开关磁阻电机控制方案研究

开关磁阻电机控制方案研究

开关磁阻发电机自20多年前以来，开关磁阻电机一直被开发和应用。它由双凸极磁阻电机、功率开关电路、位置检测器及控制调节单元等组成,经双凸极磁阻电机可将电能转变成机械能输出。按可逆性原理,利用该电机也可将机械能转换成电能输出,这在调速系统中可作为再生制动运行,在发电系统中可作为发电机工作。开关磁阻发电机(Switchedreluctancegenerator,SRG)目前还没有像开关磁阻电动机那样得到应用,研究相对少,发表的SRG学术论文也不多。作者从20世纪80年代末就开始关注和研究SRG,近几年相对集中力量作了较深入广泛的研究,先后完成了多种原理样机的实践。本文将阐明SRG机理、SRG控制方案及基本特性试验研究等三方面内容,以期引起同行们的关注和讨论。1磁阻器的工作流机主要1.1电机转子结构SRG的相数组成比较自由,可以是单相、三相、四相或其它多相。如图1是广为应用的三相6/4结构SR电机截面图。其定子有6个齿极,每个齿极上设有一个线圈,位于径向相对的两线圈串接成一相绕组;转子上有4个齿极,无绕组也不镶嵌永磁体。三相绕组与开关电路相接(见图2),这是直流电源系统,负载电阻RL及滤波电容C,此外可并联蓄电池作为贮能元件。电机转子由原动机拖动旋转,靠转子位置检测器实现位置闭环控制,三相轮流工作。如一相主开关导通时,相绕组形成电流i,之后适时关断主开关,则绕组电流将继续循续流二极管流通,这样磁场贮能及以磁场为中介转换的机械能,一并以续流电流的形式输给用电负载,或给蓄电池充电。简言之,电机的凸极效应使相绕组成为有源线圈传递能量,实现发电状态工作。1.2电机转子的i,及能量输出电机绕组有电流就建立磁场,相绕组的磁链(ψ)及电感(L)是对应电流(i)及转子位置(θ)的函数。对于多相电机,由于各相绕组是独立的集中绕组,且轮流工作,所以可忽略互感影响,以一相单独分析,用磁场数值计算求取一相绕组的磁特性ψ(i,θ)及L(i,θ)(见图3)。其中θ角定义为该相定子齿极轴线与转子槽轴线之间的夹角,如图1所示。电机由相电流建立的磁场贮能Wmag=∫ψ0idψ(1)Wmag=∫0ψidψ(1)用线性化处理Wmag=12Li2(2)Wmag=12Li2(2)根据电磁场基本理论,伴随磁场的存在,电机转子的电磁转矩同时存在,可表达为Tem=−∂Wmag∂θ|ψ=C=12i2∂L∂θ(3)Τem=-∂Wmag∂θ|ψ=C=12i2∂L∂θ(3)由此可见,若在∂L∂θ<0∂L∂θ<0的区间内,绕组有电流就产生负值电磁转矩,即阻转矩。说明需外加机械转矩驱动,而电机将机械能转换为电能输出。不难理解,若电流发生在∂L∂θ>0∂L∂θ>0区间,电磁转矩为正,也就是电动工作状态。这就是说,SR电机只需位移主开关导通时,就能实现电动、发电的可逆运行。1.3生成励磁电流的条件L(θ)特性(见图3)是以θr为周期变化的。θr为转子齿距角,如6/4结构,θr为90°(机械角度),θm=θr/2为定子齿极轴线与转子齿极轴线重合状态,对应的相电感值最大。令θ1为主开关开通角、θ2为关断角,由此可得到典型发电状态电流波形(见图4)。一周期中相电流可分为两段。θ1～θ2段,主开关导通,由外电源供电,电流逐步上升至ic,称为励磁区;θ2开始,主开关关断,电流呈续流状态,称发电区。励磁区是消耗电能的,其中ic作为磁场强弱的主要标志,越大越有利。根据电路基本方程(不计内阻及管压降),在开始续流瞬间,有didt=1L(−∂L∂θicΩ−U)(4)didt=1L(-∂L∂θicΩ-U)(4)即说明当∂L∂θ<0∂L∂θ<0且ic足够大,则运动电势∣∣∂L∂θicΩ∣∣>U|∂L∂θicΩ|>U,电流(即发电电流)将进一步增大,形成有利的发电效果。强化励磁可加大ic,同样励磁区适当延伸到∂L∂θ<0∂L∂θ<0区段(即θ2>θm),也是为了有效利用运动电势,促进励磁电流加大。换言之,在θm～θ2区间,利用发电机理,把机械能转化为电能,加速形成需要的励磁电流。实际发电机一相输出的电功率,应该是发电区发电功率与励磁区消耗功率之差。1.4发电能量分析每相一周期工作过程中,始终存在电能、磁能及机械能之间的转换。本文将相电流各状态(见图4),逐点描绘在磁链特性曲线平面上(见图5)。P1→P2→P3为励磁阶段,这过程消耗的电能主要用来建立磁能,部分地与机械能有交换;P3→P4→P5为发电阶段,输出的电能源于输入的机械能和释放的磁贮能。基于一周期磁贮能并无增量,所以每相一周期中发电电能“∮eidt”,即闭合曲线面积SP1P2P3P4P5所代表的能量,也代表一周期中消耗的机械能。按瞬时电磁转矩表达,一相转换的电磁功率为Pem=1θr∫θr0TemΩdθ=1θr∫θr012i2∂L∂θΩdθ(5)Ρem=1θr∫0θrΤemΩdθ=1θr∫0θr12i2∂L∂θΩdθ(5)可以看出,优化电机设计(如加大相电感最大值,减小电感最小值),合理运行(如优化控制、强化励磁、提高转速),都能提高发电功率。2磁阻机的开关控制方案有4种方案来实现SRG的控制,其主控状态参数是励磁电流ic(包括大小和位置),实现调控发电机的输出。2.1推后励磁直接调控主开关的开通角θ1和关断角θ2,可影响电机励磁过程。通常θ1和θ2分别在θm之前后,θ1提前、θ2推后都增加励磁时间、增大ic,加大励磁强度,其效果如图6所示。由于相电流波形对θ2的变化较敏感,所以一般多针对不同转速优选θ2,调节θ1实现发电控制。总的来说,角度控制是灵敏的,都以数字控制来实施,且容易实现效率优化控制。2.2第二,降压机方案以斩波阈值控制励磁电流ic大小,这也是常用的方案,在开通角θ1至关断角θ2范围内励磁电流不超过控制值,过θ2之后的续流电流是不可控的。由此形成的不同斩波限对应的相电流波形如图7所示。斩波控制方案控制性能较好,实现也简单。一般只需斩上限,即当被控电流大于电流限,比较器输出信号关断主开关,并延时Δt再恢复开通主开关,在Δt时间内,电流走续流路径,并有所下降。值得指出,斩波之续流电流也是发电运行状态,是发电效能中应该计入的。另外,Δt时间内电流下降快慢与很多参数有关,当处于∂L∂θ<0∂L∂θ<0区域,运动电势也可能致使续流电流反而上升,据此我们提出了全导通斩波控制方案。理论和实践证实,这是无需直接位置传感器的一种SRG控制方案,图8给出了6kWSRG采用这一方案工作的实测波形。2.3占空比对系统仿真在主开关驱动信号上施加PWM信号,使得主开关导通区(θ1～θ2)内靠占空比调节励磁电压,从而调控励磁电流ic。图9为不同占空比(D)时的相电流仿真波形。占空比大,ic就大,因此发电电流及功率也大。2.4独立调节励磁前面三种方案均以同一电源供励磁和发电,可称之谓并励。若组成他励方案,即优选θ1,θ2,靠励磁电压独立调节励磁。这可以在大范围内实现单调控制,特别是低压主电源系统,可用升压电路提供较高的电压,直接强化励磁,有效改善发电运行性能。励磁电压高则发电输出功率大,图10给出了该方案的试验效果。这一组曲线是8/8结构单相SRG样机,固定θ1,θ2的情况下的他励试验测试结果,发电主电源电压为24V不变。3开关磁阻电机为发电机,是一种近几年,我们研制了五种SRG样机进行分析试验研究。按相数不同有三相(6/4结构)和单相(8/8和6/6结构)两类,按功率不同有6,3,1.2kW及分马力等几种样机。开关磁阻电机作为电动机不宜采用单相,但作为发电机可以做成单相。单相SRG定、转子齿极数相等,这样所有绕组相位相同,它们可并联也可串联,电路简单、开关电路大为简化,成本低。但是,单相脉冲输出使直流环节电压脉动大,转矩脉动也大,电机优化设计增加了难度。现选择部分特性的试验研究作简要介绍。3.1转速提高、励磁时间缩短图10中可以看出,在一定范围内转速提高,电机输出功率加大,这时运动电势随转速提高而加大,有利于机械能量的转换。但转速进一步提高,励磁时间缩短,即在θ1,θ2固定情况下,励磁时间与Ω成反比,由此会导致ic显著下降,使发电功率反而随转速提高而减小。良好的设计可以使最大功率出现在额定转速附近,同时若再配合转速变化合理调整θ1,θ2,则能使SRG得以充分利用。对工作转速范围宽的系统,按不同转速段优选控制参数是SRG合理控制的重要手段。3.2负载时电压纹波的变化表1给出了6/4结构3kWSRG并励稳态运行特性试验结果。试验样机是输出270V的直流电源系统,它采用优选θ1,θ2及斩波方案实现电压闭环控制,保持了系统电压基本稳定。从表1可以看出,空载时电压纹波很小,随着负载增加,绕组输出电流脉冲增大,因此纹波也加大。图11是该机满载运行时的电压纹波实录,实验转速n=1862r/min,相电流基本频率f=Zrn60(Zrf=Ζrn60(Ζr为转子齿极数),三相交叠,因此电压纹波脉动频率为372Hz,即图中的单纹波周期为2.7ms。它恰如三相半波整流效果。电压纹波幅值要进一步改善,则需要加大滤波电容,但电容大将会影响动态特性。表1还列出了效率一栏,此乃系统效率,由于SRG转子只有极小的铁耗,并无其它电气损耗,所以它的效率较高。3.3动态特性分析发电系统用突加和突减负载试验来衡量其动态特性,试验样机是6kW6/4结构SRG,不同转速、满载突加和突卸试验结果列于表2,该瞬态特性波形见图12。可以看出SRG突加和突卸负载超调量小、过渡时间短,和传统电磁式发电机相比,可谓动态特性优异。这是因为传统电机励磁时间常数大,而SRG仅有单一绕组,励磁和发电分时工作,本身时间常数小,并能在每一换相周期改变控制参数甚至改变工作状态,特别是电流闭环响应很快,所以动态特性明显优于航空军标。转速高、励磁电流小,但负载变化时励磁电流相对调整量大些,所以超调量及过渡时间略大。3.4正常运行测试合理设计的SRG有较好的过载能力。6kWSRG经历了1.5倍过载2min和2倍过载5s的考验。通常SRG运行中,θ1和θ2的调控余量是保证过载的基础。过载状态出现相电流不过零的现象是正常的,这是因为SRG具有串励特性,较大ic致使续流过程延伸至励磁阶段,这样励磁电流起始值就不为零,从而获更大ic,使输出电流和功率强增。6kWSRG缺一相运行仍可输出额定以上功率,试验结果如表3及图13所示。电机是三相制,但正如上面所述,相间耦合甚少,断一相不会对系统有多大影响,调节器自动控制可以确保系统电压稳定,并靠其它相过载运行维持系统额定输出。这是SRG工作安全裕度大、工作可靠性高的突出优点。3.5撞击试验工况SR电机的电动、发电双功能是不言而喻的,这使航空、汽车用起动/发电机的实施成为可能。6kWSR电机设计目标就是起动/发电机。起动试验是反向拖动100kW交流整流子电动机,其静阻转矩为25.4Nm,起动转速范围0～6000r/min,起动过程<20s。图14为起动状态相电流实测波形。根据SR电动机特性(本文未涉及),起动时电流小、转矩大,具有很好的起动和低速电动性能。至7000～12000r/min该电机作发电运行,上述若干试验研究表明直流电源发电机具有良好的动静态性能。4srg的特点理论和实践研究都表明,SRG有诸多特点和优良性能。(1)它是一种可控电流源,可以高效转换机械能为脉冲电能输出。带有滤波元件(如电容)或贮能装置(如蓄电池)可作为一种直流电源应用,配备相应变换器也可作为交流电源应用。(2)电机是双凸极结构、集中绕组,它本身是最简结构电机,可适用于高速和恶劣环境中应用。高速运行可提高能流密度,电机只在定子设一套绕组,冷却方便,效率高。(3)SRG具有串励特性,过载能力强;多相电机的相间耦合弱,缺相运行适应能力也强;常规的每相双开关方案主电路不会发生电源直通故障,所以它具有较好的安全裕度。(4)电动、发电双功能,可以构成良好的起动/发电装置。典型的是航空SR起动/发电机有其成功的成果。SRG存在的主要缺点:(1)必须要位置闭环控制,因此通常要用转子位置检测器,这使结构和工作可靠性受损。已有若干无直接位置检测方案,还有待进一步成熟化。(2)SRG是一非线性系统,双凸极结构、非线性磁特性加上开关器件及控制的非线性,使得分析、设计、研