怎样提高开关磁阻电机输出功率_百度文库

1、微特电机论文：提高开关磁阻发电机输出功率的措施2010年5月5日提高开关磁阻发电机输出功率的措施    邓秋玲1，黄守道2，肖锋1(1湖南工程学院，湖南湘潭41110I；2.湖南大学，湖南长沙410082    摘要：根据开关磁阻发电机(SRG的发电原理，介绍了提高SRG输出功率的两种方法，重点介绍了一种新的开关策略，并对SRG在各种可能的开关角下进行了仿真。仿真结果表明：采用新的开关策略，适当选择开关角可以提高SRG的输出功率。    关键词：开关磁阻发电机；开关策略；输出功率  &

2、#160; 中图分类号：TM352  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(200804-0009-03O引  言    根据陆地、海洋以及航空中对用电需要的日益增加，研制高效、故障容错和高密度发电机组已成为主要的目标。由于开关磁阻发电机(以下简称SRG采用了新颖的发电原理和灵活的控制方式，具有常规发电机所不具有的独特优势，如发电品质好、系统坚固、功率密度高、制造成本低等优点。同时，由于它不采用永磁材料，在结构上没有易产生故障的转子绕组，其热损耗大部分集中在定子上，易于冷却，适合在恶劣的环境下工作。因此，无论在民用还是航空领

3、域，开关磁阻发电机都具有较高的实用价值和广阔的应用前景。    研究发电机控制策略的主要目标之一是提高发电机组的功率密度，增加发出的电功率与励磁功率的比值，是增大SRG产率的一个措施，除了能降低直流侧电容器的体积外，重要的是它能缓和直流侧的电流脉动。1开关磁阻发电机的工作原理    SRG驱动变换器应能在一个周期内完成为相绕组励磁，回馈电功率，使绕组退磁。为实现这个目的，传统的变换器电路结构为半桥逆变器，一相电路图如图l所示。  SRG一相电压方程为：式中：Uj、ij，分别为j相电压和，相电流，Rj，为j相绕组电阻，j表示由

4、电流ij产生的j相磁链，t是时间。由于结构的双凸极性和铁心的磁饱和，相电感Lj是电流和位置的函数。假定相间无磁的耦合，根据磁链的定义可得到：11 SRG能量转换过程    典型的发电运行控制及相电流波形如图2所示。定子齿极轴线与转子槽轴线重合时=0，此时相电感最小；定子齿极轴线与转子齿极轴线重合时=m，此时相电感最大。主开关的开通角和关断角分别为on和off。    从图2可以看出，相电流可分为两个阶段：onoff为第一阶段，电源经过主开关对绕组供电，电机吸收电能，称为“励磁阶段”。根据图l，可以导出这一阶段的电流状态方程：励磁阶段电

5、流从零开始增加，在off处相电流为ic。offc为第二阶段，主开关s1、s2都关断。此为续流发电阶段，电流循续流二极管向电源回馈，此阶段的电流状态方程为：12开关磁阻发电机的发电条件    根据式(5可知：若运动电势那么相电流在ic的基础上将继续增大，而在一之后开始下降。很显然，SRG一相的输出功率近似为发电功率和励磁功率之差，当ic较小时，磁场较弱，发电机输出的电能比较小，甚至小于励磁阶段吸收的电能，系统无法发电。因此，充分加强励磁，才是SRG有较大功率输出的关键。为了进行更好的发电运行，最好在发电区的开始off满足以下条件：励磁电流ic越大，转速越高，SRG的

6、出力越大，发电运行的效率也越高。2提高开关磁阻发电机输出功率的措施    从以上分析可见，提高SRG发电输出功率的关键是提高ic，增加运动电势。提高ic的方法有：(1增大导通时间，如在一定范围内减小on或加大off。(2提高励磁电压。分析表明：增大励磁电压对ic的提高有单调控制的作用。但是对于传统的SRG拓扑结构，续流电压与励磁电压均由电压源提供，给励磁电压的提高带来一定困难，可以通过分离励磁源与发电源的方法来实现对励磁电压的提高，但这样做增加了主电路和控制的复杂性。下面提出一种新型的拓扑结构，如图3所示，使得SRG在同一个电源的系统中仍能实现强化励磁的作用。21

7、新型主电路拓扑结构    新型单相主电路拓扑结构由主开关S1，s2和5个二极管D1D5等元器件组成。从图3中可以看出，在励磁阶段，开关管s1、s2导通，二极管D3、D5自然导通，D1、D2、D4阻断，定子相对齿极上相绕组的线圈是并联关系，每个齿极线圈上电流状态方程由式(5可得：在发电(续流阶段，主开关s1、s2关断，D3、D5阻断，D1、D2、D4导通，定子径向相对齿极上的线圈成为串联关系，这个阶段的电流状态方程仍为式(4，这样励磁阶段的电压是续流阶段电压的两倍。    从式(7可以看出，在薪型拓扑结构下励磁电流的增长率大于传统拓扑结

8、构励磁电流的增长率，提高了ic值，加大了磁场储能。22开关策略221新的开关策略    为了提高SRG的输出功率，提出了一种新的开关策略。主电路图如图l所示。一旦进入电感下降部分，给定子相励磁，通过接通两个开关建立励磁电流，开通瞬间选择在对齐位置的附近。在这个区域，直流侧电压和运动反电动势一起建立电流。需注意的是在高速运行时，为了有足够的时间来建立励磁电流，正如电动运行时要满足高速运行也采用相绕组提前开通一样，通常使相绕组的开通瞬间提前。    一旦励磁电流达到其预期值，例如off1，一个开关将打开(图1中的上管打开，在由二极管和下面

9、开关组成的短路回路里产生相电流。在这个区域，运动反电动势将使电流进一步增加，既没有从直流侧汲取电流也没有电流注入到直流侧，部分转换的机械能量将以硅损耗和铜损耗的形式消耗掉。直流侧电压没有阻止电流的增加，因此，电流仍在增加。    一旦达到电流的第二个目标值，例如off2，第二个晶体管打开，负的直流侧电压加在定子相上，这时，由转子机械能转换而来的电能回馈到直流侧。由于相当大反电动势，电流继续增加，因此进一步提高了运动反电动势。这种趋势一直持续到电感的坡度发生剧烈的变化，导致运动电动势显著减小。这时，负的直流侧电压将使相电流开始进入下降段。这个过程将很快清除各相绕组的

10、剩余电流。必须注意的是：应阻止相电流进入到电动运行区域，以避免SRG驱动系统的无效运行。通过对三个换向瞬间进行最佳选择，能提高SRG的总输出。222新的控制方法与传统控制方法下的输出功率与励磁功率之比    电感分布采用如图4所示的理想线性模型。(1传统控制法忽略定子电阻的压降，根据图5可得到sRG关断时的磁链和励磁电流：     一旦主开关断开，发电过程开始，这个过程持续到相电流为零及相绕组中的剩余磁通全部清除。电流脉冲的持续时间可按下式计算：    K表示电感图形的斜率，Lave(t1，t2

11、表示两个连续时间内电感的平均值。在分析SRG的性能时采用比值来衡量产率：(2新的控制策略  在上面的开关断开期间n，相电流继续增加，而电机中的磁链保持为常数，即：    下面将两种方法得到的最大电流值进行比较。值得注意的是：当到达电感最小区域时，电流急速线性下降，图中c是计算最大电流的关键。    两种开关策略下的最大电流表达式：   Lu表示最小电感，在同样的励磁电流下，采用新的控制策略时最大电流大于传统控制方法中的最大电流。    (3仿真及仿真结果  

12、;  为了证明新方案的可行性，在simulink环境下对SRG进行仿真。开关函数定义如下：     首先对传统的开关策略进行仿真。为了满足高速运行时励磁的需要，在给相绕组励磁时，时间稍微提前，让on=-3。，一旦励磁电流达到期望值，如在off=10。时，断开两个开关管，电流则通过二极管流向直流侧。在这个过程中产生的静电功率可近似地用图6中区域和区域I的面积之差表示。    然后，再对新的控制策略进行仿真。开通角和励磁电流值与传统的控制策略保持相同，即在off1=10。，断开上面的开关，电流将在由二极管和下面开关组成的短路回路里流动。这个过程既没有从电源吸取能量，也没有能量回馈。如图7中区域所示。在off2=15。，断开下面的开关，这时，由转子机械能转换来的电能回馈到直流侧。因此这个过程中产生的静电功率可近似地用图7中区域和区域I的面积之差表示。两种情况下区域I的面积是相同的，可以看出：使用新的控制策略后，电流曲线下的区域的面积比区域的面积要大。使用惯性开关技术还有一个好处是电流脉动减小了。    为了使输出电功率最大，要正确选择开关角on、off1、off2。为此，对所有可能的on、off