 饱和，极和槽的边缘效应，以及永磁磁场和电枢反应磁场的耦合作用，使得d s p m 电机的参数计算困难。使用有限元法( f e m ) 分析不同转子位置和不同负载电流时的 磁场分布，从而可以比较准确地求得d s p m 电机地静态特性【6 。另一种分析方法一 非线性变网络磁路法( v n m c ) ，可以快速、有效地计算d s p m 的静态特性，且具有较 高的准确性【s t 。 与其它双凸极电动机( 如开关磁阻电动机) 一样，d s p m 也存在转矩脉动问题，文 电励磁双凸极起动发电系统研究与实践 献f 9 】对双凸极永磁电机的转矩脉动进行了深入的分析，得出影响转矩脉动的主要原 因是永磁磁链波形和绕组导通时的开关角组合。在此基础上，进一步提出了减小 d s p m 电动机转矩脉动的开关角调节法和转子斜槽法一j 。 针对双凸极永磁电机调速系统转速与转矩、电流等参数具有很强的非线性这一特 点，文献 1 0 】提出一种适合单片机实现的变参数p i 控制模型，并用遗传算法求解其参 数。为拓展d s p m 电机的恒功率运行范围，文献 1 1 1 提出了一种新型分裂绕组双凸极 永磁电机的控制方法。 文献【1 2 】在对单边激励双凸极电机( s e d s 电机) 深入理论研究的基础上，提出了 种新型的单相双凸极永磁电机( s p d s p m ) 。 南京航空航天大学也是国内最早开展双凸极电机 研究的单位之一，对双凸极电机作调速电动机及发电机 应用都进行了研究；并在以前研究的基础上提出电励磁 式双凸极电机 13 1 ，用安装在定子上的励磁绕组来代替永 磁块提供励磁能量，如图o 一2 为电励磁式双凸极电机 截面图，可通过调节励磁线圈大小，调节电机磁场强度， 很方便地控制电机转矩大小或输出电压，因此控制更为 灵活。 0 3 双凸极起动发电系统 围o - 2 双凸撩电勋磁电机截面固 起动发电机是利用电机的可逆原理，让机载的发电机兼作发动机的起动机，一 台电机两种用途，减少了机载设备的体积和重量，有效地提高了整个机载电气系统的 可靠性，因此，实现起动发电双功能是先进飞机、机车、舰船等电气系统发展的一 个重要方向。双凸极电机也具备起动发电双功能。 双凸极起动发电系统由双凸极起动发电机、双向桥式变换器、数字控制器及调 压器等基本部分组成，图o 一3 为双凸极起动发电系统组成框图。双凸极起动发电机 为两级结构，在同一壳体内装有台永磁励磁极、一台主发电机和位置传感器，主发 电机为1 2 8 极电励磁双凸极电机，功率1 8 千瓦。永磁励磁机采用1 2 8 极永磁式双凸 极电机，功率l 千瓦。永磁励磁机给主电机励磁绕组供电。主电机既作电动机也作发 电机。 图o 3 双凸极起动发电系统 南京航空航天大学硕士学位论文 双凸极起动发电机工作于起动模式时，外接电源给主电机的励磁线圈通电，控 制器根据位置传感器的位置信号，控制双向桥式变换器开关管的通断，给对应的相绕 组供电，使电机产生一个固定方向的转矩，带动发动机旋转；当双凸极起动发电机 工作于发电模式时，发动机带动电机旋转，控制器封锁桥式逆变器的功率管，励磁绕 组由励磁机供电，由于转子旋转，电机三相电枢绕组的磁通发生变化，产生- - $ h 交变 的感应电压，通过二极管整流电路，输出直流电能。若负载或转速变化时，可通过控 制发电机控制单元( g c u ) 来调节励磁绕组的电流大小来维持恒定电压输出。 0 4d s p 数字控制技术在电气传动中的应用 随着信息技术的发展，数字信号处理芯片d s p 芯片的问世，使得数字化控制 在电气控制领域的应用有了飞速的发展，也成为主要的发展趋势之一。d s p 与一般微 处理器的主要区别在于指令处理速度极快、指令功能强大，其中适用于控制领域的 d s p 芯片还有丰富的外设模块，可以提高系统的集成度。 近年来，d s p 在电气传动领域得到了广泛的应用。d s p 在异步电机的控制中发 挥着重要的作用，比如，感应电动机矢量控制、无速度传感器异步电机矢量控制、 s v p w m 控制、直接转矩控制以及变频调速等 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 。同样，d s p 在无刷直流电 机控制、无位置传感器无刷直流电机的控制、步进电机控制、开头磁阻伺服系统以及 开关磁阻电机间接位置检测技术等方面也得到广泛应用。 1 9 , 2 0 , 2 1 , 2 2 1 9 9 7 年美国t i 公司出品的电机控制专用d s p 产品t m s 3 2 0 f 2 4 x 系列芯片与单 片机相比，d s p 具有更高的集成度和运算速度，t m s 3 2 0 f 2 4 0 执行速度达2 0 m i p s ， 几乎所以的指令都可以在5 0 n s 的单周期内完成f 2 引，如此高的性能可以对非常复杂的 控制算法进行实时运算。t m s 3 2 0 f 2 4 0 具有用于高速信号处理和数字控制功能所必须 的特点，同时具有电机控制应用所需的外设功能，例如：1 2 路可编程p w m 通道， 双l o 位a d 转换器及捕获单元。本系统采用的是t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片，由于 它所具有的适于电机控制的外设功能，使得双凸极电机的控制简单、灵活。 o 5 本文的主要内容 笔者在硕士阶段对双凸极起动发电系统中起动运行中点电压对特性影响问题、 发电时电枢反应、无位置传感器方案进行了专题研究，并进行仿真分析及实验。在硬 件上完成d s p 数字控制器、多路输出辅助电源的设计、调试，并进行了系统调试及 实验。 ( 1 ) 序论主要介绍双凸极电机的发展及研究现状、d s p 在电机控制中的应用和 主要的研究内容。 ( 2 ) 第一章双凸极无刷直流起动发电机的结构及工作原理主要介绍双凸 极起动发电机的基本结构、电机电动及发电运行的基本原理。 ( 3 ) 第二章双凸极电机起动特性分析主要分析电磁式双凸极电机在全桥变换 电励磁双凸极起动发电系统研究与实践 器下工作时，关断角对相电流的影响。分别分析低速和高速下关断角对电机相电流、 输出转矩的影响，并给出实验结果验证分析。 ( 4 ) 第三章电励磁双凸极电机发电运行分析建立电励磁双凸极发电机m a t l a b 仿真模型，对电机电枢反应进行分析研究，并通过实验验证分析的正确性。 ( 5 ) 第四章d s p 数字控制系统的实现和实验结果分析介绍d s p 数字控制 系统的硬件设计、软件设计。设计了适合双凸极电机控制的输出时序控制程序。 ( 6 ) 第五章一种电励磁双凸极电机转子位置估算研究分析一种基于全桥变换 器工作模式下转子位置估算方法，用m a t l a b 进行建模，并进行仿真分析。 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章双凸极无刷直流起动发电机的结构及工作原理 首先介绍双凸极电机的基本结构，继而分析双凸极电机作起动发电机的工作原 理。 1 1 双凸极电机的结构 双凸极无刷直流电机的基本结构类似与开关磁阻电机，其定、转子均为凸极齿槽 结构，定子和转子铁芯由硅钢片迭压而成，定子上除了装有电枢绕组外，还装有励磁 绕组或永磁体，转子上无绕组，空间相对的定子齿上的绕组串联成一相。 按相数和极对数来分，双凸极无刷直流电机有4 6 极、8 1 2 极或6 4 极、1 2 8 极 或四相8 6 、1 6 1 2 极等i l 。按励磁方式不同分，有电励磁双凸极电机和永磁双凸极 电机。图1 1 、1 2 分别为几种常见结构的双凸极电机截面图，图l l 为6 4 极结构 不同励磁方式下三相双凸极电机截面图，图1 2 为1 2 8 极结构不同励磁方式下双凸 ( a ) 6 4 极电励磁双凸极电机( b ) 6 4 极永磁双凸极电机 图i 一16 4 结构不同励磁方式坡凸极电机截面图 ( a ) 1 2 1 8 极电励磁双凸极电机( b ) 1 2 8 极永磁双凸极电机 图1 - - 2 1 2 8 结构不同励磁方式取凸极电机截面图 极电机截面图。本文将以1 2 8 极电励磁双凸极电机为原理样机进行研究。图1 2 ( a ) 为1 2 8 极电励磁双凸极电机截面图，电机定子极弧为定子齿距的1 2 ，即万1 2 机械 角，这样可以保证一个极下转子齿与定子齿的重叠角之和恒等于转子极弧，而与转子 电励磁双凸极起动发电系统研究与实践 位置无关，从而使合成气隙磁导为一常数，这样不仅保证电机励磁绕组所匝链的磁链 将不随转子位置角口改变而改变，励磁绕组不会产生感应电势，而且电机静止加励磁 时无定位力矩，任一相定子绕组所交链互感磁链仅与该相磁导成正比。转子极弧大于 或等于定子极弧，以保证电流换向。由于电机转子上无绕组，无电刷和换向器，而且 发电工作时也不需要位置传感器、功率变换器和控制器，其结构简单，可靠性高，寿 命长，维修方便，制造工艺简单。 1 2 双凸极电机工作原理 1 2 1 永磁双凸极电机工作原理 圈i - - 3 双凸极水磁电机工作原理图 永磁式双凸极电机( d s p m ) 的永磁体包含在定子绕组主磁通路径当中。忽略边缘 效应，从励磁磁源看其气隙磁阻是不随转子位置变化而变化的，因此从理论上来说没 有永磁定位力矩。而电机- - x i 绕组的磁链及电感随着电机转子旋转变化如图l - 3 ( a ) 所示，为简便起见，转矩表达式的推导基于简单线性模型。电机绕组自感和工作相永 磁磁链假设分段线性，并且只和转子的空间位置有关。双凸极永磁电机一相绕组的端 电压方程为 u 。：r 。+ 华( 1 - 1 ) 磁链虬由永磁磁链y 。和电枢反应磁链( 三f ) 构成，忽略铜损，a 相单独工作时，磁链 方程为 阖隘崦 +fll士bii矿i 壹壅堕窒堕垂查堂堡主兰焦堡苎一 只攀。蕊d i 2 莓d l 事d w “ m ， = 丢c 知2 h 警“警h 。 r = 暑“等= c ( 1 1 4 ) 卜万a 葡叫，制m 【l 4 ) ，。d ( l 。i 。+ 。r f ，) 虬娟口f 口+ t 产上 ( 1 5 ) 只荔慕d i 2 d l , 7 霉粤 m s ， = 鲁弓材，+ 专屯2 鲁啪鲁冷 一 皇壁壁翌鱼堡塑垫! 垄皇墨竺堕壅兰壅壁一 丁= 等“。鲁= t + 弓 ( 1 - ，) 图1 4 电励磁双凸极电机工作原理图 电励磁双凸极电机每相转矩由磁阻转矩矸和励磁转矩乃两部分组成，励磁转矩 乃是定子绕组通电时，由于电枢绕组与励磁绕组间互感变化而产生的转矩。各相磁阻 转矩在一个电感周期的平均值为零，见图l - - 4 ( d ) ，电机的输出转矩主要由励磁转矩 提供。同永磁双凸极电机类似：在相绕组与励磁绕组间互感增加时绕组通正向电流， 而在相绕组与励磁绕组间互感减小时绕组通负向电流均可产生正方向的转矩，见图l - 4 ( c ) 。对电机转矩大小和旋转方向的控制类似于永磁双凸极电机。此外，电磁式电 机可通过调节励磁线圈电流大小，调节电机磁场强度，控制电机转矩大小，因此控制 更为灵活。 理想情况下，电机的运动电势如图1 4 ( e ) 所示。发电运行时，直接整流就可输 出直流电，并且可以通过控制励磁电流来调节输出电压。 鼹= 圆三 岫卜净 塑室堕皇堕垂盔兰堡主兰堡堡壅 第二章电励磁双凸极起动，发电机起动特性分析 本章主要根据电励磁双凸极电机全桥变换器工作原理分析电动运行时关断角对 相电流的影响，运用m a t l a b ( p s b 与s i m u l i n k 环境下) 进行仿真分析，并给出实验 结果，分别验证在低速和高速时关断角对相电流的影响。 2 1 引言 图2 1 三相全桥电路与电机三相电枢绕组电路图 图2 1 为三相全桥电路与电机三相电枢绕组电路，图中如、r 6 、r 。、l 口、l b 、 厶、毛、岛、丘构成电机三相等效电路，箭头方向表示每一相电流的正方向，运动电 势的方向如图所示。电励磁电机的励磁线圈并来画出，它同a 、b 、c 三枢之间的互 感分别为上。r 、6 ，、上小 对于1 2 8 极结构的电励磁双凸极电机，其三相电枢绕组自感、励磁绕组的与三 相电枢绕组的互感曲线如图2 2 所示。电机的自感和互感曲线有一个3 度宽的平顶， 参念么二 襄g l 么念一 ji 丝年过 + 一 卜_ ： ；f 一厂一： 十一1 一卜j 图2 2 电机三相自感、互感及相电流 电励磁双凸极起动发电系统研究与实践 是由于双凸极电机的转子齿比定子齿要宽3 度，以利于电流换向。相周期为4 5 ”，电 机运行时采用双三拍控制方式，在0 0 到1 5 0 区间a 相电感处于上升区通正电流，b 相电感从平顶到下降区，通负电流。1 5 0 时电流换向，同样c 相电枢绕组通正电流， a 相电枢绕组通负电流。同样3 0 0 时刻电流换向，b 相电枢绕组通正电流，c 相电枢 绕组通负电流。在一个通电周期相电流要历经三次换向。 o o 时刻t 1 、t 6 开通，直流母线电压加在a 、b 两相电枢绕组两端，电流方向如 下图所示，从电源正极出发，电流流经t 1 、a 相绕组、b 相绕组、t 6 到电源负极。 电流的控制方式采用的是滞环控制，本文的建模仿真使用的都是电流滞环控制方式。 1 5 0 时电流换相，t l 、t 6 关断，t 4 、t 5 开通，电流从电源正极，流经t 5 、c 相绕组、 a 相绕组、t 4 到电源负极。3 0 0 时刻电流换向与之相类似，t 4 、t 5 关断，他、t 3 开 通，电流从电源正极，流经t 3 、b 相绕组、c 相绕组、t 2 到电源负极。4 5 0 时刻电流 换到a 相，完成一个通电周期。 图2 - 3 全桥变换器工作示意图( t 1 、t 6 开通) 根据电机等效电路可写出三相电压方程( 假设励磁电流为常数) u ，咄l ，吒等鹄等 w b = r b l b “等q 等( 2 - - 1 ) u 。= r e 。l c 峨等+ 。等 麓摹d i 莓e l l 辱d l o ： 南京航空航天大学硕士学位论文 i a = 一i b = f 此时a 、b 两相串联的电压方程为 u k = u ，一ub = ( r o + r b ) r + ( 三。+ 。) 罢+ ，掣+ ， ( 2 - s ) d ( l 矿一酗) ( 2 4 ) 在电流滞环控制方式下，当电流上升到某一给定值时，关断功率管t l 、t 6 ，a 、 b 两相电枢绕组上的电感电流不能突变，经二极管d 3 、d 4 续流，电流路径如图2 4 ， a 、b 相绕组两端加负电压。 图2 - 4 全桥变换器工作原理图( d 3 、d 4 续流导通) 此时的电压方程为 一= u 。一u b =(r。+r。)f+(lo+lb)堕dt+f!兰掣+f，d(l,”j-广lbf)dt 2 5 。dt 此时电流开始下降，下降到一定值时再开通t l 、t 6 。 a 、b 相绕组两端加正电压和负电压其电流的变化率分别为( 忽略电枢电阻压降) 堕：垒_ i d ( l o 型+ l b ) i ld ( l o 鲤- l b r ) ： 出，一，丛生 三 ，d 。岛一工h ， c z s ， 堕：丝：! 型：2 型 、。 d t 厶+ 厶 从式( 2 6 ) 可见，影响电流变化率的主要因素是电枢绕组与励磁绕组的互感和 电枢绕组的自感变化所产生的感应电势。转速升高时，感应电势对电流的变化率影响 会更加明显，转速越高电流的上升率越小。电流的上升率要小于下降率，转速高时电 流的上升率明显小于下降率。 电励磁双凸极起动，发电系统研究与实践 2 2m a t l a b 的双凸极电机建模 在m a t l a b 的p s b 和s i m u l i n k 仿真环境下，进行电励磁双凸极电机全桥变换器工 作模式下的仿真建模。电励磁双凸极电机系统模型包括电励磁双凸极电机三相绕组模 块( 包含励磁绕组) 、控制器模块、位置信号模块和全桥变换器模块等几部分。系统模 型见图2 5 。控制器通过检测电机相电流和位置信号对三相全桥逆变器进行控制。 全桥变换器的输入为直流电源，输出至电机三相绕组。位置信号模块产生电机三相位 置信号。 图2 5 电励磁双凸极电机m a t l a b 仿真模型 图2 - - 6 电机相绕组m a t l a b 模型 根据电励磁双凸极电机的相电压方程( 式2 一1 ) 对电机相绕组的进行建模，见图 南京航空航天大学硕士学位论文 2 m 6 。电励磁双凸极电机的定子自感及其与励磁绕组间互感均为非线性电感，本系统 的电机定子绕组自感及其与励磁绕组间互感只考虑随转子位置变化而变化分段线性 模型，忽略定子电流对其影响，见图2 2 。用m a t l a b 语言编写图2 2 的分段线性电 感程序，通过m a t l a bf c n 模块对该程序进行调用便可以实现电机的分段线性电感 建模。 图2 - 7 电励磁双凸极电机的m a t l a b 控制器模型 电励磁双凸极电机的控制器模块通过检测电机的位置信号和相电流信号产生全 桥变换器的六路驱动信号，见图2 7 。其中，电流控制采用的是电流滞环控制方式。 图2 - - 8 电励磁双凸极电机的m a t l a b 位置信号模型 电机的位置信号模块用于产生电机的三相位置信号，见图2 8 。电机三相位置 电励磁双凸极起动，发电系统研究与实践 信号互差1 5 0 机械角( 1 2 0 0 电角度) 。 2 3 关断角对相电流的影响分析 2 3 1 中点电压分析 中点电压的变化将会影响到电机相电流换向时相电流的方向，同时影响相电流变 化。分析0 0 到1 5 0 换向点附近中点电压的变化，分o o 3 0 、3 0 1 5 0 两段进行分析， 1 5 0 3 0 0 和3 0 0 4 5 0 区间中点电压与o o 1 5 0 区间类似。 根据电励磁双凸极电机等效电路图2 - - 1 ，可知a 、b 两相电压，功率管t l 、t 6 开通时a 、b 两相串联的电压方程为 um=u。一u6(2-7) 中点电压u 。为b 相绕组两端电压u b ，即 卟也= 一( r b i 。+ l b 鲁+ i b i d z b + i f 譬) ( 2 _ 8 ) t 1 、t 6 关断，d 3 、d 4 续流时，a 、b 两相串联电压方程为 一u女=u。一u6(2-9) 此时中点电压u 。为a 相绕组两端电压u 。，即 蜘也叫她+ l 鲁+ i a 百d l a + j ，警) ( 2 1 0 ) 可见t l 、t 6 开通和关断时中点电压的表达式是不一样的。0 0 3 0 区间b 相绕组 的自感及互感处于平顶区，b 相绕组不产生运动电势。3 0 1 5 0 b 相绕组处于下降区， 将产生感应电势。a 相绕组在o o 1 5 0 区间处于电感上升区，产生感应电势。电感曲 线如图2 - - 4 。下面分0 0 3 0 、0 0 1 5 0 两段区间分别对中点电压进行讨论。 ( 1 ) 、0 0 3 0 度区间 在此区间b 相绕组的自感及互感处于平顶区，即f ，! = i 。d 出l _ 兰_ b = 。，t l 、t 6 开 通时中点电压“为a 相绕组两端电压u b u 一“一( r b + l b 争 ( 2 _ 1 1 ) 此时a 相电压为 ”印。心等“百d l a + i s 鲁( 2 - - 1 2 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 绕组互感变化产生的感应电势i ! 警和电枢绕组自感变化产生的感应电势乞华要 “dt 比由于电枢电流变化产生的变压器电势小许多，b 相绕组自感处于最大值，a 相绕组 自感较b 相小，所以此时b 相绕组两端电压较高。 t i 、t 6 关断，d 3 、d 4 续流时，a 电枢绕组两端电压以即为中点电压以，见式 ( 2 - 1 0 ) ，此时a 相电枢绕组自感和b 相比要小许多，所以中点电压较低。 ( 2 ) 3 0 1 5 0 度区间 由于电机三相绕组对称，a 、b 两相串联，所以i o i b f ，假设 她= r a i a - u i 出= 鲁l ；f ，鲁叶警一， c ：州， 根据式( 2 2 ) 得到两相电压方程为 虬= u j + 巳+ p ，+ 上a 毒。：一。， 一u r + e r - - e f - 乞署 从两相电压方程可知，a 、b 两相端电压的分配和每相电枢绕组的自感大小有关， 自感大的端电压较高，反之较低。 t 1 、t 6 导通时，中点电压u n 为b 相绕组端电压仉 u 。= 一u 6 = 一( - u r + p ，一p ，一6 要) ：u 月一p ，+ 8 ，+ 上6 出d _ l d 。 ( 2 一1 5 ) t 1 、t 6 关断，d 3 、d 4 续流时，中点电压为a 相绕组端电压 u 一虬一n ，h - e f + l o 罢) = 一u r p ，一p ，一上。兰； 图2 9 为相电流和中点电压的仿真波形，坐标横轴为转子位置，纵轴分别为相 电流( 单位a ) 和中点电压( 单位v ) 直流母线给定电流0 为5 0 a ，电流控制采用滞 环控制方式，直流母线电压为1 0 0 v ，转速为1 5 0 0 r m i n ，从图中可以看出，在t 1 、 t 6 开通和关断时，中点电压基本随电枢绕组自感呈线性变化。 电励磁双凸极起动发电系统研究与实践 茎一 i ( a ) 相电流波形 ( b ) 中点电压波形 图2 9 相电流及中点电压仿真波形( n = 1 5 0 0 r m i n ，i 。= 5 0 a ) 2 3 2 关断角对相电流的影响 ( 1 ) 低速时关断角对相电流和输出转矩的影响 图2 - 1 0 为转速为1 0 0 0 r m i n ，母线电压2 0 0 v ，电流限给定5 0 a ，t 1 、t 6 关断角 度为1 4 8 0 时的仿真结果，图2 - 1 0 ( a ) 为三相相电流仿真波形，图2 - 1 0 ( b ) 为中点 ( a ) 相电流仿真波形 ( b ) 中点电压仿真波形 ( c ) 运动电势印仿真波形 图2 1 0 n = 1 0 0 0 r m i n ，i ；= 5 0 a ，关断角= 1 4 8 0 时的仿真结果 电压仿真波形，图2 一l o ( c ) y 口c 相电枢绕组运动电势仿真波形。从图2 - - 1 0 ( a ) 可 壹室堕皇堕垂查堂堡主兰垡笙塞 以看出，1 4 8 0 时关断t 1 、t 6 ，a 、b 相相电流同步下降，在1 5 0 时开通t 4 、t 5 ，电 流换向，此时a 、b 两相的电流并未下降到零。从图2 1 0 ( b ) 可看出，在1 5 。电流 换向时中点电压为1 6 9 v ，而此刻c 相由电枢和励磁绕组间互感旷变化产生的运动电 势为9 v ，中点电压加上运动电势为1 7 8 v 。小于直流母线电压2 0 0 v ，c 相电流从电 源正极流向中点，电流缓慢上升，此时三相绕组都有电流流过如图2 1 l 所示。中点 节点电流方程为 f 。+ f 。= ( 取i 。、i 6 、i 。 0 ) ( 2 - - 1 7 ) 1 6 2 0 时b 相电流续流到零。t 4 、t 5 导通，电压加在c 、a 两相绕组上，c 、a 相电流线性上升，1 6 8 0 时电流上升到给定电流。 图2 1 1 低速时1 5 0 换向点原理图 1 5 0 时刻t 1 、t 6 关断，d 3 、d 4 续流，此时中点电压为a 相绕组两端电压，其 表达式为( 忽略电枢电阻压降) u 。= 一u s = - ( e j + e r + 上。堕d t ) ( 2 - - 1 8 ) 其中p 。 o 、e r 0 ，因a 相电流曾下降趋势，工。粤 o ) ( 2 - - 2 5 ) c 相电流的注入将影响到a 相电流的变化，b 相以原有速率下降，c 相产生的反 向电流将影响a 相电流的变化，6 3 5 0 时b 相电流续流到零，a 相还未下降到零，此 时直流母线电压加在a 、c 两相绕组两端，a 、c 两相电流同步线性下降并在6 5 0 时 下降到零，电流自然换向。从图2 一1 4 ( d ) 可见，在6 0 。时c 相有一个反向电流， 因为此时中点电压和c 相互感运动电势之和大于直流母线电压，当b 相电流续流到 零时，a 相电流并未下降到零，电流继续从c 相续流，直至电流下降到零，然后自 然换向，a 、c 两相电流开始上升。由于转速较高，电机产生的运动电势较大电流 上升缓慢。到下一个电流换向点( 7 5 0 ) 时，相电流上升到4 2 8 a ，未上升到给定电流限 ( 5 0 a 1 。电流不斩波。 图2 1 6 为转速5 4 0 0 r m i n ，直流母线电压2 0 0 v ，母线给定电流5 0 a ，关断角等 于1 1 4 0 时的相电流仿真波形。从图2 1 6 ( b ) 可见，5 6 4 0 时关断功率管t 1 、t 6 ， 电流开始从d 3 、d 4 续流，此刻，中点电压是a 相绕组两端电压，a 相绕组自感还 不是很大，所以中点电压不是很高。此时中点电压加上c 相互感运动电势小于直流 母线电压，所以不会出现反向电流。6 0 0 时电流续流到零，开通功率管t 4 、t 5 ，电流 换向，a 、c 两相电流开始同步上升，在7 1 4 0 时，电流上升到给定电流，再关断t 4 、 t 5 ，a 、c 两相相电流下降，7 5 0 时进入下一个电流换向点。a 、c 相电流换向速度比 1 4 8 0 时刻关断情形要快，a 、c 两相电流可以上升到给定电流。 飞盆八八八 八八八 ( a ) 相电流波形( b ) 相电流放大波形 图2 1 6n = 5 4 0 0 r m i n ，i s = 5 0 a ，关断角= 1 1 8 0 时相电流仿真波形 图2 1 7 为电机三相合成转矩仿真波形，图( a ) 为1 4 8 0 关断功率管时的转矩仿 真波形，平均转矩为3 0 9 1 1 n m ，图( b ) 为1 1 4 0 关断角转矩仿真波形，平均转矩为 4 0 8 3 5 n m ，图( b ) 平均转矩要高于图( a ) ，可见高速时提前关断功率管有利于电机 出力。 2 l 皇壁堂翌苎堡塑垫! 茎皇墨篓堕塞量塞堕 ( a ) 关断角= 1 4 8 0 时转矩波形( b ) 关断角= 1 1 8 ”时转矩波形 图2 1 7n = 5 4 0 0 r m i n ，不同关断角三相合成转矩仿真波形 根据电机转矩表达式，在1 5 0 时，若c 相流过正电流则产生正的磁阻转矩和励磁 转矩，若通入负电流则产生正的磁阻转矩和负的励磁转矩，由于电磁转矩要比磁阻转 矩大得多，所以c 相绕组输出负的转矩，其它电流换向点与之类似，由图2 1 7 ( a ) 可见电流换向点附近均出现负转矩。不提前关断时，电流换向速度慢，相电流还不能 上升到给定电流限就进入了下一个电流换向点。电流的上升速度缓慢将影响电机的出 力。提前关断功率管时，电流换向点不会产生负电流，也就不会产生负的转矩，所以 换向点不会出现负的转矩，而且电流能上升到给定电流限，电机出力大。 ，a ，r ，八 u v v ( a ) 关断角= 1 1 8 时，相电流波形( b ) 关断角= 1 48 时，相电流波形 ( c ) 关断角= 1 1 8 时，转矩仿真波形( d ) 关断角= 1 4 8 时，转矩仿真波形 图2 1 8 n = 3 5 0 0 r m i n ，i 。= 5 0 a ，不同关断角相电流及转矩仿真波形 童室堕窒堕蒌查堂堕主堂垡笙苎 图2 1 8 为转速3 5 0 0 r m i n 、给定电流限5 0 a 、直流母线电压2 0 0 v 时相电流和转 矩仿真波形。从图( b ) 可见，1 4 8 0 关断功率管时，相电流在换向点会出现负电流， 从而影响到相电流的上升速度。提前到1 1 8 0 关断功率管时，在相电流换向点不再出 现负电流，相电流上升速度较快。图( c ) 为1 1 8 0 关断功率管时转矩仿真波形，平均 转矩为6 4 4 7 6 n m ，在相电流换向点没有出现负转矩。图( d ) 为1 4 8 ”关断功率管时 转矩仿真波形，平均转矩为5 4 6 3 0 n m ，在相电流换向点由于负电流的出现而产生负 的转矩。提前关断功率管时，电流换向速度要比不提前关断功率管时快，相电流较快 上升到给定电流限，有利于电机出力。 2 4 实验结果及分析 图2 1 9 为低速时提前o 5 0 关断和不提前关断时相电流实验波形，从图( a ) 可 以看出相电流从零开始上升时较缓慢，有一个小弧形，小弧线过后电流上升速度较快， 这是由于在电流换向时另一相电流还为续流到零，而该相已开通，造成电流上升缓慢， 当另一相电流续流到零，该相电流开始快速上升。图( b ) 为提前一度关断时的相电 流波形，电流的上升速度从零开始就较快，与前面的仿真分析一致。 m ：1 脚 二l 懂：； 。，f 。 1 m 州 一0 ( a ) 不提前关断时电流波形( b ) 提前一度关断时电流波形 图2 1 9 低速时不同关断角电机相电流波形 _ - - j ：嬲i 。i i f f 1。 、 酶 。 、 - ! 。飙 ! - ；l ； 7 1。 l 、! 厂1 1 n 刈 ( a ) 不提前关断时相电流波形( b ) 提前一度关断时相电流波形 图2 2 0 高速时不同关断角电机相电流波形 电励磁双凸极起动发电系统研究与实践 图2 2 0 为高速时提前一度关断和不提前关断功率管的相电流实验波形。图( a ) 为不提前关断时相电流波形，从图可看出在相电流从零开始上升前有一明显的负电 流，这是由于电流换向时另外两相电流还未续流到零，中点电压和该相运动电势之和 大于母线电压，所以出现反向电流，当其中一相电流续流到零，电流开始从零上升。 图( b ) 为提前一度关断时的相电流波形，从图可见电流换向时出现的负电流已经消 除。图( a ) 、图( b ) 的直流母线电压均为2 8 v ，电流斩波限为1 2 0 a ，图( a ) 的转速 为1 8 2 6 r m i n ，图( b ) 的转速为2 1 0 0 r m i n ，可见提前关断电机出力较大，电机转度 明显提高。可见电机高速运行时适当的提前关断有利于电机出力，这和前面的分析相 一致。 2 5 小结 l 、根据电励磁双凸极电机全桥变换器工作原理，运用m a t l a b 进行双凸极电机系统 建模。 2 、在m a t l a b 仿真基础上分析中点电压及关断角对电励磁双凸极电机相电流的影 响。电机高速运行时，适当提前关断角，相绕组电流换向时不会出现负的电流， 有利于电机出力。反之，相绕组换向是会出现负电