開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行原理及應(yīng)用

1、開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行原理及應(yīng)用（二） （低軸阻發(fā)電機(jī)參考資料）      1 引言    開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SDR)具有一些很有特色的優(yōu)點(diǎn):電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)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)、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，

2、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    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

3、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)子即將達(dá)到平衡位置時(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，則轉(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)，而僅取決于相繞組的通電順序。若通

4、電順序改變，則電機(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，達(dá)到預(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

5、，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)，輸入的凈電能一部分轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)儲(chǔ)能，一部分轉(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)能一部分轉(zhuǎn)化為電能回饋電源，另一部分則轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出。    2.

6、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)矩則隨著轉(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)

7、速再增加時(shí)，由于可控條件都已經(jīng)達(dá)到極限，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，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

8、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，

9、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(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 aerospace)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。  &

10、#160; 我國在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)在國家“九五”預(yù)研基金和國家教委博士點(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

11、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，從而達(dá)到很高的能流密度。    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

12、當(dāng)前相的主開關(guān)元件，而導(dǎo)通下一相，則下一相繞組會(huì)在轉(zhuǎn)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)電前有電源提供給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:  &

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(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)，s

14、rg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)，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