混合励磁双凸极电机控制方式综述.pdf.doc

刘奕杉：混合励磁双凸极电机控制方式综述3混合励磁双凸极电机控制方式综述 刘奕杉电气15级研究生，331501000020刘奕杉：混合励磁双凸极电机控制方式综述5摘要：本文介绍了混合励磁双凸极电机的发展历史跟研究现状，分析了混合励磁双凸极电机的各种控制方式，介绍了在分区控制的思想下，励磁系统的弱磁控制、增磁控制。以及半桥功率变换器供电方式下的标准角控，针对标准角控制时高速段下电机输出转矩不足的问题又介绍了提前角控制。最后总结展望了混合励磁双凸极电机控制方式研究中存在的问题以及解决方法。关键词：混合励磁；双凸极电机；控制方式0 引言 上个世纪 90 年代美国电机专家T . A. L i p o 提出了永磁双凸极电机1，双凸极永磁(Doubly Sallent Permanent Magnet，DSPM)电机是近年来在开关磁阻电机基础上发展出来的一种新型高效节能电机。混合励磁双凸极电机( Hybrid Excited Doubly SalientMachine，HEDS)2是在永磁双凸极电机的基础上演变而来的，它将永磁体励磁与 电励磁3进行了有机结合，继承了永磁双凸极电机的全部优点，而且具有电机磁场可灵活调节的特点，因此成为双凸极电机的研究热点。目前对混合励磁电机的研究，主要围绕着对电机不同混合励磁结构、混合励磁原理分析等方面，而对混合励磁电机的控制策略研究则相对较少，HEDS电机继承了 DSPM电机凸极永磁的优点，具有功率密度高、结构简单、容错性能好、控制灵活等优点。它在工业驱动、航空航天、汽车、舰船以及诸如电动汽车等需宽调速驱动应用场合具有前景4。HEDS电机的控制策略包含2 种基本控制模式5即低速时的电流斩波控制和高速时的角度位置控制。根据该电机的运行原理提出采取分区控制策略，对电机进行弱磁控制，增磁控制。以及 HEDS在半桥功率变换器供电方式下，标准角控制策略对电机输出转矩的影响，并在此基础上，介绍了提前角控制。1 双凸极电机的发展历史及研究现状 开关磁阻电机（简称 SRM）是上个世纪60 年代国外推出的一种交流调速电动机的新品种，随着电力电子技术的发展，出现了开关磁阻电机调速驱动系统。开关磁阻电机结构非常简单，定、转子都为凸极齿槽结构，定子上装有集中绕组，转子上没有绕组和磁钢，这使得定、转子的结构坚固，制造成本低，装配工艺简单，冷却方便。永磁双凸极电机的设计思想最早可以追溯到1955 年Rauch和Johnson对永磁双凸极电机的研究6，但是由于当时永磁材料性能等问题的限制，这种原型机体积较大、力能指标相对较低，并没有得到多大的重视。直到上个世纪90 年代初，美国Wisconsin大学Lipo教授领导的科研小组，进行了大量永磁双凸极电机的研究工作，取得了丰硕的研究成果。其中， Liao于1993 年发表了关于DSPM主要尺寸确定的论文7，表明DSPM电机具有较高的功率密度，随后Liao又于1995 年在IEEE上系统阐述了DSPM电机工作原理及其控制特点8，文献成为DSPM电机的经典作品。图1.1为美国Wisconsin 大学Lipo教授领导的科研小组于1992 年提出的DSPM电机结构示意图，电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似，呈双凸极结构，但它在定子（或转子）上放有永磁体，从而使运行原理和控制策略与开关磁阻电机有本质区别。概括地讲，DSPM电机系统的主要优点是结构简单、控制灵活、动态响应快、调速性能好、转矩/电流比大，可实现各种特殊要求的转矩/转速特性，功率因数接近于1，效率高。Lipo.T.A等人提出的混合励磁双凸极电机不同之处在于永磁体旁边附加了一条并联磁分路，为直流励磁磁通提供了一个通路，避免了直流励磁磁势直接作用于永磁体，减小了永磁体产生不可逆退磁的风险，并且通过磁分路磁阻的适当设计，能达到用较小的直流励磁磁势获得较大气隙磁通调节范围的目的9。 东南大学程明教授所领导的课题组提出了磁桥式混合励磁双凸极电机10，电机结构如图1.2所示，其特点是在电机永磁体与直流励磁绕组之间设置了一定尺寸的导磁桥，使电机定子铁芯保持一个整体，南京航空航天大学的严仰光教授等在双凸极电机方面作了很多研究工作，他在文献11中提出了一种新型的12/8 极磁路独立式的混合励磁双凸极电机结构，这种并列结构混合励磁双凸极电机定子有两并列的电枢铁芯，一段为永磁励磁，另一段为电励磁，电枢绕组则共用，永磁部分电机和与电励磁部分电机间用气隙或非磁性金属材料隔开一段距离，这样可以减少永磁体作为磁势源和励磁绕组电流作为磁势源产生的沿轴向的磁通间的交链，减少两部分电机的耦合，从而使两部分电机磁势建立的磁通互不关联，经各自的磁路闭合11。图1.1DSPM 电机结构示意图图1.2 三相128极电机结构截面图2 HEDS电机标准角控制以及提前角控制2. 1 系统构成图1.3为本文所研究的定、转子极弧为15 /20 的12 /8极HEDS电机结构截面图。A相定子齿中心线与转子槽中线对齐的位置为初始位置。HEDS电机作为机电一体化的装置，其驱动系统由位置传感器、控制器及功率变换器构成。图1.3三相128极电机结构截面图本文电动系统中，功率变换器的主电路采用三相半桥电路，如图1.4所示。图1.4 三相半桥功率变换器电路2.2 标准角控制分析在电流换相过程中，由于存在电枢电感，电流的上升和下降都需要一定的时间，图1.5（a）为考虑上升、下降时间的电枢电流波形示意图，图1.4（b）为相应的三相励磁转矩及合成励磁转矩波形示意图。由于三相绕组结构对称，HEDS电机输出转矩在5、20和35附近产生换相脉动的机理相同。同样，在10、25和40附近产生换相脉动的机理也相同。故仅以5和10处的换相过程为例进行分析。在5时，功率管Q1开通，a相电流从零开始上升。功率管Q3关断，c相电流由正开始下降到零。功率管 Q5 维持原导通状态，b 相电流为负。因在这个过程中正向电流的流通绕组发生改变，而负向电流的流通绕组无变化，所以称之为正向电流换相过程。c相电流下降所在的区域为c相绕组匝链的励磁磁链无变化的非有效转矩区，不产生转矩。而a相电流上升所在的区域为a相的有效转矩区，随着a相电流的上升a相输出转矩从零逐渐增大，进入稳态后，a相才输出稳定转矩，因此在这个换相过程中电机输出转矩是从两相转矩突变为单相转矩后再逐渐增大到两相转矩。在 10时，功率管Q1维持原导通状态不变，a相电流为正。功率管Q5关断，b相电流由负开始下降到零。功率管Q6开通，c相电流从零开始上升到负。因此在这个过程中负向电流的流通绕组发生改变，而正向电流的流通绕组无变化，所以称之为负向电流换相过程。b相电流下降所在的区域为b相的非有效转矩区，不产生转矩。而c相电流上升所在的区域为c相的有效转矩区，随着c相电流的上升c相输出转矩从零逐渐增大，进入稳态后，c相才输出稳定转矩，所以这个换相过程中电机输出转矩也是从两相转矩突变为单相转矩后再逐渐增大到两相转矩。由此可见，电机正、负向电流换相过程中转矩变化机理相同。因此，以下分析仅以5处为例。图1.5 电流波形及励磁转矩波形示意图（）考虑上升，下降时间的电流波形示意图（）三相励磁转矩及合成励磁转矩波形示意图标准角控制下，a相绕组在转子位置角=5 时通电，此时a相绕组两端电压为电源电压的一半。忽略电阻项、电枢绕组间互感项及电感变化引起的感应电势项11。由a 相电流的上升率我们可知随电机转速升高，绕组电流上升率减小，在有效转矩区间内电流平均值减小，进而导致电机输出转矩减小，所以在标准角控制下，当转速较高时，HEDS电机输出转矩减小幅度较大，且转速越高转矩减小越显著。图1.6为不同转速下a相绕组内正向电流波形示意图，其中 1 2 3 。图1.6 不同转速下电流波形示意图2.3 提前角控制 由前文分析知，在标准角控制下，HEDS电机除了存在因非线性引起的稳态转矩脉动外，还由于电流换相的原因，存在较大的换相转矩脉动，且随电机转速升高，绕组内电流上升率逐渐减小，有效转矩区间内电流平均值减小，电机对外输出转矩的能力降低。特别是在高速、大负载的情况下，由于受电流换相的影响，电机出力减小明显。为改善电机的转矩特性（提高输出转矩值、减小转矩脉动率），提出了提前角控制。HEDS电机提前角控制策略：仍以a相为例，提前角控制下正、负向电流同时提前 T度导通，即（5- T，20 ）区间开关管Q 1导通，（25- T，40）区间开关管Q 4导通，导通规律如图1.7所示。图1.7 提前角控制下a相绕组导通规律采用提前角控制后，绕组电流在有效转矩区间内的平均值增大，且转速越高，电流平均值增大转速越大。因此，采用提前角控制能提高HEDS电机的输出转矩，且特别是提高电机高速下的输出转矩效果更显著。另一方面，当提前角达到一定值后，相绕组电流在有效转矩区间内的平均值基本恒定，电机输出转矩也不再增加，此时继续增大提前角，只会增加电机损耗，所以提前角不宜过大。3 HEDS电机的分区控制3.1 HEDS电机的磁通控制原理 图1.8为一台三相12 /8极HEDS电机， 其定、转子呈双凸极结构，转子上无绕组、无永磁体，定子采用集中式绕组，空间相对定子齿上的线圈两两相连，两组线圈串联或并联形成一相电枢绕组。定子轭部嵌入4块切向充磁的永磁体，与永磁体相邻的定子槽内放置电励磁绕组，通过调节电励磁电流的大小和方向，能实现对电机主磁场的灵活调节与控制21。电励磁绕组放置于定子，结构紧凑，易于冷却和散热，同时保持了转子结构简单的优点。由于增加了电励磁绕组，与DSPM电机相比，HEDS电机存在两种励磁源，即永磁励磁源和电励磁源。两种励磁源产生的磁场在气隙中相互叠加，共同作用形成电机主磁场。当电励磁磁场与永磁磁场的方向相同时，电励磁起增磁作用，二者共同作用形成的电机主磁场则增强。相反，电励磁起弱磁作用则电机主磁场削弱12。因此，可以通过调节通入电励磁绕组中励磁电流的大小和方向实现增磁或弱磁作用。可见，HEDS电机与DSPM电机相比，具有磁通可控的优点。由于HEDS电机的定、转子的双凸极结构和磁路饱和等的影响，导致HEDS电机的一些参数如磁链、电感等均不是常数，而是随着绕组电流和转子位置角的变化而变化，因此增加了HEDS电机建模的难度13。为了简化分析，假设： 1）忽略HEDS电机的铁耗； 2）忽略电枢绕组之间的互感； 3）稳态时，励磁电流恒定； 4）HEDS电机各相参数对称； 5）不考虑电枢电流的变化对电励磁绕组电压的影响且认为励磁绕组的自感不变。3.2 HEDS 电机的分区控制策略混合励磁双凸极电机与传统永磁电机相比，增加了一个可控电励磁电流变量，控制上更加灵活。但由于控制系统需要增加额外的励磁电流分配与控制的单元，控制也相对复杂14。而且存在的额外电励磁铜耗也会降低电机的效率，因此，根据电机的设计性能指标，如何制定合理的控制策略，使电机在宽调速范围内保持较高的能量效率，是该类电机及其控制系统的又一难点之一。为保证该类电机在整个运行区间具有较高效率，可对电机采用分区控制策略。图1.7为HEDS 电机在其运行速度范围内施加不同的电励磁电流时的转矩-转速特性曲线。高速永磁区低速永磁区弱磁区增磁区图1.7混合励磁双凸极电机转矩转速调节特性从该曲线可以看出，对HEDS电机施加不同励磁电流时，电机可以工作在四个不同的运行区间即：增磁区、低速永磁区、高速永磁区以及弱磁区。在电机起动或低速重载时，可工作在增磁区，通过施加短时正向励磁电流，产生与永磁转矩方向一致的电励磁转矩，从而提高电机的动态响应特性，满足如电动汽车等场合需频繁快速起动、爬坡以及紧急制动所需的大转矩的运行要求。工作在增磁区的条件是速度小于电机的基速n且负载转矩大于电机的额定转矩TN。在电机低速运行时，电励磁电流保持为零，确保电机主运行区间的高效率。当电机运行在大于基速的高速巡航区，通过在线调节反向励磁电流，实现电机的弱磁控制，提高电机的运行速度，拓宽电机的调速范围。运行在弱磁区的条件是速度大于弱磁基准速度nfn。可见，只有电机运行在增磁区和弱磁区时电励磁电流才参与速度调节，这样有利于减少电机的损耗，使电机具有较高的运行效率。因此可以根据电机的运行状态和工况要求进行分区控制，实现电机的调压、调磁、调速之间的动态协调控制。4 结 论 本章分析了定、转子极弧为15/20的HEDS电机在半桥功率变换器供电方式下采用标准角控制时的电流、转矩特性，在此基础上，提出了提前角控制，并进行了理论分析，得到以下结论： 1）提前角控制使相绕组电流在有效转矩区间内的平均值增大，从而提高电机的输出转矩。在一定转速范围内，转速越高，提前角控制提高输出转矩的效果越显著。 2）电机输出转矩随着提前角增大而提高，当提前角达到一定值后，输出转矩变化不再明显。 3）提前角控制对抑制输出转矩脉动有一定的效果。另一种分析了分区控制，得到以下结论：1） 采用分区控制策略时，在起动、紧急制动等需要大转矩时，通过施加增磁电流能提高系统的响应速度。高速运行时，在恒功率或近似恒功率运行下，通过弱磁控制能有效拓宽调速范围。2） 在电励磁电流为0时，HEDS电机的运行特性与 DSPM 电机相似，保持了DSPM电机高率运行等优点。目前分区控制仍然存在很多问题有待进一步研究，具体如下：弱磁控制时，对于电机反电动势以及励磁绕组磁场的观察方法有待更进一步的深入，以此可以更精确的控制弱磁电流的开通关断。并且，通过分析电励磁绕组中的磁场变化，实现混合励磁电机无位置传感器运行，也是混合励磁双凸极电机后续值得研究的内容之一。参考文献1 葛俊，童陆园，耿俊成，等TCSC暂态过程中晶闸管导通角特性的研究J电网技术，2001，25(7)：18-222 孟小利，王莉，严仰光一种新型电励磁双凸极无刷直流发电机J电工技术学报，2005，2(11)：10 -153 孔祥新，程明，常莹电动车用定子双馈电双凸极电机的设计与电磁特性J电工技术学报，2007，22(9)28-334 李永斌，江建中，邹国棠新型定子双馈双凸极永磁电机研究J中国电机工程学报，2005，25(1)：119-1235 朱孝勇，程明，花为新型混合励磁双凸极永磁电机磁场调节特性分析及实验研究J中国电机工程学报，2008，28(3)：90-956 李哲然，李叶松，李新华连续极永磁电机弱磁控制研究J中国电机工程学报，2013，33(21)： 124- 1317 乔东伟，王秀和，朱常青新型混合励磁无刷爪极发电机的磁场调节特性分析及实验研究J中国电机工程学报，2013，33(9)：115- 1218 Jianzhong Zhang,Ming Cheng,Xiaoyong ZhuA Novel Three-Phase Doubly Salient Permanent Magnet GeneratorCICEMS，Nanjing，China，2005：407-4119 李永斌，江建中，邹国棠.新型定子双馈双凸极永磁电机研究J中国电机工程学报，2005，25(1)：119-12310 Mizuno TBasic Principle and Design of Hyb