開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的運行原理及應用7頁

1、開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的運行原理及應用（二） （低軸阻發(fā)電機參考資料）      1 引言    開關磁阻電機驅動系統(tǒng)(SDR)具有一些很有特色的優(yōu)點:電機結構簡單、堅固、維護方便甚至免維護，啟動及低速時轉矩大、電流小;高速恒功率區(qū)范圍寬、性能好，在寬廣轉速和功率訪問內都具有高輸出和高效率而且有很好的容錯能力。這使得SR電機系統(tǒng)在家用電器、通用工業(yè)、伺服與調速系統(tǒng)、牽引電機、高轉速電機、航空航天等領域得到廣泛應用。    SR電機是一種機電能量轉換裝置。根據(jù)可逆原理，

2、SR電機和傳統(tǒng)電機一樣，它既可將電能轉換為機械能電動運行，在這方面的理論趨于成熟;也可將機械能轉換為電能發(fā)電運行，其內部的能量轉換關系不能簡單看成是SR電動機的逆過程。本文將從SR電機電動和發(fā)電運行這兩個角度闡述SR電機的運行原理。2 電動運行原理    2.1 轉矩產(chǎn)生原理    控制器根據(jù)位置檢測器檢測到的定轉子間相對位置信息，結合給定的運行命令(正轉或反轉)，導通相應的定子相繞組的主開關元件。對應相繞組中有電流流過，產(chǎn)生磁場;磁場總是趨于“磁阻最小”而產(chǎn)生的磁阻性電磁轉矩使轉子轉向“極對極”位置。當轉子轉到被吸引的轉子磁極與定子

3、激磁相相重合(平衡位置)時，電磁轉矩消失。此時控制器根據(jù)新的位置信息，在定轉子即將達到平衡位置時，向功率變換器發(fā)出命令，關斷當前相的主開關元件，而導通下一相，則轉子又會向下一個平衡位置轉動;這樣，控制器根據(jù)相應的位置信息按一定的控制邏輯連續(xù)地導通和關斷相應的相繞組的主開關，就可產(chǎn)生連續(xù)的同轉向的電磁轉矩，使轉子在一定的轉速下連續(xù)運行;再根據(jù)一定的控制策略控制各相繞組的通、斷時刻以及繞組電流的大小，就可使系統(tǒng)在最隹狀態(tài)下運行。圖1 三相sr電動機剖面圖    從上面的分析可見，電流的方向對轉矩沒有任何影響，電動機的轉向與電流方向無關，而僅取決于相繞組的通電順序。若通

4、電順序改變，則電機的轉向也發(fā)生改變。為保證電機能連續(xù)地旋轉，位置檢測器要能及時給出定轉子極間相對位置，使控制器能及時和準確地控制定子各相繞組的通斷，使srm能產(chǎn)生所要求的轉矩和轉速，達到預計的性能要求。    2.2 電路分析    圖2中電源vcc是一直流電源，3個電感分別表示srm的三相繞組，igbt1igbt6為與繞組相連的可控開關元件，6個二極管為對應相的續(xù)流二極管。當?shù)谝幌嗬@組的開關管導通時，電源給第一相勵磁，電流的回路(即勵磁階段)是由電源正極上開關管繞組下開關管電源負極，如圖2(a)所示。開關管關斷時，由于繞組是一個電感

5、，根據(jù)電工理論，電感的電流不允許突變，此時電流的續(xù)流回路(即去磁階段)是繞組上續(xù)流二極管電源下續(xù)流二極管繞組，如圖2(b)所示。圖2 srm電路工作示意圖    2.3 能量轉換關系    當忽略鐵耗和各種附加損耗時，srm工作時的能量轉換過程為:通電相繞組的電感處在電感上升區(qū)域內(轉子轉向“極對極”位置)，當開關管導通時，輸入的凈電能一部分轉化為磁場儲能，一部分轉化為機械能輸出;當開關管關斷時，繞組電流通過二極管和電源續(xù)流，存儲的磁場儲能一部分轉化為電能回饋電源，另一部分則轉化為機械能輸出。    2.

6、4 sr電動機的運行特性12    sr電動機運行速度低于fc(第一臨界速度)的范圍內，為了保證max和i不超過允許值，采用改變電壓、導通角和觸發(fā)角三者中任一個或任兩個，或三者同時配合控制。當sr電動機在高于fc范圍運行時，在外加電壓、導通角和觸發(fā)角都一定的條件下，隨著轉速的增加，磁鏈和電流將下降，轉矩則隨著轉速的平方下降(如圖3中細實線)。為了得到恒功率特性，必須采用可控條件。但是外施電壓最大值是由電源功率變換器決定的，而導通角又不能無限增加(一般不能超過半個轉子極距)。因此，在電壓和導通角都達最大時，能得到的最大功率的最高轉速sc被稱之為“第二臨界轉速”。當轉

7、速再增加時，由于可控條件都已經(jīng)達到極限，轉矩將隨轉速的二次方下降，如圖3所示。圖3 sr電動機的運行特性    開關磁阻電機一般運行在恒轉矩區(qū)和恒功率區(qū)。在這兩個區(qū)域中，電機的實際運行特性可控。通過控制條件，可以實現(xiàn)在粗實線以下的任意實際運行特性。而在串勵特性區(qū)，電機的可控條件都已達極限，電機的運行特性不再可控，電機呈現(xiàn)自然串勵運行特性，故電機一般不會運行在此區(qū)域。    運行時存在著第一、第二兩個臨界運行點是開關磁阻電機的一個重要特點。采用不同的可控條件匹配可以得到兩個臨界點的不同配置，從而得到各種各樣所需的機械特性，這就是開關磁阻

8、電動機具有優(yōu)良調速性能的原因之一。從設計的觀點看，兩個臨界點的合理配置是保證sr電動機設計合理，滿足給定技術指標要求的關鍵。    從控制角度看，在上述兩個區(qū)域采用不同的控制方法，在第一臨界轉速以下一般采用電流斬波控制方式(ccc方式)，在第一、第二臨界轉速之間采用角度位置控制方式(apc方式)。3 發(fā)電運行原理    3.1 開關磁阻發(fā)電機(switched reluctance generator)簡介    開關磁阻發(fā)電機(srg)的研究始于20世紀80年代末。初期它是被用作飛機上的起動/發(fā)電機的，

9、所以，又稱為sr起動/發(fā)電機456。由于開關磁阻電機在航天飛機中的廣闊應用前景，引起了一些國家政府部門和航天企業(yè)的高度重視。1990年美國空軍(usaf)、wright實驗室、wpafb聯(lián)合與通用電氣飛機發(fā)動機公司(general electric aircraft engine)簽約，共同資助ge公司開展開關磁阻組合起動/發(fā)電機的研究。lucas航空公司(lucas aerospace)也開展了sr起動/發(fā)電機的研究，認為sr起動/發(fā)電機可以在飛機發(fā)動機熄火的緊急情況下，由風力發(fā)動機(windmilling engine)驅動為眾多的機載設備提供更加可靠的應急電源。  &

10、#160; 我國在sr發(fā)電機的領域也開展了相關的研究活動。其中西北工業(yè)大學、西安交通大學在國家“九五”預研基金和國家教委博士點基金的資助下進行sr起動/發(fā)電機的相關研究，研制了4kw的sr起動/發(fā)電機3。南京航天航空大學也開展了sr發(fā)電機的研究工作。與其它發(fā)電機相比，開關磁阻發(fā)電機具有獨特的結構特點:    (1) 結構簡單其定、轉子均為簡單的疊片式雙凸極結構，定子上繞有集中繞組，轉子上無繞組及永磁體;    (2) 容錯能力強，無論從物理方面還是從電磁方面來講，電機定子各相繞組間都是相互獨立的，因而在一相甚至兩相故障的情況下，仍然能

11、有一定功率的電能輸出;    (3) 可以作成很高轉速的發(fā)電裝置，從而達到很高的能流密度。    3.2 轉矩產(chǎn)生原理    如圖4所示，與電動運行時不同，繞組在轉子轉離“極對極”位置(即電感下降區(qū))時通電，產(chǎn)生的磁阻性電磁轉矩趨使電機回到“極對極”位置，但原動機驅動轉子克服電磁轉矩繼續(xù)逆時針旋轉。此時電磁轉矩與轉子運動方向相反，阻礙轉子運動，是阻轉轉矩性質。圖4 三相sr發(fā)電機剖面圖    當轉子轉到下一相的“極對極”位置時，控制器根據(jù)新的位置信息向功率變換器發(fā)出命令，關斷

12、當前相的主開關元件，而導通下一相，則下一相繞組會在轉子轉離“極對極”位置通電。這樣，控制器根據(jù)相應的位置信息按一定的控制邏輯連續(xù)地導通和關斷相應的相繞組的主開關，就可產(chǎn)生連續(xù)的阻轉轉矩，在原動機的拖動下發(fā)電。    3.3 電路分析    根據(jù)法拉第電磁感應定律“運動導體在磁場中會產(chǎn)生電勢”，而srg轉子僅由疊片構成，沒有任何帶磁性的磁體。這就需要在srg發(fā)電前有電源提供給srg勵磁，使其內部產(chǎn)生磁場。所以，srg的特點是首先要通過定子繞組對電機勵磁。這一點和其它發(fā)電機有著很明顯的區(qū)別。srg的工作原理如下:  &

13、#160; 圖5中電源vcc是一直流電源，既可以是電池，也可以是直流電機。三個電感分別表示srg的三相繞組，igbt1igbt6為與繞組相連的可控開關元件，6個二極管為對應相的續(xù)流二極管。當?shù)谝幌嗬@組的開關管導通時(即勵磁階段)，電源給第一相勵磁，電流的回路是由電源正極上開關管繞組下開關管電源負極，如圖5(a)所示。開關管關斷時，由于繞組是一個電感，根據(jù)電工理論，電感的電流不允許突變，電流的續(xù)流回路(即發(fā)電階段)是繞組上續(xù)流二極管電源下續(xù)流二極管繞組，如圖5(b)所示。    3.4 能量轉換關系    當忽略鐵耗和各種附加損耗時，s

14、rg工作時的能量轉換過程為:通電相繞組的電感處在電感下降區(qū)域內(轉子轉離“極對極”位置)，當開關管導通時，輸入的凈電能轉化為磁場儲能，同時原動機拖動轉子克服srg產(chǎn)生的與旋轉方向相反的轉矩對srg做功使機械能也轉化為磁場儲能;當開關管關斷時，srg繞組電流續(xù)流，磁場儲能轉化為電能回饋電源，并且機械能也轉化為電能給電源充電。圖5 srg電路工作示意圖    3.5 sr發(fā)電機的運行特性    sr發(fā)電機的運行特性與sr電動機的運行特性類似，只不過將曲線沿速度軸翻轉到轉矩為負的第四象限，在此不再贅述。4 結束語