讲座(二)开关磁阻电机驱动系统的运行原理

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讲座(二讲座(二)开关磁阻电机驱动系统的运行原理)开关磁阻电机驱动系统的运行原理

作 者 ：华中科技大学电气与电子工程学院 开关磁阻电机课题组

摘 要 ：本文分别从电路和能量角度简要叙述了开关磁阻电机的电动和发电运行原理。

英文摘 要 ：Principle of operation for Switched Reluctance Drive system which runs as motor and generator respectively are introduced in brief based on the views of circuit and energy in this paper.

关键词： 开关磁阻电机   运行原理

1  引言     开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Drive system, SRD)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，启动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率访问内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。     SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能—电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能—发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。本文将从SR电机电动和发电运行这两个角度阐述SR电机的运行原理。 2  电动运行原理 2.1 转矩产生原理     如图1所示，控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令(正转或反转)，导通相应的定子相绕组的主开关元件。对应相绕组中有电流流过，产生磁场;磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合(平衡位置)时，电磁转矩消失。此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动;这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行;再根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小，就可使系统在最隹状态下运行。 图1    三相SR电动机剖面图     从上面的分析可见，电流的方向对转矩没有任何影响，电动机的转向与电流方向无关，而仅取决于相绕组的通电顺序。若通电顺序改变，则电机的转向也发生改变。为保证电机能连续地旋转，位置检测器要能及时给出定转子极间相对位置，使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，使SRM能产生所要求的转矩和转速，达到预计的性能要求。 2.2 电路分析     图2中电源Vcc是一直流电源，3个电感分别表示SRM的三相绕组，IGBT1～IGBT6为与绕组相连的可控开关元件，6个二极管为对应相的续流二极管。当第一相绕组的开关管导通时，电源给第一相励磁，电流的回路(即励磁阶段)是由电源正极→上开关管→绕组→下开关管→电源负极，如图2(a)所示。开关管关断时，由于绕组是一个电感，根据电工理论，电感的电流不允许突变，此时电流的续流回路(即去磁阶段)是绕组→上续流二极管→电源→下续流二极管→绕组，如图2(b)所示。 图2     SRM电路工作示意图 2.3 能量转换关系     当忽略铁耗和各种附加损耗时，SRM工作时的能量转换过程为:通电相绕组的电感处在电感上升区域内(转子转向“极对极”位置)，当开关管导通时，输入的净电能一部分转化为磁场储能，一部分转化为机械能输出;当开关管关断时，绕组电流通过二极管和电源续流，存储的磁场储能一部分转化为电能回馈电源，另一部分则转化为机械能输出。 2.4 SR电动机的运行特性[1][2]     SR电动机运行速度低于ωfc(第一临界速度)的范围内，为了保证Ψmax和i不超过允许值，采用改变电压、导通角和触发角三者中任一个或任两个，或三者同时配合控制。当SR电动机在高于ωfc范围运行时，在外加电压、导通角和触发角都一定的条件下，随着转速的增加，磁链和电流将下降，转矩则随着转速的平方下降(如图3中细实线)。为了得到恒功率特性，必须采用可控条件。但是外施电压最大值是由电源功率变换器决定的，而导通角又不能无限增加(一般不能超过半个转子极距)。因此，在电压和导通角都达最大时，能得到的最大功率的最高转速ωsc被称之为“第二临界转速”。当转速再增加时，由于可控条件都已经达到极限，转矩将随转速的二次方下降，如图3所示。 图3     SR电动机的运行特性     开关磁阻电机一般运行在恒转矩区和恒功率区。在这两个区域中，电机的实际运行特性可控。通过控制条件，可以实现在粗实线以下的任意实际运行特性。而在串励特性区，电机的可控条件都已达极限，电机的运行特性不再可控，电机呈现自然串励运行特性，故电机一般不会运行在此区域。     运行时存在着第一、第二两个临界运行点是开关磁阻电机的一个重要特点。采用不同的可控条件匹配可以得到两个临界点的不同配置，从而得到各种各样所需的机械特性，这就是开关磁阻电动机具有优良调速性能的原因之一。从设计的观点看，两个临界点的合理配置是保证SR电动机设计合理，满足给定技术指标要求的关键。     从控制角度看，在上述两个区域采用不同的控制方法，在第一临界转速以下一般采用电流斩波控制方式(CCC方式)，在第一、第二临界转速之间采用角度位置控制方式(APC方式)。 3  发电运行原理 3.1 开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator)简介     开关磁阻发电机(SRG)的研究始于20世纪80年代末。初期它是被用作飞机上的起动/发电机的，所以，又称为SR起动/发电机[4][5][6]。由于开关磁阻电机在航天飞机中的广阔应用前景，引起了一些国家政府部门和航天企业的高度重视。1990年美国空军(USAF)、Wright实验室、WPAFB联合与通用电气飞机发动机公司(General Electric aircraft Engine)签约，共同资助GE公司开展开关磁阻组合起动/发电机的研究。Lucas航空公司(Lucas Aerospace)也开展了SR起动/发电机的研究，认为SR起动/发电机可以在飞机发动机熄火的紧急情况下，由风力发动机(Windmilling engine)驱动为众多的机载设备提供更加可靠的应急电源。     我国在SR发电机的领域也开展了相关的研究活动。其中西北工业大学、西安交通大学在国家“九五”预研基金和国家教委博士点基金的资助下进行SR起动/发电机的相关研究，研制了4kW的SR起动/发电机[3]。南京航天航空大学也开展了SR发电机的研究工作。与其它发电机相比，开关磁阻发电机具有独特的结构特点: (1) 结构简单 其定、转子均为简单的叠片式双凸极结构，定子上绕有集中绕组，转子上无绕组及永磁体; (2) 容错能力强 无论从物理方面还是从电磁方面来讲，电机定子各相绕组间都是相互独立的，因而在一相甚至两相故障的情况下，仍然能有一定功率的电能输出; (3) 可以作成很高转速的发电装置，从而达到很高的能流密度。 3.2 转矩产生原理     如图4所示，与电动运行时不同，绕组在转子转离“极对极”位置(即电感下降区)时通电，产生的磁阻性电磁转矩趋使电机回到“极对极”位置，但原动机驱动转子克服电磁转矩继续逆时针旋转。此时电磁转矩与转子运动方向相反，阻碍转子运动，是阻转转矩性质。 图4    三相SR发电机剖面图     当转子转到下一相的“极对极”位置时，控制器根据新的位置信息向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则下一相绕组会在转子转离“极对极”位置通电。这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的阻转转矩，在原动机的拖动下发电。 3.3 电路分析     根据法拉第电磁感应定律“运动导体在磁场中会产生电势”，而SRG转子仅由叠片构成，没有任何带磁性的磁体。这就需要在SRG发电前有电源提供给SRG励磁，使其内部产生磁场。所以，SRG的特点是首先要通过定子绕组对电机励磁。这一点和其它发电机有着很明显的区别。SRG的工作原理如下:     图5中电源Vcc是一直流电源，既可以是电池，也可以是直流电机。三个电感分别表示SRG的三相绕组，IGBT1～IGBT6为与绕组相连的可控开关元件，6个二极管为对应相的续流二极管。当第一相绕组的开关管导通时(即励磁阶段)，电源给第一相励磁，电流的回路是由电源正极→上开关管→绕组→下开关管→电源负极，如图5(a)所示。开关管关断时，由于绕组是一个电感，根据电工理论，电感的电流不允许突变，电流的续流回路(即发电阶段)是绕组→上续流二极管→电源→下续流二极管→绕组，如图5(b)所示。 3.4 能量转换关系     当忽略铁耗和各种附加损耗时，SRG工作时的能量转换过程为:通电相绕组的电感处在电感下降区域内(转子转离“极对极”位置)，当开关管导通时，输入的净电能转化为磁场储能，同时原动机拖动转子克服SRG产生的与旋转方向相反的转矩对SRG做功使机械能也转化为磁场储能;当开关管关断时，SRG绕组电流续流，磁场储能转化为电能回馈电源，并且机械能也转化为电能给电源充电。 图5     SRG电路工作示意图 3.5 SR发电机的运行特性     SR发电机的运行特性与SR电动机的运行特性类似，只不过将曲线沿速度轴翻转到转矩为负的第四象限，在此不再赘述。 4  结束语     虽然SRD系统的发展历程仅仅二十余年，但它取得了令人瞩目的成绩。其产品已在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域得到成功应用，其功率范围也覆盖了从10W到5MW的宽广范围。它已成为现代调速系统中一支不可忽视的竞争力量。作为一种结构简单、鲁棒性能好、价格便宜的新型调速系统，开关磁阻电机及其调速系统引起各国电气传动界的广泛关注和浓厚兴趣，在世界范围内，正在形成理论研究和实际应用齐头并进的发展趋势。 参考文献 [1] 詹琼华. 开关磁阻电动机[M]. 武汉:华中理工大学出版社,1992. [2] 王宏华. 开关型磁阻电动机调速控制技术[M]. 北京:机械工业出版社，1995 [3] 刘 闯,朱学忠,刘迪吉,立 磊. 基于微机控制的开关磁阻发电机研究[J]. 电力电子技术,1999,5:7-9. [4] Radun A V High power density switched reluctance motor drive for aerospace application[J].IEEE Trans on IA ,1992,28(1):113－119. [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 engine[J].IEEE Trans on PE.1995,10(1):55-61. [6] Arthur V. Radun,Caio A. Ferreira,Eike Richter.Two-Channel Switched Reluctance Starter/Generator Results[J]. IEEE Trans on IA,1998,34(5):1026-1034.

zhaohongkai

虽然有点看不懂，但我相信不久的将来我就可以了，谢谢您