无轴承开关磁阻全周期发电机的加宽导通控制策略及其优化.docx

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无轴承开关磁阻全周期发电机的加宽导通控制策略及其优化

无轴承开关磁阻全周期

发电机的加宽导通控制策略及其优化

摘要：

采用加宽导通控制策略的无轴承开关磁阻全周期发电机的输出建压随开通关断角的变化而变化，且变化规律比较复杂，因此研究该控制策略下的角度优化方法是必需的。

本文阐述了全周期发电和加宽导通控制策略的基本原理，在不加悬浮力的情况下，运用相电流解析的方法从理论上研究该控制策略下的角度优化，提出一种固定开通角优化关断角的方法，并分析了加悬浮力对上述理论的影响。

该方法以理论为基础，结合少量仿真便可解算出最优关断角。

仿真结果验证了本文的理论分析。

关键词：

无轴承开关磁阻电机；全周期发电机；控制策略；加宽导通；角度优化

TheWide-excitationControlStrategyandItsOptimizationofFull-periodBearinglessSwitchedReluctanceGenerators

Abstract:

Theoutputvoltageofthefull-periodbearinglessswitchedreluctancegeneratorunderthewide-excitationcontrolstrategyvarieswiththevariationoftheturn-onangleandtheturn-offangle.Therefore,thispaperfocusesontheresearchofthefiringangleoptimization.Firstly,theprincipleofthefull-periodgeneratorandthewide-excitationcontrolstrategyisdemonstrated.Then,theoptimizationoftheturn-onangleandtheturn-offangleisanalyzedbymeansoftheanalyticcalculationofthephasecurrentwithoutthelevitationforce.Amethodtooptimizetheturn-offangleunderfixedturn-onangleisproposed.Finally,theinfluenceofthelevitationforcetothetheoryisresearched.Combiningwithafewsimulations,theproposedapproachbasedontheanalysiscanobtainthebestturn-offangle.Thesimulationresultsverifythetheoryinthepaper.

Keywords:

Bearinglessswitchedreluctancemotor；full-periodgenerator；controlstrategy；wide-excitation；angleoptimization

0前言

起源于上世纪八十年代末的无轴承电机根据磁轴承结构和电机定子结构之间的相似性，把磁轴承中的悬浮绕组和电机绕组同时叠绕在电机定子上，使两者磁场合成一体，通过电力电子技术和微机控制技术，同时控制电机转子的旋转和悬浮[1-7]。

与传统的磁轴承电机相比，无轴承电机具有电机结构紧凑、轴向利用率高、转轴刚度高、电能消耗少等优点[8]。

开关磁阻电机以结构简单、坚固、成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高、容错能力强等优越特性，在牵引运输、通用工业、航空工业、家用电器等各个领域都获得了应用[9-11]。

开关磁阻电机作为发电机使用时采用周期性分时发电模式，即在电感上升段励磁，在电感下降段续流发电，其功率密度与永磁电机相比有局限性。

众多学者先后提出若干方法改善电机性能，但是均没能将提高功率密度和发挥开关磁阻电机的高速适应性结合起来[12-15]。

本文研究一种新型的无轴承开关磁阻电机发电技术，将应用于高速驱动领域的无轴承技术和开关磁阻电机的发电技术相结合，研究无轴承开关磁阻电机全周期发电功能。

之所以称之为全周期发电，是因为主绕组在整个周期内均能对外输出电能，这与普通的分时发电不同。

无轴承开关磁阻全周期发电机的研究刚刚起步，尚处于探索阶段，国际国内只有本实验室在进行相关的研究，已经推导了全周期发电的数学模型，在此基础上进行了仿真，制作了一套功率变换器和控制系统，并设计了一台12/8结构实验样机。

目前研究中采用的控制策略是轮流导通控制，其优点是控制简单，缺点是励磁强度受到限制，且相交接处悬浮力不足。

因此本文研究一种加宽导通的控制策略，在阐述其基本原理的基础上，运用相电流解析的方法，从理论上研究不加悬浮力时该控制策略的角度优化，提出一种固定开通角优化关断角的方法，并分析加悬浮力对上述理论的影响，最后用仿真结果验证了上述理论的正确性。

1基本原理

1.1全周期发电机理

无轴承开关磁阻全周期发电机的悬浮原理如图1所示，悬浮绕组Nsa1+和Nsa1-分别通以大小不同的电流进行单独控制，当悬浮绕组Nsa1+通以较大电流，悬浮绕组Nsa1-通以较小电流时，磁通分布如图中所示，可以看出，气隙1处的磁通密度大于气隙2处的磁通密度，此时转子将受到向右的偏心磁拉力而向右运动。

相同情况下，若把悬浮绕组Nsa1+和Nsa1-中所加电流大小互换，转子将受到向左的偏心磁拉力而向左运动。

同理β方向的力可以通过控制β方向上的两个悬浮绕组中的电流大小不同得以产生，由此通过合理控制每相四个悬浮绕组中的电流，即可产生所需α方向和β方向上的悬浮力。

由于任意方向的悬浮力都可以由α方向和β方向的悬浮力合成来产生，所以通过实时控制各相四个悬浮绕组的电流即可实现电机转子的悬浮。

图1无轴承开关磁阻全周期发电机的悬浮原理图

图2无轴承开关磁阻全周期发电机的结构示意图

结合图2阐述无轴承开关磁阻全周期发电机的发电原理。

每个定子齿极上的悬浮绕组接H桥，每相四个定子齿极上的主绕组串联接整流桥。

通过H桥控制悬浮绕组的电流，使悬浮绕组在控制电机悬浮的同时承担励磁作用。

在电机转动过程中，主绕组匝链的磁链发生变化，根据电磁感应定律，在主绕组中会有感应电势产生，当主绕组形成回路就有感应电流产生，感应电势的方向总是企图产生感应电流来阻止线圈中磁链的变化。

在悬浮绕组关断电流后，主绕组继续续流发电，与普通开关磁阻电机分时发电的续流发电阶段类似。

无轴承开关磁阻全周期发电机的典型电流波形如图3所示，在悬浮绕组励磁阶段，主绕组中有感应电流产生，经过整流对外输出电能；悬浮绕组结束励磁后，主绕组中仍有续流电流，即在整个周期内主绕组均对外输出电能。

图3无轴承开关磁阻全周期发电机的典型电流波形

1.2加宽导通控制策略的基本原理

在加宽导通控制策略下，励磁强度与轮流导通时相比有所增加，且由于双相导通解决了相交接处的悬浮力不足问题。

12/8结构实验样机的转子角度定义如图4所示，定义转子极轴线与定子槽轴线对齐位置为0°，则相电感最大值对应22.5°。

如无特别说明，文中的角度数均为此定义下的角度数。

图412/8结构实验样机的转子角度定义

如图5所示，加宽导通控制策略下，悬浮绕组每相的导通区间[θon，θoff]大于15°，将其划分为悬浮区间和加宽区间两部分。

悬浮区间[θ1，θ2]即提供悬浮力的15°区间，区间两端点θ1，θ2的选取原则如下：

若θon>15°，则θ1=θon，θ2=θon+15°；若θoff<30°，则θ1=θoff–15°，θ2=θoff；否则，θ1=15°，θ2=30°。

导通区间除去悬浮区间剩余的即加宽区间，该区间内导通电流对称，不产生悬浮力，只加强励磁。

图5加宽导通控制策略的典型电流波形

加宽导通控制策略下的全周期发电系统如图6所示，将位移误差信号进行PID调节获得给定悬浮力Fα*，Fβ*，将发电电压误差信号进行PI调节获得给定悬浮电流is*，再结合实测主绕组电流im和位置信号参数θ，即可通过悬浮绕组电流控制器计算出一相四极悬浮绕组电流的给定值is1*、is2*、is3*、is4*。

电流斩波控制让实际电流跟踪is1*、is2*、is3*、is4*，以产生适当的悬浮力，实现电机悬浮的同时实现对发电电压的实时控制。

图6加宽导通控制策略的系统框图

图7为悬浮绕组电流控制的具体流程图。

在悬浮区间内，通过以下两式可以求出△is1*和△is2*：

（1）

（2）

其中Kf（θ）是悬浮力系数，Nm是主绕组匝数，Nb是悬浮绕组匝数。

再结合关系式△is1*=|is1*–is3*|/2，△is2*=|is2*–is4*|/2和is*=（is1*+is3*）/2=（is2*+is4*）/2即可计算出is1*、is2*、is3*、is4*。

而在加宽区间内，is1*=is2*=is3*=is4*=is*。

图7悬浮绕组电流控制流程图

2加宽导通控制策略的优化

2.1相电流解析

为了从理论上对加宽导通控制策略进行分析，首先引入无轴承开关磁阻全周期发电机在加宽导通控制策略下的相电流解析。

假设不考虑磁路饱和，不计漏磁和边缘散磁，电感近似为三角形分布，忽略开关管和二极管的压降，忽略绕组电阻的压降，悬浮绕组电流在斩波段近似平顶，转速为常数，开环建压已达到稳定，且不加悬浮力。

在以上假设下，电感和悬浮绕组电流如图8所示。

在一相中，设四极串联的主绕组自感最大值为Lmmax，最小值为Lmmin，上升率为Km，一极的悬浮绕组自感相应项依次为Lsmax、Lsmin、Ks，两者之间互感相应项依次为Mmax、Mmin、KM。

悬浮绕组电流的斩波限为ic。

将坐标原点设在电感初始上升点，则电感最大值对应的角度为θm，悬浮绕组电流上升达到斩波限的角度为θn，下降达到零的角度为θf，主绕组电流下降达到零的角度为θe。

图8线性电感和近似悬浮绕组电流示意图

在此基础上，无轴承开关磁阻全周期发电机的基本电压方程组为：

（3）

（4）

其中us为悬浮绕组励磁电压，悬浮绕组开通为+us，关断为–us；uo为输出建压，主绕组电流为负时是+uo，为正时是–uo；Km、Ks、KM在电感上升段为+Km、+Ks、+KM，下降段为–Km、–Ks、–KM；ω为电机角速度；im、is分别为主绕组和悬浮绕组的电流；Lm、Ls、M分别为主绕组自感、悬浮绕组自感和两者之间的互感；图8中的θn到θoff段和θf到θe段只用方程（4）。

根据以上分析，将图8所示的θon到θe划分成6段求解基本电压方程组得到主绕组电流：

（1）θon到θn：

（5）

（2）θn到θm：

（6）

（3）θm到θoff（假设θoff足够大使im在该段经过零）：

（7）

（8）

（4）θoff到θf：

（9）

（5）θf到2θm：

（10）

（6）2θm到θe：

（11）

其中θn和θf可以通过is的分段表达式算出，θn=–C3（θon+C1ω/C2）/（C2ic–C3）–C1ω/C2，θf=–C2/C3（θoff–C11ω/C2）/（ic–C3/C2）+C11ω/C2，θe可以通过式（11）算出；C1到C9，C11和C12是与ω、ic、us、uo、θon、θoff和电感参数相关的量，具体表达式见附录；K1到K7是根据每段电流的初值计算得