開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展概況(講座)

1、開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開展概況(講座)講座(一)開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開展概況DevelopmentofSwitchedReluctanceDrive摘要: 本文介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SwitchedReluctanceDrive,SRD)的開展概況、系統(tǒng)構(gòu)成以及目前的研究熱點(diǎn)。關(guān) 鍵 詞: 開關(guān)磁阻電機(jī)研究熱點(diǎn)Abstract:Inthispaper,development,constructionandresearchfocusofSwitchedReluctanceDrivewereintroduced.Keywords: SwitchedReluctanceMotorResearch

2、focus1 開展簡(jiǎn)介美國(guó)、加拿大、南斯拉夫、埃及等國(guó)家也都開展了SRD系統(tǒng)的研制工作。在國(guó)外的應(yīng)用中，SRD一般用于牽引中，例如電瓶車和電動(dòng)汽車。同時(shí)高速性能是SRD的一個(gè)特長(zhǎng)的方向。據(jù)報(bào)道，美國(guó)為空間技術(shù)研制了一個(gè)25000r/min、90kW的高速SRD樣機(jī)。我國(guó)大約在1985年才開始對(duì)SRD系統(tǒng)進(jìn)行研究。SRD系統(tǒng)的研究已被列入我國(guó)中、小型電機(jī)“八五、“九五和“十五科研規(guī)劃工程。華中科技大學(xué)開關(guān)磁阻電機(jī)課題組在“九五工程中研制出使用SRD的純電動(dòng)轎車，在“十五工程中將SRD應(yīng)用到混合動(dòng)力城市公交車，均取得了較好的運(yùn)行效果。紡織機(jī)械研究所將SRD應(yīng)用于毛巾印花機(jī)、卷布機(jī)，煤礦牽引及電動(dòng)車

3、輛等，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。從上世紀(jì)90年代國(guó)際會(huì)議的上有關(guān)SRD系統(tǒng)的文章來看，對(duì)SRD系統(tǒng)的研究工作已經(jīng)從論證它的優(yōu)點(diǎn)、開發(fā)應(yīng)用階段進(jìn)入到設(shè)計(jì)理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)研究階段。對(duì)SR電機(jī)、控制器、功率變換器等的運(yùn)行理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)形式等方面進(jìn)行了更加深入的研究。2 SRD系統(tǒng)的特點(diǎn)SR電機(jī)系統(tǒng)具有一些很有特色的優(yōu)點(diǎn):(1)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、鞏固、制造工藝簡(jiǎn)單，本錢低，可工作于極高轉(zhuǎn)速;定子線圈嵌放容易，端部尺寸短而牢固。工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境;(2)損耗主要產(chǎn)生在定子，電機(jī)易于冷卻;轉(zhuǎn)子無永磁體高溫退磁現(xiàn)象:可允許有較高的溫度;(3)轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，因而可簡(jiǎn)化功率變換

4、器，降低系統(tǒng)本錢。同時(shí)功率變換器不會(huì)出現(xiàn)直通故障，可靠性高;(4)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，無感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。(5)調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-速度特性;(6)在較廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)具有較高的效率。能四象限運(yùn)行，具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力;(7)有很好的容錯(cuò)能力，可以缺相運(yùn)行。 這些優(yōu)點(diǎn)使得SR電機(jī)系統(tǒng)在家用電器、通用工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機(jī)、高轉(zhuǎn)速電機(jī)等方面的到廣泛的應(yīng)用。早期的SRD由于很少考慮電機(jī)的噪聲，所有的樣機(jī)或產(chǎn)品都具有相對(duì)較大的噪聲，以至于成為SRD的一大特點(diǎn)而為人們接受。同時(shí)，SRD還具有很大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。目前，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲這兩個(gè)

5、突出問題已經(jīng)制約了SRD的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。隨著研究的深入，降低SR電機(jī)的噪聲和減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成了SRD的研究熱點(diǎn)。3 SRD系統(tǒng)構(gòu)成 SRD系統(tǒng)主要由四局部組成:SR電機(jī)本體、功率變換器、控制器及位置和電流檢測(cè)器。它們之間的關(guān)系如圖1所示:圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SRD)框圖3.1 SR電機(jī)本體 SR電機(jī)本體是SRD的執(zhí)行元件， 如圖2所示開關(guān)磁阻電機(jī)的電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖，電機(jī)為了增加出力而設(shè)計(jì)成雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子僅由硅鋼疊片疊壓而成，既無繞組也無永磁體;定子各極上有集中繞組，徑向相對(duì)極的繞組串聯(lián)，構(gòu)成一相。其工作原理遵循“磁阻最小原理磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，因此磁場(chǎng)扭曲而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的

6、電磁轉(zhuǎn)矩。假設(shè)順序給D-A-B-C-D相繞組通電,那么轉(zhuǎn)子便按逆時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。當(dāng)主開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通時(shí)，A相繞組從直流電源V吸收電能;當(dāng)S1、S2關(guān)斷時(shí),繞組電流通過續(xù)流二級(jí)管D1、D2將剩余的能量回饋給電源。圖2 典型的4相8/6極SRM橫截面圖3.2 功率變換器 功率變換器是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)所需能量的供應(yīng)者，是連接電源和電動(dòng)機(jī)繞組的功率開關(guān)部件。 80年代初，主開關(guān)器件皆用SCR。鑒于SRD電流脈沖峰值較大，而SCR電流峰值/平均電流比值高，能承受很大的浪涌沖擊，一度被視為SRD中最理想的主開關(guān)器件。但SCR無自關(guān)斷能力，開關(guān)頻率低，強(qiáng)迫換相電路本錢高，可靠性差，構(gòu)成的SRD

7、總體性能有局限。后來較多應(yīng)用GTR，但GTR承受浪涌電流能力差，存在二次擊穿問題，不易保護(hù)，限制了其在高壓、大功率場(chǎng)合下的應(yīng)用。 80年代中期，結(jié)合了SCR、GTR兩者優(yōu)點(diǎn)的GTO受到重視。因GTO兼有自關(guān)斷、快速開關(guān)能力，能承受較GTR高的電流、電壓。所以TASC Drives公司的OULTON SRD產(chǎn)品中均用GTO作主開關(guān)器件。 近年來，考慮到GTO在關(guān)斷時(shí)要求相當(dāng)大的反向控制電流，關(guān)斷控制實(shí)現(xiàn)有難度，國(guó)外小功率SRD中常用MOSFET，較大功率那么采用IGBT。功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)逆變器有很大差異，具有多種形式，并且與開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的相數(shù)、繞組連接形式有密切的關(guān)系。其中，最常見的

8、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有:不對(duì)稱半橋式、直流電源分裂式等。3.3 控制器 SR電機(jī)的運(yùn)行離不開控制器，它是實(shí)現(xiàn)SR電機(jī)自同步運(yùn)行和發(fā)揮優(yōu)良性能的關(guān)鍵。它綜合位置檢測(cè)器、電流檢測(cè)器提供的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、速度和電流等反應(yīng)信息，以及外部輸入的命令，然后通過分析處理，決定控制策略，向SRD系統(tǒng)的功率變換器發(fā)出一系列開關(guān)信號(hào)，進(jìn)而控制SR電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。 伴隨著微電子器件的飛速開展，SR電機(jī)的控制系統(tǒng)也從早期的分立模擬器件組成的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)逐漸開展成為以高性能微控制器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)，相應(yīng)地專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)給各種高級(jí)復(fù)雜控制策略的實(shí)現(xiàn)提供了可能。數(shù)字控制器由具有較強(qiáng)的信息處理功能的C

9、PU和數(shù)字邏輯電路及接口電路等局部組成。數(shù)字控制器的信息處理功能大局部是由軟件完成。因此，軟件也是控制器的一個(gè)重要組成局部。軟、硬件的配合是否恰當(dāng)，對(duì)控制器的性能將產(chǎn)生重大影響。3.4 位置、電流檢測(cè)器 位置檢測(cè)器是轉(zhuǎn)子位置及速度等信號(hào)的提供者。它及時(shí)向控制器提供定、轉(zhuǎn)子極間相對(duì)位置的信號(hào)。常見的位置檢測(cè)方案有光敏式、磁敏式及接近開關(guān)等含機(jī)械的檢測(cè)方案。電流檢測(cè)器向控制器提供SR電機(jī)繞組的電流信息，常見的電流檢測(cè)方案有:電阻采樣、霍爾元件采樣和磁敏電阻采樣等。4 SRD系統(tǒng)研究熱點(diǎn) 針對(duì)SRD系統(tǒng)的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者正在進(jìn)行以下幾個(gè)方面的深入研究。4.1 功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于SRD系統(tǒng)的

10、性能和本錢很大程度上取決于功率變換器的性能和本錢，因此功率變換器的研究意義重大，目前研究主要集中在功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主開關(guān)器件的選擇和使用等方面。SRD系統(tǒng)功率變換器是由一定數(shù)量的電力電子器件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合而成。SRD系統(tǒng)功率變換器研究初期，最少量主開關(guān)器件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)曾是研究的熱點(diǎn)，這是因?yàn)橹鏖_關(guān)器件的減少，意味者相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路以及功率損耗等相應(yīng)減少，因此系統(tǒng)的體積以及本錢會(huì)全面降低。隨著研究深入，這種觀點(diǎn)不再特別突出，主要原因是各種以減少主開關(guān)器件數(shù)目的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在減少主開關(guān)器件數(shù)目的同時(shí)，又引進(jìn)了其他諸如電容、電感等無源儲(chǔ)能元件以及輔助開關(guān)器件，系統(tǒng)的體積與本錢并未顯

11、著降低，其實(shí)質(zhì)只是通過增加單個(gè)主開關(guān)器件的容量來減少主開關(guān)器件的數(shù)目。因此更理想的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)該為:(1)能夠獨(dú)立、快速又精確地對(duì)SR電機(jī)各相相電流進(jìn)行控制;(2)磁場(chǎng)儲(chǔ)能盡可能地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，當(dāng)向電源回饋時(shí)應(yīng)高效、快速;(3)驅(qū)動(dòng)同等功率等級(jí)的SR電機(jī)，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量，可以驅(qū)動(dòng)更高功率等級(jí)的SR電機(jī);(4)每相主開關(guān)器件數(shù)目最少。4.2 多目標(biāo)優(yōu)化控制 在控制參數(shù)的優(yōu)化方面，根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，可選取不同的目標(biāo)函數(shù)，如系統(tǒng)的效率最高、平均轉(zhuǎn)矩最大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)最小等。由于SRD控制參數(shù)多、電機(jī)模型復(fù)雜，使得優(yōu)化過程計(jì)算量大，而且得到的只是針對(duì)單個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)

12、果。與傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比，SRD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制的難度要高一些。但是隨著各種控制理論在傳統(tǒng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的研究日益深入，它們?cè)赟RD系統(tǒng)中的應(yīng)用也逐漸增多。如采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，以斬波電流限為控制變量，實(shí)現(xiàn)了SR電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。一些現(xiàn)代的控制理論和方法在SR電機(jī)的控制中也得到了應(yīng)用，如模糊控制、模糊控制與PI控制結(jié)合在一起的混合式調(diào)節(jié)、滑模控制，自適應(yīng)控制、線性回饋控制以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。這些現(xiàn)代控制技術(shù)的使用局部解決了SRD系統(tǒng)的非線性多變量強(qiáng)耦合問題，但離實(shí)用技術(shù)還有一定距離，主要表現(xiàn)在一些控制技術(shù)中為設(shè)計(jì)目的提出的模型太過復(fù)雜而難以用于SR電機(jī)實(shí)時(shí)控制，而有的為控制目

13、的提出的模型那么過于簡(jiǎn)單而影響了控制的實(shí)際效果，或者因控制參數(shù)難于確定而失去實(shí)用的價(jià)值。但隨著微電子技術(shù)和高級(jí)控制技術(shù)的開展，這些控制技術(shù)必將在SRD系統(tǒng)中得到切實(shí)應(yīng)用。4.3 消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制SR電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理較為復(fù)雜，受到許多因素的影響，如電機(jī)結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、繞組匝數(shù)、轉(zhuǎn)速及控制參數(shù)等。由于SRM的雙凸極結(jié)構(gòu)，電磁特性以及開關(guān)的非線性影響，采用傳統(tǒng)控制策略得到的合成轉(zhuǎn)矩不是一恒定轉(zhuǎn)矩，因而導(dǎo)致了相當(dāng)大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這點(diǎn)限制了SRD在很多直接驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用。提出有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法具有十分重要的意義。目前已有很多文獻(xiàn)論及這個(gè)領(lǐng)域，取得了一定的效果。4.4 低噪聲控制 針對(duì)SR電機(jī)本體，

14、噪聲是一個(gè)非常突出和有待解決的問題。早期的SRD由于很少考慮電機(jī)的噪聲，所有的樣機(jī)或產(chǎn)品都具有相對(duì)較大的噪聲，以至于成為SRD的一大特點(diǎn)而為人們接受。隨著研究的深入和SR電機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，降低SR電機(jī)的噪聲成了一個(gè)關(guān)鍵的研究課題。4.5 無轉(zhuǎn)子位置檢測(cè) 位置檢測(cè)是SR電機(jī)同步運(yùn)行的根底，也是SR電機(jī)區(qū)別于步進(jìn)電機(jī)的主要方面之一，SR電機(jī)的各種高級(jí)控制技術(shù)都是以高精度的位置檢測(cè)為首要條件，為了得到良好的性能，SR電機(jī)的控制器需要知道轉(zhuǎn)子的位置信息。目前普遍采用外裝光電式或磁敏式等軸位置檢測(cè)器，這不僅增加了系統(tǒng)的體積和本錢，而且降低了系統(tǒng)的可靠性。為了消除軸位置檢測(cè)器這一不利因素，無轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)

15、技術(shù)成為SR電機(jī)研究的一大熱點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1詹瓊?cè)A. 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)M. 武漢:華中理工大學(xué)出版社,1992.2王宏華. 開關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技M. 機(jī)械工業(yè)出版社,1995.講座(二)開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行原理PrincipleofOperationforSwitchedReluctanceDriveSystem摘要: 本文分別從電路和能量角度簡(jiǎn)要表達(dá)了開關(guān)磁阻電機(jī)的電動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行原理。關(guān) 鍵 詞: 開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理Abstract:PrincipleofoperationforSwitchedReluctanceDrivesystemwhichrunsasmotorandgene

16、ratorrespectivelyareintroducedinbriefbasedontheviewsofcircuitandenergyinthispaper.Keywords: SwitchedReluctanceMotorPrincipleofOperation1 引言 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Switched Reluctance Drive system, SRD)具有一些很有特色的優(yōu)點(diǎn):電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、鞏固、維護(hù)方便甚至免維護(hù)，啟動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大、電流小;高速恒功率區(qū)范圍寬、性能好，在寬廣轉(zhuǎn)速和功率訪問內(nèi)都具有高輸出和高效率而且有很好的容錯(cuò)能力。這使得SR電機(jī)系統(tǒng)在家用電器、通用工業(yè)

17、、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機(jī)、高轉(zhuǎn)速電機(jī)、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 SR電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置。根據(jù)可逆原理，SR電機(jī)和傳統(tǒng)電機(jī)一樣，它既可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能電動(dòng)運(yùn)行，在這方面的理論趨于成熟;也可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能發(fā)電運(yùn)行，其內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系不能簡(jiǎn)單看成是SR電動(dòng)機(jī)的逆過程。本文將從SR電機(jī)電動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行這兩個(gè)角度闡述SR電機(jī)的運(yùn)行原理。2 電動(dòng)運(yùn)行原理2.1 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理 如圖1所示，控制器根據(jù)位置檢測(cè)器檢測(cè)到的定轉(zhuǎn)子間相對(duì)位置信息，結(jié)合給定的運(yùn)行命令(正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn))，導(dǎo)通相應(yīng)的定子相繞組的主開關(guān)元件。對(duì)應(yīng)相繞組中有電流流過，產(chǎn)生磁場(chǎng);磁場(chǎng)總是趨于“磁阻最小而產(chǎn)生的磁阻性電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子

18、轉(zhuǎn)向“極對(duì)極位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到被吸引的轉(zhuǎn)子磁極與定子激磁相相重合(平衡位置)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩消失。此時(shí)控制器根據(jù)新的位置信息，在定轉(zhuǎn)子即將到達(dá)平衡位置時(shí)，向功率變換器發(fā)出命令，關(guān)斷當(dāng)前相的主開關(guān)元件，而導(dǎo)通下一相，那么轉(zhuǎn)子又會(huì)向下一個(gè)平衡位置轉(zhuǎn)動(dòng);這樣，控制器根據(jù)相應(yīng)的位置信息按一定的控制邏輯連續(xù)地導(dǎo)通和關(guān)斷相應(yīng)的相繞組的主開關(guān)，就可產(chǎn)生連續(xù)的同轉(zhuǎn)向的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子在一定的轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)行;再根據(jù)一定的控制策略控制各相繞組的通、斷時(shí)刻以及繞組電流的大小，就可使系統(tǒng)在最隹狀態(tài)下運(yùn)行。圖1 三相SR電動(dòng)機(jī)剖面圖 從上面的分析可見，電流的方向?qū)D(zhuǎn)矩沒有任何影響，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與電流方向無關(guān)，而僅取決于相繞組

19、的通電順序。假設(shè)通電順序改變，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)向也發(fā)生改變。為保證電機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，位置檢測(cè)器要能及時(shí)給出定轉(zhuǎn)子極間相對(duì)位置，使控制器能及時(shí)和準(zhǔn)確地控制定子各相繞組的通斷，使SRM能產(chǎn)生所要求的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，到達(dá)預(yù)計(jì)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(gè)電感分別表示SRM的三相繞組，IGBT1IGBT6為與繞組相連的可控開關(guān)元件，6個(gè)二極管為對(duì)應(yīng)相的續(xù)流二極管。當(dāng)?shù)谝幌嗬@組的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源給第一相勵(lì)磁，電流的回路(即勵(lì)磁階段)是由電源正極上開關(guān)管繞組下開關(guān)管電源負(fù)極，如圖2(a)所示。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于繞組是一個(gè)電感，根據(jù)電工理論，電感的電流不允許突變，此時(shí)電流的續(xù)流回

20、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(zhuǎn)換關(guān)系 當(dāng)忽略鐵耗和各種附加損耗時(shí)，SRM工作時(shí)的能量轉(zhuǎn)換過程為:通電相繞組的電感處在電感上升區(qū)域內(nèi)(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向“極對(duì)極位置)，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入的凈電能一局部轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)儲(chǔ)能，一局部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出;當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，繞組電流通過二極管和電源續(xù)流，存儲(chǔ)的磁場(chǎng)儲(chǔ)能一局部轉(zhuǎn)化為電能回饋電源，另一局部那么轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出。2.4 SR電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性12 SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度低于fc(第一臨界速度)的范圍內(nèi)，為了保證max和i不超過允許值，采用改變電壓、導(dǎo)通角和觸發(fā)角三者中任一個(gè)或任兩個(gè)，或

21、三者同時(shí)配合控制。當(dāng)SR電動(dòng)機(jī)在高于fc范圍運(yùn)行時(shí)，在外加電壓、導(dǎo)通角和觸發(fā)角都一定的條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，磁鏈和電流將下降，轉(zhuǎn)矩那么隨著轉(zhuǎn)速的平方下降(如圖3中細(xì)實(shí)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(dǎo)通角又不能無限增加(一般不能超過半個(gè)轉(zhuǎn)子極距)。因此，在電壓和導(dǎo)通角都達(dá)最大時(shí)，能得到的最大功率的最高轉(zhuǎn)速sc被稱之為“第二臨界轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速再增加時(shí)，由于可控條件都已經(jīng)到達(dá)極限，轉(zhuǎn)矩將隨轉(zhuǎn)速的二次方下降，如圖3所示。圖3 SR電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 開關(guān)磁阻電機(jī)一般運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在這兩個(gè)區(qū)域中，電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特性可控。通過控制條件，

22、可以實(shí)現(xiàn)在粗實(shí)線以下的任意實(shí)際運(yùn)行特性。而在串勵(lì)特性區(qū)，電機(jī)的可控條件都已達(dá)極限，電機(jī)的運(yùn)行特性不再可控，電機(jī)呈現(xiàn)自然串勵(lì)運(yùn)行特性，故電機(jī)一般不會(huì)運(yùn)行在此區(qū)域。 運(yùn)行時(shí)存在著第一、第二兩個(gè)臨界運(yùn)行點(diǎn)是開關(guān)磁阻電機(jī)的一個(gè)重要特點(diǎn)。采用不同的可控條件匹配可以得到兩個(gè)臨界點(diǎn)的不同配置，從而得到各種各樣所需的機(jī)械特性，這就是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良調(diào)速性能的原因之一。從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)看，兩個(gè)臨界點(diǎn)的合理配置是保證SR電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)合理，滿足給定技術(shù)指標(biāo)要求的關(guān)鍵。 從控制角度看，在上述兩個(gè)區(qū)域采用不同的控制方法，在第一臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速之間采用角度位置控制方

23、式(APC方式)。3 發(fā)電運(yùn)行原理3.1 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(Switched Reluctance Generator)簡(jiǎn)介 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(SRG)的研究始于20世紀(jì)80年代末。初期它是被用作飛機(jī)上的起動(dòng)/發(fā)電機(jī)的，所以，又稱為SR起動(dòng)/發(fā)電機(jī)456。由于開關(guān)磁阻電機(jī)在航天飛機(jī)中的廣闊應(yīng)用前景，引起了一些國(guó)家政府部門和航天企業(yè)的高度重視。1990年美國(guó)空軍(USAF)、Wright實(shí)驗(yàn)室、WPAFB聯(lián)合與通用電氣飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司(General Electric aircraft Engine)簽約，共同資助GE公司開展開關(guān)磁阻組合起動(dòng)/發(fā)電機(jī)的研究。Lucas航空公司(Lucas Aerosp

24、ace)也開展了SR起動(dòng)/發(fā)電機(jī)的研究，認(rèn)為SR起動(dòng)/發(fā)電機(jī)可以在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的緊急情況下，由風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)(Windmilling engine)驅(qū)動(dòng)為眾多的機(jī)載設(shè)備提供更加可靠的應(yīng)急電源。 我國(guó)在SR發(fā)電機(jī)的領(lǐng)域也開展了相關(guān)的研究活動(dòng)。其中西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)在國(guó)家“九五預(yù)研基金和國(guó)家教委博士點(diǎn)基金的資助下進(jìn)行SR起動(dòng)/發(fā)電機(jī)的相關(guān)研究，研制了4kW的SR起動(dòng)/發(fā)電機(jī)3。南京航天航空大學(xué)也開展了SR發(fā)電機(jī)的研究工作。與其它發(fā)電機(jī)相比，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):(1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單其定、轉(zhuǎn)子均為簡(jiǎn)單的疊片式雙凸極結(jié)構(gòu)，定子上繞有集中繞組，轉(zhuǎn)子上無繞組及永磁體;(2) 容錯(cuò)能力強(qiáng)無論從

25、物理方面還是從電磁方面來講，電機(jī)定子各相繞組間都是相互獨(dú)立的，因而在一相甚至兩相故障的情況下，仍然能有一定功率的電能輸出;(3) 可以作成很高轉(zhuǎn)速的發(fā)電裝置，從而到達(dá)很高的能流密度。3.2 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理 如圖4所示，與電動(dòng)運(yùn)行時(shí)不同，繞組在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)離“極對(duì)極位置(即電感下降區(qū))時(shí)通電，產(chǎn)生的磁阻性電磁轉(zhuǎn)矩趨使電機(jī)回到“極對(duì)極位置，但原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子克服電磁轉(zhuǎn)矩繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，是阻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)。圖4 三相SR發(fā)電機(jī)剖面圖 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到下一相的“極對(duì)極位置時(shí)，控制器根據(jù)新的位置信息向功率變換器發(fā)出命令，關(guān)斷當(dāng)前相的主開關(guān)元件，而導(dǎo)通下一相，那么下一相繞組會(huì)在轉(zhuǎn)

26、子轉(zhuǎn)離“極對(duì)極位置通電。這樣，控制器根據(jù)相應(yīng)的位置信息按一定的控制邏輯連續(xù)地導(dǎo)通和關(guān)斷相應(yīng)的相繞組的主開關(guān)，就可產(chǎn)生連續(xù)的阻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下發(fā)電。3.3 電路分析 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律“運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，而SRG轉(zhuǎn)子僅由疊片構(gòu)成，沒有任何帶磁性的磁體。這就需要在SRG發(fā)電前有電源提供應(yīng)SRG勵(lì)磁，使其內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)。所以，SRG的特點(diǎn)是首先要通過定子繞組對(duì)電機(jī)勵(lì)磁。這一點(diǎn)和其它發(fā)電機(jī)有著很明顯的區(qū)別。SRG的工作原理如下: 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(jī)。三個(gè)電感分別表示SRG的三相繞組，IGBT1IGBT6為與繞組相連的可控開關(guān)元件，6個(gè)二極管

27、為對(duì)應(yīng)相的續(xù)流二極管。當(dāng)?shù)谝幌嗬@組的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)(即勵(lì)磁階段)，電源給第一相勵(lì)磁，電流的回路是由電源正極上開關(guān)管繞組下開關(guān)管電源負(fù)極，如圖5(a)所示。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于繞組是一個(gè)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(zhuǎn)換關(guān)系 當(dāng)忽略鐵耗和各種附加損耗時(shí)，SRG工作時(shí)的能量轉(zhuǎn)換過程為:通電相繞組的電感處在電感下降區(qū)域內(nèi)(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)離“極對(duì)極位置)，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入的凈電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)儲(chǔ)能，同時(shí)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子克服SRG產(chǎn)生的與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩對(duì)SRG做功使機(jī)械能也轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)儲(chǔ)能;當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，

28、SRG繞組電流續(xù)流，磁場(chǎng)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化為電能回饋電源，并且機(jī)械能也轉(zhuǎn)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(jī)的運(yùn)行特性 SR發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性與SR電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性類似，只不過將曲線沿速度軸翻轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)矩為負(fù)的第四象限，在此不再贅述。4 結(jié)束語 雖然SRD系統(tǒng)的開展歷程僅僅二十余年，但它取得了令人矚目的成績(jī)。其產(chǎn)品已在電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應(yīng)用、伺服系統(tǒng)、高速驅(qū)動(dòng)、航空航天等眾多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，其功率范圍也覆蓋了從10W到5MW的寬廣范圍。它已成為現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)中一支不可無視的競(jìng)爭(zhēng)力量。作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性能好、價(jià)格廉價(jià)的新型調(diào)速系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)引起各國(guó)

29、電氣傳動(dòng)界的廣泛關(guān)注和濃厚興趣，在世界范圍內(nèi)，正在形成理論研究和實(shí)際應(yīng)用齊頭并進(jìn)的開展趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)1 詹瓊?cè)A. 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)M. 武漢:華中理工大學(xué)出版社,1992.2 王宏華. 開關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，19953 劉 闖,朱學(xué)忠,劉迪吉,立 磊. 基于微機(jī)控制的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)研究J. 電力電子技術(shù),1999,5:7-9.4 Radun A V High power density switched reluctance motor drive for aerospace applicationJ.IEEE Trans on IA ,1992,28(1):1

30、13119.5 Ferreira C A,Stephen R J,Barry T D et al . Design and implementation of a five-hp,switched reluctance,fuel-lube,pump,motor drive for a gas turbine engineJ.IEEE Trans on PE.1995,10(1):55-61.6 Arthur V. Radun,Caio A. Ferreira,Eike Richter.Two-Channel Switched Reluctance Starter/Generator Resul

31、tsJ. IEEE Trans on IA,1998,34(5):1026-1034.講座(三)開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)TopologiesofSwitchedReluctanceDrivePowerConvertersMainCircuitry摘要: 本文對(duì)現(xiàn)有的開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器主電路進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分類，介紹了各類功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了比擬，對(duì)選擇SRD功率變換器有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。關(guān) 鍵 詞: 開關(guān)磁阻電機(jī)SRD功率變換器拓?fù)銩bstract:Thispapermakesabriefclassificationofswitchedreluctanced

32、rivepowerconverterwhichhasbeendeveloped,presentsdifferentkindsofpowerconvertertopologiesandcomparesthemwitheachother.ItisofgreatmeanforselectingSRDpowerconverter.Keywords: SwitchedreluctancedriveSRDPowerconverterTopologies1 引言 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是八十年代出現(xiàn)的一種機(jī)電一體化裝置，它由開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、控制器和位置檢測(cè)器組成1。開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、鞏固、制造工

33、藝簡(jiǎn)單，本錢低，可工作于極高轉(zhuǎn)速，同時(shí)隨著電力電子器件、MCU和DSP的快速開展，功率變換器和控制器也得到了開展，使得SRD成為了一種很有前景的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 SRD系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，其功率變換器與控制器更是不可別離。在整個(gè)系統(tǒng)中，功率變換器中本錢的比重很大，而且SRM由直流電壓供電，繞組電流為單極性，電流波形受系統(tǒng)運(yùn)行條件及電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的制約，很難準(zhǔn)確預(yù)料，這些都使得功率變換器的設(shè)計(jì)以及開關(guān)器件的選擇極為重要而又復(fù)雜。 本文先對(duì)現(xiàn)有的功率變換器進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類，然后分別介紹了各類功率變換器中的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最后對(duì)所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了比擬。2 功率變換器的分類及設(shè)計(jì)要求 現(xiàn)有文獻(xiàn)的開關(guān)磁阻

34、電機(jī)功率變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，這些結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于去磁方式(即每個(gè)導(dǎo)通區(qū)間儲(chǔ)存在每相繞組的能量是如何恢復(fù)的)的差異。據(jù)此，現(xiàn)有的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分成以下三類:半橋型、額外換相電路型、自換相電路型，如圖1所示。圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器分類 開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流的方向無關(guān)1，對(duì)于給其供電的功率變換器僅需提供單極性的電流即可，因此，每相工作僅需一個(gè)開關(guān)器件，和同相數(shù)其他調(diào)速系統(tǒng)相比，逆變器所需總開關(guān)器件少，同時(shí)開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組與開關(guān)器件串聯(lián)，不會(huì)出現(xiàn)直接短路故障，可靠性好。一般說來，理想的SRM功率變換器應(yīng)滿足如下要求23:最少數(shù)量的開關(guān)器件;既適用于偶數(shù)相的SR電機(jī)，亦適用于

35、奇數(shù)相的SR電機(jī);可將全部電源電壓加給電機(jī)的繞組;主開關(guān)器件的電壓額定值與電機(jī)接近;具備迅速增加相繞組電流的能力;可通過主開關(guān)器件調(diào)制，有效地控制相電流;在繞組磁鏈減少的同時(shí)，能將能量回饋給電源。3 各類功率變換器主電路拓?fù)?半橋型功率變換器控制方式靈活，有很多種改良形式，但總的來說需要元件數(shù)量較多，本錢較高。 開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器中，最靈活、應(yīng)用最廣泛的就是圖2(a)所示的不對(duì)稱橋式變換器3。每一相需要兩個(gè)開關(guān)管T1、T2和兩個(gè)二極管Dl、D2。當(dāng)T1、T2同時(shí)閉合時(shí)，相繞組ph1充電;T1、T2同時(shí)翻開后，ph1通過Dl、D2續(xù)流回饋能量。正是由于能量可以回饋，因此這種變換器效率很高。

36、而且如果出現(xiàn)兩相同時(shí)工作的情況，由于是各相獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，因而互不影響。但是所需元件數(shù)量多，因此本錢較高，主要應(yīng)用在高電壓大功率而且相數(shù)較少的場(chǎng)合。 為了保持不對(duì)稱橋式變換器的優(yōu)良性能，又盡量減少元件，進(jìn)而出現(xiàn)了不少改良的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖2(b)中，兩相除了每相開關(guān)T1、T2，還公用了開關(guān)T3、T4，減少了開關(guān)個(gè)數(shù)，但是在每相回路中存在三個(gè)開關(guān)管，這樣增加了損耗，也降低了電壓利用率4。圖2(c)中改良了這一問題5，如ph1相導(dǎo)通時(shí)，充電回路中僅含T1、T2兩個(gè)開關(guān)管;而續(xù)流時(shí)，回路通過Dl、D3兩個(gè)二極管，兩相共用器件T1、D3。圖2 半橋型功率變換器3.2 額外換相電路型(1) 電容儲(chǔ)能型 在此模

37、式下，當(dāng)主開關(guān)翻開時(shí)，儲(chǔ)存在繞組中的能量暫時(shí)儲(chǔ)存到電容里，然后回饋給直流電源或是在下一相開通時(shí)給其供電。這樣使得開通和關(guān)斷時(shí)間都縮短，于是降低了開關(guān)損耗、提高效率，這尤其是在高速運(yùn)行的時(shí)候表現(xiàn)明顯。圖3(a)為分裂式直流電源功率變換器，當(dāng)開關(guān)T1開通時(shí)，電容C1給ph1供電，T1關(guān)斷時(shí)，ph1通過續(xù)流二極管給電容C2充電，將繞組能量轉(zhuǎn)換為電容儲(chǔ)能。圖3 電容儲(chǔ)能型變換器(I) 圖3(b)是在不對(duì)稱半橋的根底上加了電容Cb1，讓Cb1儲(chǔ)能，這樣可以提高低一相開通時(shí)電流上升的速度。圖3(c)是圖3(b)的的改良，Cb2比Cb1上的電壓要低得多，因此可以選擇較廉價(jià)的電容。圖3(d)中，有ph1、ph

38、2兩相。以ph1相為例說明，當(dāng)T1翻開后，ph1通過D3給C2充電，實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存，當(dāng)下一相ph2通電時(shí)，閉合T2和Ta2，這時(shí)兩個(gè)回路同時(shí)給ph2充電，加速了開通速度。圖4 電容儲(chǔ)能型變換器() 圖4(a)、(b)中所示為所謂的c-dump轉(zhuǎn)換器6。它是利用一個(gè)串聯(lián)(圖4(a)或并聯(lián)的電容(圖4(b)，通過一個(gè)由Cb、Ta、Da和La組成的Buck(降壓)DC-DC變換器，將能量回饋到直流母線上。Cb為附加儲(chǔ)能電容，這種變換器有些文獻(xiàn)中也將其稱為含有DCDC電路的變換器。用這樣的方式來將能量從附加電容Cb傳到下一個(gè)繞組中，可以保證電容不管放電或是過充電，關(guān)閉電壓可以得到精確控制。缺乏之處在于元

39、件數(shù)量增多，控制難度較大，而且器件的設(shè)計(jì)要求到達(dá)DC-DC變換器的高頻(幾十kHz以上)，而僅在電機(jī)繞組開通或關(guān)斷時(shí)工作，造成一定的浪費(fèi)。 (2) 電感儲(chǔ)能型 如圖5所示，電感儲(chǔ)能式的變換器在一相中有兩個(gè)繞組ph1a、ph1b相互耦合，輔助繞組ph1b的作用是將儲(chǔ)存在磁芯中的能量回饋到直流側(cè)中，每相僅需要一個(gè)開關(guān)器件，但輔助繞組不可能做到完全交鏈，因此需要額外緩沖電路，而且制作電機(jī)比擬復(fù)雜(需要特制繞組)，輔助繞組的參加也加大了繞線體積，降低了單位體積銅的效用。圖5 電感存儲(chǔ)型變換器圖6 耗能型功率變換器 (3) 能量消耗型 對(duì)儲(chǔ)存在繞組中的剩余能量不是回饋，而是將其消耗掉。這樣做的好處是減少

40、了元件數(shù)量，使得結(jié)構(gòu)和控制都變得簡(jiǎn)單。但是這樣降低了效率，而且耗能電阻的發(fā)熱要注意處理。此方法多應(yīng)用在對(duì)效率要求不高而又強(qiáng)調(diào)本錢低廉的小功率場(chǎng)合。圖6(a)應(yīng)用一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻R來吸收ph中的剩余能量，圖6(b)那么將ph中的能量消耗在穩(wěn)壓管Dl上7。容易計(jì)算出消耗能量所需要的時(shí)間，如果需要電流快速減少，那么電阻發(fā)熱會(huì)比擬集中，散熱處理比擬困難。3.3 自換相電路型 應(yīng)用諧振的原理，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換相的功能。這樣實(shí)際上也實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)的功能，而且對(duì)諧振變換器應(yīng)用的研究也方興未艾，這種形式的變換器很有前途。圖7 自換相電路型功率變換器 圖7(a)中所示電路與前面的有所不同的是它實(shí)際上應(yīng)用的電源是一個(gè)等

41、效的電流源，這使得換相時(shí)兩相電流之和恒定為Io。換相的過程可分為兩個(gè)階段，以其中一次換相為例說明:開關(guān)T1翻開、T2閉合的瞬間，ph1中電流不變(Io);隨后，ph1中電流逐步減少，直到ph2中電流到達(dá)Io，換相結(jié)束。C1、C2和C3組成一個(gè)三角形電容網(wǎng)絡(luò)，與相繞組組成諧振電路。 圖7(b)是“H橋電路3，該電路比四相電容分壓時(shí)變換器少兩只串聯(lián)的分壓電容，換相時(shí)時(shí)剩余的磁能以電能形式一局部回饋電源，另一局部注入導(dǎo)通相繞組，引起中點(diǎn)電位有較大浮動(dòng)。另外，該電路要求每一瞬間必須有上、下各一相導(dǎo)通。 圖7(c)中所示電路能量回饋經(jīng)過屢次諧振8。T1斷開后，ph1給Cb諧振充電，之后Ta合上，與Lb諧

42、振，Dr2阻止反充電，Lb最終通過Drl將能量返回電源Vs。4 各類功率變換器的比擬 附表是各類功率變換器的比擬表，其中m為相數(shù)，Vs為直流母線電壓，Vt為開關(guān)管導(dǎo)通壓降。表中對(duì)三種類型的功率變換器下的各種功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需要的開關(guān)器件的數(shù)目、二極管的數(shù)目、適用相數(shù)、電源電壓利用率、是否有能量回饋、能否迅速增加開通電流做了比擬。5 結(jié)束語 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率變換器主電路有很多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一種拓?fù)涠加袃?yōu)缺點(diǎn)，也就注定了每一種拓?fù)溆衅溥m用的范圍，在拓?fù)涞倪x擇原那么上要綜合考慮，以發(fā)揮其最大效用。 近年來，電力電子器件有了長(zhǎng)足的開展，這也為我們的選擇提供了很大的余地，我們應(yīng)該根據(jù)各種開關(guān)器件的

43、性能以及主電路拓?fù)涞臋C(jī)構(gòu)選擇即經(jīng)濟(jì)又適用的器件。參考文獻(xiàn)1 詹瓊?cè)A. 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)M. 武漢:華中理工大學(xué)出版社,1992.2 張全柱,郝榮泰,鄧新華. 開關(guān)磁阻電機(jī)的幾種功率變換器拓?fù)涞男阅芊治鯦. 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化, 1995,17(4):50-54.3 王宏華. 開關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.4 A .Ometto，A Julian，and T.A. A novel low cost variable reluctance motor driveJ. Int. Conf. Electric Machines Rec,vol. l ,pp 77-79,1

44、994.5 C. Pollock and B. W. Willianms .Power converter circuits for switched reluctance motor with the minimum number of switchesJ. Proc. Inst. Elect. Eng. Vol. 137,no.6,pp373-384,19906 Hava A. M., Blasko V., Lipo T.A. A modified C-dump converter for variable reluctance machinesJ. Industry Applicatio

45、ns，IEEE Transaction ，Volume:28, Issue:5，Sep/Oct 1992 pp:1017-1022.7 Hoang Le-Huy , Phlippe Viarouge，Bruno Francoeur. Unipolar converters for switched reluctance motorJ. IEEE ,1989.8 cheng J,Yoshida M,Marai Y. Analysis and application of a part resonant circuit for switched reluctance motorJ. The 25t

46、h Annual Conference of the IEEE,Volume:3, pp:1115-1120,1999.講座(四)開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略綜述OverviewsofControlStrategiesforSwitchedReluctanceMotor摘要: 本文回憶了開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開展過程中出現(xiàn)的各種控制策略，分析和介紹各控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，展望了SRM控制策略的開展趨勢(shì)。關(guān) 鍵 詞: 開關(guān)磁阻電機(jī)控制模式控制策略Abstract:Inthispaper,wereviewallkindsofcontrolstrategiesforSRM,analyzetheirsme

47、ritsandflaws,andgivethefuturetrendsinthecontrolschemesofSRM.Keywords: SwitchedreluctancemotorControlmodesControlstrategies1 引言 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Switched Reluctance Drives，簡(jiǎn)稱SRD)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、轉(zhuǎn)矩慣量比大、效率高和本錢較低等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，被認(rèn)為是未來有很強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的一種變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。但是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)采用的是雙凸極結(jié)構(gòu)，高度飽和，故開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身是一個(gè)時(shí)變、非線性系統(tǒng)。磁阻轉(zhuǎn)矩是定子電流和轉(zhuǎn)子位置的非線性函數(shù)，傳統(tǒng)

48、的線性控制方法難以滿足動(dòng)態(tài)較快的SRM非線性、變參數(shù)要求，因此，與一般電機(jī)相比，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比擬明顯，由此引起電機(jī)噪聲及轉(zhuǎn)速波動(dòng)，這限制了它的應(yīng)用。 SRD包括了開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)、功率變換器、控制器和位置檢測(cè)器。它性能的改善不能一味地依靠?jī)?yōu)化SRM與功率變換器設(shè)計(jì)，還必須借助先進(jìn)控制策略的手段。從20世紀(jì)80年代SRM問世至今，在SRM控制方面已涌現(xiàn)出大量先進(jìn)的控制思想，并取得了有益的成果。本文結(jié)合SRM的控制模式，綜述比擬SRM的各種控制，分析和介紹了各控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，展望了SRM控制策略的開展趨勢(shì)。2 SRM的控制模式由SRM的準(zhǔn)線性模型分析得到平均電磁轉(zhuǎn)矩解析式:式中，

49、 電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù):m為電機(jī)相數(shù)，Nr為轉(zhuǎn)子極數(shù), 2為最小電感開始隨位置角變化的起始角，Lmax為最大電感，Lmin為最小電感; 控制參數(shù):Us為外加繞組相電壓, off為關(guān)斷角, on為開通角，r為轉(zhuǎn)速。 當(dāng)給定電動(dòng)機(jī)，電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是一定的。假設(shè)要改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小，只有改變SRM的控制參數(shù):定子繞組電壓Us、開通角on與關(guān)斷角off。SRM的控制就是如何合理改變這三個(gè)控制參數(shù)以到達(dá)運(yùn)行要求。根據(jù)改變控制參數(shù)的不同方式，SRM有3種控制模式，即角度位置控制(Angular Position Control，簡(jiǎn)稱APC)、電流斬波控制 (Current Chopping Control，簡(jiǎn)稱C

50、CC)與電壓控制(Voltage Control，簡(jiǎn)稱VC)。其中，APC是電壓保持不變，通過改變開通角和關(guān)斷角調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小，適于電機(jī)較高速區(qū)，但是對(duì)于每一個(gè)由轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩確定的運(yùn)行點(diǎn)，開通角與關(guān)斷角有多種組合，每一種組合對(duì)應(yīng)不同的性能，具體操作較復(fù)雜，且很難得到滿意的性能。CCC一般應(yīng)用于電機(jī)低速區(qū)，是為限制電流超過功率開關(guān)元件和電機(jī)允許的最大電流而采取的方法，CCC實(shí)際上是調(diào)節(jié)電壓的有效值，與APC類似，它也可以隨轉(zhuǎn)速、負(fù)載要求調(diào)節(jié)開關(guān)角;VC是在固定的開關(guān)角條件下，通過調(diào)節(jié)繞組電壓來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，它分直流側(cè)PWM斬波調(diào)壓、相開關(guān)斬波調(diào)壓與無斬波調(diào)壓，而無斬波調(diào)壓是通過調(diào)節(jié)整流電壓以響應(yīng)

51、電機(jī)轉(zhuǎn)速要求，在整個(gè)速度范圍內(nèi)只有一個(gè)運(yùn)行模式，即單脈沖方式。3 SRM的控制策略 在SRD開展初期，SRM及其功率變換器所具有的簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠的優(yōu)點(diǎn)，使得SRD一度風(fēng)行歐洲，傳動(dòng)界都試圖將其迅速商品化。但當(dāng)時(shí)SRD的研究尚處于開創(chuàng)階段，它的結(jié)構(gòu)理論、運(yùn)行理論、設(shè)計(jì)方法等都不成熟，大多數(shù)研究集中于SRM與功率變換器的分析、設(shè)計(jì)。而控制策略主要以線性模型為根底，結(jié)合傳統(tǒng)PI或PID控制器，簡(jiǎn)單地運(yùn)用上述3種控制模式圖如圖1所示，采用前饋轉(zhuǎn)矩(或電流)控制、反應(yīng)轉(zhuǎn)速控制。由此構(gòu)建的SRD系統(tǒng)難以獲得理想的輸出特性，不但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、噪聲大，而且系統(tǒng)魯棒性差，其動(dòng)、靜態(tài)性能無法與直流傳動(dòng)相媲美，這嚴(yán)

52、重地阻礙了SRD的商品化進(jìn)程。其原因主要為:SRM為高度非線性系統(tǒng)，具有雙凸極集中繞組的幾何結(jié)構(gòu)，為輸出最大轉(zhuǎn)矩而常常運(yùn)行于飽和狀態(tài)，磁阻轉(zhuǎn)矩是定子電流與轉(zhuǎn)子位置的非線性函數(shù)，傳統(tǒng)的線性控制方法難以滿足動(dòng)態(tài)較快的SRM非線性、變參數(shù)要求。為改善系統(tǒng)性能,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SRM的控制策略進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。圖1 SRM傳統(tǒng)控制原理圖3.1 線性化控制 考慮到SRM為耦合非線性多變量系統(tǒng)，MarijaIlic-Spong4首次將非線性控制的微分幾何方法應(yīng)用于SRM，對(duì)SRM實(shí)現(xiàn)了非線性狀態(tài)反應(yīng)線性化控制，很好地補(bǔ)償了SRM的非線性特性，解耦了定子相電流在磁阻轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生中的影響，在機(jī)器人的軌跡跟蹤中SR

53、M作為直接傳動(dòng)執(zhí)行元件取得了優(yōu)良性能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。但是這種控制策略的缺陷是，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要知道電機(jī)的所有參數(shù)，而且需要全狀態(tài)(轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、加速度、定子電流)可測(cè)。文獻(xiàn)5采用單相參考轉(zhuǎn)矩為梯形的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)，使換相期間的原導(dǎo)通相轉(zhuǎn)矩線性減小，新導(dǎo)通相轉(zhuǎn)矩線性增大，并應(yīng)用非線性轉(zhuǎn)矩控制補(bǔ)償反電勢(shì)與電感的非線性特性，從而使原非線性系統(tǒng)線性化，改善了系統(tǒng)性能，減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)4、5都說明，基于線性控制律的反應(yīng)線性化控制器比PID控制器能提供更好的動(dòng)、靜態(tài)性能，但是單純基于線性控制律的反應(yīng)線性化控制器，缺乏以處理SRM模型中的不確定性，在實(shí)現(xiàn)時(shí)系統(tǒng)性能很難保證。圖2 SRM非線性反應(yīng)線性

54、化控制的軌跡跟蹤系統(tǒng) 為了增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，針對(duì)SRM速度跟蹤應(yīng)用，考慮到模型具有不確定性，基于Lyapunov第二方法設(shè)計(jì)了魯棒的反應(yīng)線性化控制器，通過考慮系統(tǒng)模型的不確定性，雖使SRD系統(tǒng)的暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能及魯棒性有所改善，但是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍然較大，而且在額定負(fù)載下存在7%的速度誤差。TaylorD.G.6等人那么將反應(yīng)線性化技術(shù)和奇異攝動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于SRM的控制，通過減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)實(shí)現(xiàn)了SRD的高動(dòng)態(tài)性能，但是這種方法使用的是SRM的降階模型，而且它要求知道轉(zhuǎn)矩位置電流特性的先驗(yàn)知識(shí)，要求復(fù)雜的線性化和解耦變換電路。L.BenAmor基于SRM電動(dòng)態(tài)及機(jī)械動(dòng)態(tài)的全階參數(shù)化非線性模型，將非線性自適應(yīng)

55、反應(yīng)線性化控制應(yīng)用于3相SRM7這種方法減小了系統(tǒng)建模誤差的影響，使用參數(shù)的在線估計(jì)防止了預(yù)先測(cè)試，在位置控制的應(yīng)用中顯示了系統(tǒng)的高性能，即轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大大減小，具有強(qiáng)的抑制干擾能力，而且無需測(cè)量電機(jī)的加速度，無需先驗(yàn)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)容易。但是，它使用的模型忽略了磁飽和效應(yīng)，這雖然簡(jiǎn)化了磁鏈、電感與相電流間的關(guān)系，可同時(shí)又帶來了不小的誤差。3.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制 滑模變結(jié)構(gòu)控制是對(duì)不定性非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行控制的一種方法。系統(tǒng)中的控制器是由假設(shè)干個(gè)參數(shù)或結(jié)構(gòu)不同的子控制器組成的。該系統(tǒng)在工作過程中，預(yù)先為控制系統(tǒng)在狀態(tài)空間中設(shè)計(jì)一個(gè)特殊的超平面，利用不連續(xù)的控制規(guī)那么，使系統(tǒng)在一定的條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌

56、跡做小幅、高頻率的上下運(yùn)動(dòng)，迫使系統(tǒng)的狀態(tài)沿著這個(gè)規(guī)定的超平面向平衡點(diǎn)滑動(dòng)，最后漸進(jìn)穩(wěn)定于平衡點(diǎn)或平衡點(diǎn)的某個(gè)允許的鄰域內(nèi)，即滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)變化和不確定性擾動(dòng)有較強(qiáng)的魯棒性，并具有降階解耦、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)性能好和易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。但是這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)就是高頻顫抖(chatter)，這是由于各種非理想情況的存在，如開關(guān)延遲，數(shù)字實(shí)現(xiàn)時(shí)的采樣延遲等產(chǎn)生的。這種高頻顫抖現(xiàn)象增加了SRM轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。 1993年,G.S.Buja首次將變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用于SRD8，通過將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)看作干擾，將非線性看作增益偏差，無需電機(jī)的先驗(yàn)特性即可克服SRD中的問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。與傳統(tǒng)控制下的SRD相比，變結(jié)構(gòu)控制SRD的性能被改善，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大大減小，系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化及干擾不敏感，控制策略容易實(shí)現(xiàn)。但是它以SRD工作于SRM磁特性線性區(qū)為前提，忽略了磁飽和及相間耦合的影響。圖3 SRM變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)3.3 智能控制 控制