开关磁阻电机翻译Word格式文档下载.docx

开关磁阻电机翻译Word格式文档下载.docx

《开关磁阻电机翻译Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关磁阻电机翻译Word格式文档下载.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

本文安排如下：

第二部分侧重于开关磁阻发电机的机电部分，这包括对转矩的生产和对能量转换过程的简短讨论。

这样做的目的是加深对开关磁阻发电机操作的理解，说明一些控制上的问题。

第三部分重点是控制结构及其执行情况，这是第二部分中电动机械概念的发展。

本文中所讨论的许多概念都是通过汽车起动/发电机中的开关磁阻发电机为实例来说明的。

2开关磁阻发电机的电机械学

在本节中，我们重点研究开关磁阻发电机的电机学原理，目的是通过了解能量转换的过程，使我们能够更好地了解开关磁阻发电机的控制。

为了便于说明，我们将使用图1中的开关磁阻发电机为例。

图 

1是一台三相24个定子磁极、16个转子磁极，即24/16开关磁阻发电机，目前已开发应用与汽车领域。

文献[4]和[5]对其性能都有研究。

从以往的经验来看，这是当前开关磁阻发电机的典型性质。

图2单相励磁电路

图1中的开关磁阻发电机定转子上有钢制绕线结构。

每个定子凸极周围都放置有集中绕组。

单极周围的线圈接成相绕组。

转子上没有绕组和永磁体，这样可以保证高速操作时转子结构的完整性。

其中绕线结构和相绕组的设计超出了本文的范围，有兴趣的读者可以参考文献[9]，其中讨论了有关开关磁阻发电机的电磁设计问题，这些问题类似于开关磁阻电动机。

正如文献[4]讨论的那样，图1中开关磁阻发电机的设计需要兼顾两个相互矛盾的要求。

第一个要求是在内燃机低速起动时提供高转矩，第二个要求是从发动机空转到达到最大转速的过程中一直提供电能。

这两个相互矛盾的要求导致了在进行磁路设计时，必须满足最大功率为6千瓦时转速从500-5000r/min。

由于要求高起动转矩的影响，要产生500-1000r/min的转速的话就必须要进行电流控制，而产生1000r/min的转速则不需要电流控制。

图1中的开关磁阻发电机是通过一个共同的不对称桥励磁的。

图2显示了逆变器的一个阶段，它使用相同的直流电源，通过两个可控开关对开关磁阻发电机的每一相励磁，再通过二极管对该相灭磁。

当然，也有其他的逆变器拓扑结构用于发电机系统，通常包含励磁和去磁功能，详见文献[2]，[9]，这两篇参考文献中有这些拓扑结构的描述。

相励磁是基于开通角

和关断角

。

导通角

是指本阶段是激发：

-

-

一些学者指闭合角为导通角。

图2所示逆变器内的开关变换器和二极管必须提供的最大直流母线电压和最大相电流。

对于图1所示的开关磁阻发电机，最大相电流的出现在低速运行时，这种情况下相电流需要调节，最高电压出现在开关磁阻电机作发电机状态运行时。

A能量转换

对于开关磁阻发电机，通过相电流随着转子的位置的准确同步将机械能转换为电能。

在发电过程中，开关磁阻发电机产生负的转矩阻止转子旋转，从而从原动机中获得电能。

这是通过整流器按一定的顺序激发每一相，以实现不间断的能量转换过程。

图3理想化的电感变化以及电动和发电运行下的电流

开关磁阻发电机的转矩，和开关磁阻电机的一样，是由于定子磁极吸引最近的转子磁极而自然产生的。

如果相电流在转子磁极与定子磁极对齐之前激发，那么转子受到的转矩与转子旋转方向一致，作电动机运行。

如果相电流是在转子磁极子通过对齐的位置时激发，则转子所受的转矩与转子旋转方向相反，作发电机运行。

图3显示了在基本速度以上时，电动运行和发电运行情况下理想的电感与相电流之间的关系。

对于开关磁阻发电机和开关磁阻电机，基本速度是指在相电流保持恒定而不需要电流调节时的速度。

基速可视为是在推迟电动力（EMF）平衡电压源和电阻压降时的速度。

由于电阻压降的标志不同，开关磁阻电机SRM和开关磁阻发电机SRG的基速稍有不同。

对于开关磁阻发电机，恒定的相电流由图2中的二极管提供，具体理由如下文述及。

更普遍而言，开关磁阻发电机有空间上和磁路上的非线性性，因此在设计时必须考虑到它的磁路结构和控制。

对于图1开关磁阻发电机，其一相的磁通耦合如图4所示，它是对应于不同转子位置的相电流的函数。

转子位置由机械测量给出，与a相的定转子间位置精度相一致。

转子位置电气角度可以机械位置角乘以转子的极数，在这种情况下是乘以16。

平衡位置附近的磁路的非线性性是比较明显的，而非平衡位置则不明显。

图4根据电流和转子位置的相磁链

图5根据转子位置和电流的相磁链

图6在转速为1500、3000r/min时的能量转换过程，圆圈处标明开关闭合

图4的数据是通过有限元分析模型获得的，随后文献[11]中用该方法描述采用关系式

（1）

（2）描述。

对于图4的另一种描述方法见图 

5，将磁链看作是对应于不同的相电流的转子位置的函数[10]。

5同时显示了实际开关磁阻发电机中空间和磁路的非线性性。

B励磁和发电

开关磁阻发电机需要激励源来产生电能。

这种激励是来源于一个开关逆变器，如图2所示。

当可控开关开通，电流流入开关磁阻发电机的相绕组里。

作发电机运行时，励磁一般从接近于平衡位置的地方开始，这时的转速比较低。

励磁通常要快于速度的增加以实现在平衡位置前励磁。

这有点类似于之前介绍的开关磁阻电机控制。

在控制开关关断后，更多的能量回到电源而不再用作励磁。

如图6所示，它显示了图1中开关磁阻发电机运行在两个不同速度下的能量转换周期。

每个回路按顺时针的方式进行。

由闭合回路形成的区域都对应于从机械能到电能转化的这两种情况。

转子每旋转一周都会有

能量转换周期，其中 

q是相数。

6中的圆圈表明控制开关闭合，相电流是由图2中的二极管的提供。

为了更好地了解开关磁阻发电机的励磁以及通过相绕组提取能量的问题，我们来看看在开关磁阻发电机的反电动势系数。

首先，开关磁阻发电机一相的电动力学关系为

（3）

因为相磁链是电流和位置角的函数，式（3）可写作

（4）

或

（5）

右边的式（5）第一项代表由相绕组产生的反电动势，第二项代表相电感两端的电压降。

开关磁阻发电机的反电动势系数为

，它表明对电流的偏导数为一个常量。

由此可见，开关磁阻发电机的反电动势该系数是磁链对位置角的斜率，如图5所示。

7给出了三相开关磁阻发电机的反电动势系数。

在其他的电机里，如无刷直流电机，这种

有时也被称为反电动势常数，这里不使用这个术语，因为从图7上来看，它很难看的出来。

图7三种电流下的反电动势系数

图7中有几个特点值得注意。

首先，在相电感逐渐减少的区域内，反电动势系数为负，在相电感逐渐增加的区域内，反电动势系数为正。

其次，反电动势系数使空间和磁路仍然存在非线性性，如图4 

和图5所示的磁链数据。

第三，最大反电动势系数随电流达到某一点后，相电流继续增加反而会降低反电动势系数。

图8相励磁时的逆变器结构图9相去磁时的逆变器结构

图8和图9分别显示了励磁区间和去磁区间的逆变器电路拓扑结构。

要判断相电流的电动力，可以通过反电动势的相对符号和大小与外加电压相比得到。

例如，在平衡位置励磁前，不论反电动势如何，相电流总是增加的，降低了电源电压的效果。

当转子进入相电感递减区域时，就可以维持导通角，得到足够大的相位电流，。

去磁过程中的性质可以通过比较反电动势和电压源的相对大小来进行评估。

如果电源电压的幅值大于反电动势，相电流将会减小。

这可能需要在低速发电时多周期励磁，从而导致当转子从平衡位置转向非平衡位置时需要特定的电流波形以维持励磁。

在转子高速运行时，在负电源电压下电压反电动势有助于增加相电流，在控制开关关断后降低磁链。

这种情况在

的时候出现。

相电流波形会随着速度增加而剧烈上升。

如图10所示，它表示了图6中的能量转换周期中相电流的波形。

由于反电动势较大导致峰值因数较大，在3000r/min运行时的波形比在1500r/min时拥有更大的峰值因数。

在1500r/min时的波峰值因数为2.22，而在3000r/min的峰值因数为2.36。

峰值因数的定义为转子相电流峰值的均方根值。

请注意，尽管速度差异较大，并且对应到转子位置从理想化相电感降低一直到最小值的区域，达到峰电流的转子位置基本不变。

这一特征是开关磁阻发电机的典型特征，就像在基速以上，作电动机运行时峰值相电流通常出现在相电感从最小值开始增加的位置。

这种现象源于平衡或者非平衡位置一边的反电动势系数的快速变化，如图7所示。

除了高速时增加峰值因数外，当反电动势幅值远大于电源电压时，开关磁阻发电机在开环运行时并不稳定。

这种不稳定的本质是增加的电源电压来增加励磁电流，从而增加原动机的输出。

增加的能量转换的速度通常超过了在负载增加导致励磁电压增加的速度。

根据不同性质的负载，这个额外的能量转换可能需要更大程度地增加激励电压。

文献[2]和[3]对这种现象进行了讨论。

当只有电阻负载，即电源消耗与励磁电压的平方成正比的情况下，图1中的开关磁阻发电机的已经不稳定了。

图10图6的能量转换过程中根据转子位置的电流波形

更进一步讲，这种不稳定的趋势有助于开关磁阻发电机的自我励磁，而往往剩磁足以启动自我励磁的过程。

若不采用可控开关，图1中的开关磁阻发电机能向直流母线冲入一个小的电压，对于有送入300V直流母线供电的开关磁阻发电机，通常小于10V。

可控开关应用于小母线的电压来提供励磁电流，同时考虑开环运行的不稳定性，可快速将直流母线充电到其预定的工作电压。

虽然大量的实验数据已经确认了开关磁阻发电机自我励磁，但对这一现象还没有一个详细的解释。

在开关磁阻发电机可自激的条件下，我们还可以开展更多的工作。

C控制的含义

第二节的B提出几个对控制的实现有影响意义的励磁问题。

为清楚起见，本节概述这些问题时与我们准备讨论如何控制开关磁阻发电机一样。

这些观点类似于对开关磁阻电机的控制。

1）一旦开关磁阻发电机进入单脉冲运行而且超过基速，我们是没有办法控制最高的相电流出现的。

我们必须采用许多开通角和导通角的组合，来产生相同的输出功率。

一个重要问题是如何选择最佳的激发参数。

这是开关磁阻发电机比开关磁阻电动机更具有挑战的一点，因为开关磁阻发电机的相电流峰值出现的同时可控开关都已闭合。

对于开关磁阻电动机，开通角可以用来直接控制峰值电流，从而将开通角与导通角的控制作用区分开来。

对于开关磁阻发电机，开通角和导通角既可以共同控制相电流的峰值，也可以分别控制相电流的峰值。

2）对于基速以下的运行状态，控制相电流是必要的。

通常使用同步控制相开关来控制发电过程中的相电流。

对于开关磁阻发电机，相绕组的研究缺乏价值。

3）开通角和关断角必须提前，以保证电机基速以上的恒功率运行，两者超前的速度一般是不同的，一直到导通角达到最大值。

3开关磁阻发电机的控制

有关开关磁阻发电机的原理和能量转换原则在上一节中已经讨论过了，我们现在考察关于开关磁阻发电机的控制。

我们这次的讨论以如何构建一个典型的开关磁阻发电机控制器开始。

接下来，我们把注意力放在选择“最佳”的励磁参数的方法上来。

最后，我们讨论一些具体的控制实现方法。

图11SRG速度控制器结构

图12SRG功率控制器结构

A控制器结构

开关磁阻发电机控制器的结构性质与开关磁阻电机相似。

对于从基速以下到基速以上的运行，必须有一个整流器来确定合适的触发和关断角。

低于基速时，电流控制则是必需的，这是一般结合整流器信号和由期望值与实际值关系决定的信号共同完成的。

整流器和电流调节器在一个非常短时间段里动作，这意味着这些循环构成了最重要的控制因素。

外部回路通常与开关磁阻发电机速度控制有关，或者与开关磁阻发电机的平均输出功率有关。

前者的应用，例如风能是将关注开关磁阻发电机的控制速度相对于风速的情况以获得最大的利用效率[7][8]。

后者的应用，例如飞机的电源系统则是将需要调节平均功率（或电流）输出。

图11和图12分别总结出了开关磁阻发电机用于控制速度和功率的控制器结构。

开关磁阻发电机控制器的设计之所以具有挑战，是因为以下三个原因。

首先，开关磁阻发电机的输出往往是开环不稳定。

如上所述，当开关磁阻发电机的速度增加到基速以上，直流电流的输出增加伴随着电压的增加。

这种情形要求通过应用闭环控制增加稳定性。

第二，开关磁阻发电机系统是高度非线性的，这使得难以选择合适的控制增益。

第三，有一定输出功率的励磁参数不是唯一的。

如果采用开关磁阻发电机向一个足够大的电源供电，那么可能没有必要关闭外部控制回路来控制提供给负载平均功率。

例如，应用在汽车上的电池完全可以防止系统电压失控。

但是对电池的充电进行适当的控制，将在一定程度上影响开关磁阻发电机产生的平均功率。

B励磁参数的理想选择

图11和图12所示控制器最具挑战性的部分是整流器的开通角和关断（或传导）角的选择。

虽然这对开关磁阻电机也具有挑战性，但是它的优化也更直接，因为只有开通角才决定峰值相电流，文献[12]就是探讨开关磁阻电机的励磁优化的。

对于开关磁阻发机，无论是开通角还是关断角在基速以上时都会影响峰值相电流。

图13转速3000r/min下，根据励磁参数的平均直流母线电流

低于基速运行时，开关磁阻发电机非常相似于开关磁阻电机。

特别是相电流会受控制在低于由转子位置角设定的规定值。

除非有很低的转矩脉动，否则该规定值名义上是一个常数。

在电感下降的区域以上，电导将会受到影响。

开通角的选择取决于在进入产生转矩的区域前，有足够的时间来提供相电流。

开关磁阻发电机电流控制的通常要求图2中的控制开关协同动作。

为了说明优化的问题，图13显示了在3000r/min、恒定直流300V的总线工况下，根据图1中的开关磁阻发电机的开通角产生的平均直流母线电流。

这些数据表明，有多种组合激发参数提供相同的平均直流母线电流。

一些典型的能指标，如效率、转矩脉动，直流母线电流有效值等，要产生相同的输出功率的不同励磁参数的组合有明显地不同。

图14显示在转速为3000r/min时，图1中开关磁阻发电机的产生平均直流母线电流的相电流的有效值[5]。

每个点对应一组不同的开通角和关断角，圆圈点对应于产生某一直流母线电流的最小相电流有效值。

每个工作点的效率的最大化是优化的目标，最大限度地减少相电流的有效值是一个相当务实的做法。

最小化的相电流有效值意味着最大限度地减少开关磁阻发电机的电阻损耗，减少开关磁阻发电机的峰值电流，从而最大限度地减少内部损耗和在逆变器内部的传导损耗。

更精确的优化需要非常详细的发电机系统模型，包含每一种损耗的原理，而这在实践中往往难以实行[13]。

最小化相电流有效值是一个合理的目标，例如自整定控制[14][15]。

这当然是可以执行的优化实验，用以建立一套基于速度和所需的直流母线电流的励磁参数表。

如图 

15和16所示，系统根据速度和平均直流母线电流运行，图1中的开关磁阻发电机的开通角和导通角可以使系统达到最大效率。

我们可以根据图15和16中的数据来计算励磁参数，而不是使用一个表。

这是文献[1]里采用的方法，用以处理电动机模型。

图15和16显示了一种为获得更高的输出电流（功率）而进行触发和延长导通的趋势。

其他的优化标准可能包括减少转矩脉动或是直流母线电流有效值。

虽然这些标准可能会导致不同的激发参数选择而不是最小化的相电流有效值，而最小的相电流有效值往往会同时减少转矩脉动和直流母线电流有效值，因为它可以减少相电流的峰值和正的转矩，从而导致大量的直流母线电流有效值和转矩脉动。

在应用开关磁阻发电机系统来控制励磁电压方面，线性化可能是首选的优化目标。

这些应用包括航空动力系统。

文献[1]和[3]讨论了线性化控制。

在文献[1]中，作者报告了在相电流关断时开关磁阻发电机的线性化控制特性的。

增加开通角会增加直流母线电流。

在低功率水平，开通角是固定的，而采用关断角来控制平均电流以提高系统的效率。

在文献[3]中，作者固定开通角，根据导通角来选择平均直流母线电流示意图来全面线性化控制特性。

图14转速为3000r/min时，根据平均直流母线电流的相电流有效值

图15根据转速和平均直流母线电流的最大效率开通角

C控制策略

开关磁阻发电机控制通常是通过计算机来完成，无论是一个微控制器，数字信号处理器（DSP），或更复杂。

图11和12表明，多个任务必须由控制器处理。

实现励磁参数和电流控制是最关键的，因为开通角上微小的错误将对机电性能产生重大的影响[13]。

整流器和电流稳压器一般工作在非常短的时间间隔，而外部控制回路通常运行在一个相当长的时间段内。

时间长度的区分经常可以用来辅助外部控制回路的设计[3]。

图16根据转速和平均直流母线电流的最大效率导通角

图17使用基于ROM的开关位置表来实现开通角控制的方法，多个数据表用于不同的传导角度

对于开关磁阻发电机，必须以极高的速度运行，它可能必须由硬件里的整流器执行，但是整流器的参数则是由软件设定的。

这是方法出自文献[1]，其中的转子位置角是通过一个基于ROM的开关状态表进行搜索的。

开通角的调整是通过转移基本指针到状态表来完成的。

这一概念的实质如图17所示。

导通角的调整是通过在ROM中并联多个表来实现，每一个基于上不同的导通角。

由于开关磁阻发电机的空间频率，ROM表只需要足够大就能在每个周期内被访问的表Nr次。

图18图1所示SRG根据转矩和转速的系统效率

应用DSP进行电机的优化控制，可能将整流和电流调节算法直接联系到处理器，从而简化了系统硬件。

DSP芯片上通常有脉宽调制（PWM）发生器，数模转换器，和接口单元增量编码器。

对于这种类型的控制，我们可以通过查找状态表和比较法来执行整流方案。

这是针对图1中的开关磁阻发电机采取的办法。

转子轴分辨率（电气）为5时其效率是相当可观的，详见文献[4]和[5]中与此相关系统的组件及系统的性能数据。

图18中给出了图1所示的开关磁阻发电机系统（包括开关磁阻发电机和逆变器）的效率。

4结论

本文关注的是开关磁阻发电机及其控制。

虽然与开关磁阻电机有许多共同特征，但是还是有一些重要的区别。

首先，开关磁阻发电机大部分的应用都是面向恒定功率输出，因而开关磁阻发电机在基速以上的运行情况值得研究。

其次，在基速以上运行时，发电机系统励磁电压的增加会导致平均直流母线电流的增加。

在某些系统中，这表明它开环运行的不稳定性，因此必须采用闭环控制。

第三，在基速以上的运行有两个励磁参数影响峰值相电流。

这样能够满足所需的机电性能以及与其他控制目标。

对于向恒定电压的直流母线供电的开关磁阻发电机系统，一般优化的是效率。

对于向变压直流母线供电的开关磁阻发电机系统，，通常优化其控制线性化。

这可以通过使用一个固定关断角的电流或通过逆映射线性化目标来完成，这样就可以得出平均直流母线电流和开关角组合之间的确定关系。

开关磁阻发电机能够在很宽的速度范围内取得较高的系统效率。

在恒定功率输出时，在3：

1变速范围内系统效率基本不变，而在10：

1变速范围内的系统效率都是可以接受的。

若转子结构能够适应高速旋转，而且电机整体结构可以承受极端的工作环境，那么开关磁阻发电机可在很宽变速范围内达到很高的系统效率。

致谢

对Y.Sozer博士在部分图表绘制上的帮助深表谢意。

参考文献

[1]S.R.MacMinnandJ.W.Sember,“Controlofaswitched-reluctanceaircraftstarter-generatoroveraverywidespeedrange,”inProc.Inter-societyEnergyConversionEngineeringConf.,1989,pp.631–638.

[2]A.Radun,“Generatingwiththeswitched-reluctancemotor,”inProc.IEEEAPEC’94,1994,pp.41–47.

[3]D.E.CameronandJ.H.Lang,“Thecontrolofhigh-speedvariable-reluctancegeneratorsinelectricpowersystems,”IEEETrans.Ind.Applicat.,vol.29,pp.1106–1109,Nov./Dec.1993.

[4]J.M.Kokernak,D.A.Torrey,andM.Kaplan,“Aswitchedreluctancestarter/alternatorforhybridelectricvehicles,”inProc.PCIM’99,1999,pp.74–80.

[5]]E.Mese,Y.Sozer,J.M.Kokernak,andD.A.Torrey,“Optimalexcitationofahighspeedswitchedreluctancegenerator,”inProc.IEEEAPEC2000,2000,pp.362–368.

[6]M.Besbes,M.Gabsi,E.Hoang,M.Lecrivain,B.Grioni,andC.Plasse,“SRMdesignforstarter-alternatorsystem,”inProc.ICEM2000,2000,pp.1931–1935.

[7]D.A.Torrey,“Variable-reluctancegeneratorsinwind-energysystems,”inProc.IEEEPESC’93,1993,pp.561–567.

[8]R.Cardenas,W.F.Ray,andG.M.Asher,“Switchedreluc