同步磁阻電機和控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

...wd......wd......wd...同步磁阻電機及其控制技術(shù)的開展和應(yīng)用摘要：本文簡單介紹了同步磁阻電機(SynRM)的運行原理。追溯同步磁阻電機的開展歷史，總結(jié)了同步磁阻電機的構(gòu)造和運行特點。根據(jù)同步磁阻電機的特點結(jié)合目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀討論了同步磁阻電機現(xiàn)有的幾種高性能控制方法。最后根據(jù)同步磁阻電機當(dāng)前的研究進(jìn)展結(jié)合其取得的優(yōu)越性能介紹了其在電動汽車和高速發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:同步磁阻電機1同步磁阻電機的原理SynRM運行原理與傳統(tǒng)的交、直流電動機有著基本的區(qū)別，它不像傳統(tǒng)電動機那樣依靠定、轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生磁場相互作用形成轉(zhuǎn)矩，而遵循磁通總是沿著磁阻最小路徑閉合的原理，通過轉(zhuǎn)子在不同位置引起的磁阻變化產(chǎn)生的磁拉力形成轉(zhuǎn)矩。SynRM在dq軸系下的電壓、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和機械運動方程為：電壓方程：(1)磁鏈方程：(2)電磁轉(zhuǎn)矩方程：(3)Ld、Lq為繞組d、q軸電感；Rs為定子繞組相電阻；ωr為轉(zhuǎn)子電角速度；ψd、ψq為定子d、q軸磁鏈，pn為電機極對數(shù)；β2同步磁阻電機的開展歷史早在二十世紀(jì)二十年代KostkoJK等人提出了反響式同步電機理論[2]，M．Doherty和Nickle教授提出磁阻電機的概念，此后國外關(guān)于許多專家和學(xué)者對同步磁阻電機的的能、轉(zhuǎn)子構(gòu)造和控制方法進(jìn)展較深入研究。早期的同步磁阻電機由一個無繞組凸級轉(zhuǎn)子和一個與異步電機類似的定子組成。在轉(zhuǎn)子軛q軸方向加上兩道氣隙,以增加q軸磁阻。利用d-q軸的磁阻差來產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子周邊插上鼠籠條以產(chǎn)生異步起動轉(zhuǎn)矩。然而,由于該異步轉(zhuǎn)矩的作用,又將引起轉(zhuǎn)子震蕩而難以保證電機正常運行。六十年代初,出現(xiàn)了第二代同步磁阻電機它利用塊狀轉(zhuǎn)子構(gòu)造來增加d-q軸磁阻差,同時不用鼠籠條來起動轉(zhuǎn)矩,而直接靠逆變器變頻來起動,從而減輕了轉(zhuǎn)子震蕩現(xiàn)象[3]。然而,為產(chǎn)生足夠的磁阻轉(zhuǎn)矩,需要定子側(cè)有較大的勵磁電流,致使該電機功率因素和效率都很低,從而影響了該種電機的推廣使用。為盡可能增大d-q軸磁阻差,同時減小勵磁電流,增大功率因素,在七十年代初期產(chǎn)生了第三代同步磁阻電機,采用軸向多層迭片構(gòu)造,以獲得最大的d軸電感和最小q軸電感,而得到最大磁阻轉(zhuǎn)矩[4]。采用該轉(zhuǎn)子構(gòu)造后,d-q軸電感之比可以到達(dá)20,其輸出功率可以到達(dá)同尺寸大小的異步電機輸出功率。1991年美國威斯康星大學(xué)T.A.Lipo教授對同步磁阻電機的轉(zhuǎn)子構(gòu)造進(jìn)展進(jìn)一步優(yōu)化，發(fā)表文章提出SynRM在交流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)中替代異步電動機的可能性的問題[5,6]。1993年英國的T.J.E.Miller教授指導(dǎo)的課題組對SynRM不同轉(zhuǎn)子構(gòu)造的磁路進(jìn)展了分析和研究，試圖尋找更優(yōu)化的轉(zhuǎn)子構(gòu)造提高電機的凸極率，并重點對軸向疊片轉(zhuǎn)子構(gòu)造SynRM轉(zhuǎn)子疊片層數(shù)、絕緣占有率進(jìn)展了優(yōu)化，得到優(yōu)化后的樣機在最大轉(zhuǎn)矩電流比控制時功率因數(shù)為0.7左右[7,8]。文獻(xiàn)[9]對沖片疊壓式SynRM轉(zhuǎn)子空氣層做了較為深入的分析，通過有限元和仿真實驗設(shè)計優(yōu)化了轉(zhuǎn)子構(gòu)造，主要分析了轉(zhuǎn)子空氣層含有率、位置、個數(shù)，轉(zhuǎn)子氣隙以及電機飽和對電機電磁參數(shù)的影響，指出了空氣層含有率、轉(zhuǎn)子氣隙、電機飽和對電機性能影響較大，同時優(yōu)化后的樣機其功率因數(shù)為0.72，對SynRM的電磁設(shè)計與分析具有很好的參考價值。文獻(xiàn)[10]對沖片疊壓式SynRM三種轉(zhuǎn)子構(gòu)造的磁場分布進(jìn)展了分析和對比，指出轉(zhuǎn)子空氣層之間的連接處將會給d軸磁通提供較小磁阻磁路，去掉轉(zhuǎn)子空氣層之間的連接處將明顯提高電機的功率因數(shù)。文獻(xiàn)[11,12]提出了采用有限元和罰函數(shù)法，通過對比沖片疊壓式SynRM凸極率和交、直軸電感差值，自動ACAD繪圖、剖分和數(shù)據(jù)存儲來快速優(yōu)化轉(zhuǎn)子構(gòu)造提高電機力能指標(biāo)的方法。我國對SynRM的研究起步較晚。1994年，華中科技大學(xué)辜承林教授指導(dǎo)的課題組設(shè)計制作出國內(nèi)第一臺兩極的ALA轉(zhuǎn)子樣機，其樣機的凸極率和功率因數(shù)分別到達(dá)了11和0.85左右，但其構(gòu)造加工較復(fù)雜[13-17]。文獻(xiàn)[18]根據(jù)能量平衡的觀點，以異步電機為參照，分析了SynRM交、直軸電感以及凸極率對電機性能的影響，并指出對于確定的凸極率理論上有最大的功率因數(shù)與之對應(yīng)，反之對于確定的功率因數(shù)理論上有最小的凸極率與之對應(yīng)。在SynRM設(shè)計時凸極率應(yīng)根據(jù)電機的過載能力和功率因數(shù)的要求而正確選擇，單純追求增大凸極率是不適當(dāng)?shù)?。指出在電機應(yīng)用中，功率因數(shù)小于0.85且容量較小時，SynRM可與異步電機匹敵。文獻(xiàn)[19]介紹了SynRM的構(gòu)造及仿真設(shè)計。電機轉(zhuǎn)子采用柵格疊片構(gòu)造，驅(qū)動控制器采用電流矢量控制方式，指出SynRM與感應(yīng)電動機相比，具有效率高、功率密度大等優(yōu)點；與永磁同步電動機相比，在同等功率條件下大大降低了電機的成本，同時拓寬了電機的使用范圍，提高了電機運行的可靠性。2011年ABB公司在同步磁阻電機轉(zhuǎn)子設(shè)計方面取得突破性進(jìn)展，如今已經(jīng)有了應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用中的商業(yè)化產(chǎn)品。3同步磁阻電機的性能特點3.1相比于傳統(tǒng)電機的優(yōu)點與傳統(tǒng)直流電動機相比，SynRM沒有電刷和滑環(huán)，維修簡單方便。與異步機相比，SynRM轉(zhuǎn)子上沒有繞組，則沒有轉(zhuǎn)子銅耗，基本上不存在轉(zhuǎn)子發(fā)熱問題，提高了電機的運行效率和安全性，另外由于轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組電機響應(yīng)不受轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的限制，動態(tài)響應(yīng)速度快。與開關(guān)磁阻電機相比，SynRM可以做到轉(zhuǎn)子外表光滑、磁阻變化較為連續(xù)，防止了開關(guān)磁阻電機運行時轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲大的問題。由于磁阻正弦變化使得矢量控制能夠被用于同步磁阻電機以便于取得很好的控制性能。與永磁同步電機相比，SynRM轉(zhuǎn)子上沒有永磁體，成本更低，無弱磁難高速性能好，調(diào)速范圍寬，不存在高溫失磁的問題，可以在高溫的極端環(huán)境中應(yīng)用。同步磁阻電機的交直軸磁阻差異大，旋轉(zhuǎn)時磁阻的變化包含了位置信息，可利用其進(jìn)展無位置傳感器控制，使得其相對于永磁同步電機的無位置傳感器控制更為靈活[1]、[20]。3.2同步磁阻電機存在的問題盡管同步磁阻電機有諸多的優(yōu)點，但是它的缺點也同樣明顯，目前還存在著許多亟待研究解決的問題[20-21]。(1)轉(zhuǎn)子上無啟動繞組，難以直接在線啟動；(2)同步磁阻電機運行時必須通入勵磁電流，使得其功率因數(shù)受到限制。(3)同步磁阻電機的交直軸磁路飽和不僅受到同軸電流影響而且受到相正交的軸的電流影響，使得同步磁阻電機的控制面臨一些特殊的問題。(4)電機在運行的過程中存在一個不穩(wěn)定區(qū)間，而變頻器中的諧波成份會對電機的運行產(chǎn)生擾動，使電機在微小的時間段內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)差。4同步磁阻電機的控制方法為了獲得較好的控制性能取得較高的控制精度同步磁阻電機的控制主要通過矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。為了減小控制成本，發(fā)揮同步磁阻電機低成本的優(yōu)勢以及在特殊的應(yīng)用場合為了到達(dá)提高系統(tǒng)的安全可靠性，去掉位置傳感器的要求，同步磁阻電機的無傳感器控制得到了深入的研究。同步磁阻電機控制方案面臨的兩大問題，一方面表現(xiàn)為需要位置傳感器。另一方面，同步磁阻電機因其磁路不同，磁飽和對d軸與q軸的影響差異很大，d軸電感隨電流而變化。如對d軸電感作線性化處理將產(chǎn)生很大的誤差。4.1同步磁阻電機矢量控制同步磁阻電機的矢量控制其主要的控制參數(shù)是定子電流矢量與D軸的夾角θ，基本的控制方法有〔1〕最大轉(zhuǎn)矩控制〔MTC〕：當(dāng)時，每安培電流能得到最大的轉(zhuǎn)矩〔2〕最大轉(zhuǎn)矩變化率控制〔MRCTC〕：當(dāng)可以實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩變化率控制，MRCTC控制有著比MTC法更快的轉(zhuǎn)矩變化率，但是當(dāng)ξ值很大時候MRCTC控制能得到的最大轉(zhuǎn)矩很小?！?〕最大功率因數(shù)控制〔MPFC〕：由于功率因數(shù)直接關(guān)系到變頻器的輸出功率，故好的系統(tǒng)要求有高的功率因數(shù)。當(dāng)時，最大功率因數(shù)控制得以實現(xiàn)〔4〕感應(yīng)軸恒電流控制〔CCIAC〕：D軸電流保持不變，操作Q軸電流以控制轉(zhuǎn)矩。根據(jù)研究CCIAC法在低速的時候轉(zhuǎn)矩變化響應(yīng)對比快，但是隨著速度的提高，轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度下降，但是這種控制方法和永磁電機控制幾乎一樣，控制策略相對簡單，易于實現(xiàn)。其中ξ=Ld/Lq。可以看出，在最大功率因數(shù)控制〔MPFC〕和最大轉(zhuǎn)矩變化率控制〔MRCTC〕中ξ值的大小直接影響電機的各個性能，是控制的關(guān)鍵要素，而且這兩種方法對于ξ的變化都很敏感。但是Ld和Lq的值在電機運行期間，特別是飽和時會產(chǎn)生較大變化，不容易測準(zhǔn)[22]?；谝陨线@些基本的控制方法及其特點，關(guān)于同步磁阻電機矢量控制很多學(xué)者進(jìn)展了深入的研究。文獻(xiàn)[23]介紹了一種同步磁阻電機的準(zhǔn)確恒電流角控制技術(shù)。用有限元計算結(jié)果準(zhǔn)確解耦d、q軸電流，并構(gòu)建了基于TMS320F240芯片的數(shù)字控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[24]提出了一種使同步磁阻電機獲得最高效率的定子磁鏈定向矢量控制方案?？紤]到電機低速運行時主要是銅損，高速運行時鐵損又成為主要問題，而在給定速度和轉(zhuǎn)矩下，電機損耗僅是定子磁鏈幅值的函數(shù)。通過實驗可找出電機的最優(yōu)運行點，電機在最優(yōu)運行點附近具有最高效率。文獻(xiàn)[25]提出了一種保持轉(zhuǎn)矩與電流之比為最大值的矢量控制方案，當(dāng)轉(zhuǎn)矩與電流之比為最大值時銅損最小、效率最高。通過分析矢量控制下轉(zhuǎn)矩和d軸電流的簡單關(guān)系，在控制方案中通過轉(zhuǎn)矩計算d軸電流的給定值。實驗證明，在可承受的速度響應(yīng)下，該方案能使定子電流最小，效率最高。文獻(xiàn)[26]分析同步磁阻電機矢量控制系統(tǒng)磁飽和的影響，通過實測d、q軸電流計算出d軸電流的優(yōu)化值，對該優(yōu)化值與實際值的偏差實行比例積分控制。采用這種控制方法能在一樣運行條件下使定子電壓和電流減小，從而提高電機效率和功率因數(shù)。文獻(xiàn)[27]考慮同步磁阻電機電感和轉(zhuǎn)矩依賴電機電流的非線性特點，把轉(zhuǎn)矩特性分解成電流幅值和電流相位分別與最大轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，并把這兩種關(guān)系用線性函數(shù)逼近，在實時控制時通過這兩種線性函數(shù)計算d軸和q軸電流的參考值。與恒電流角控制相比，該方案具有更高的功率因數(shù)和效率。4.2同步磁阻電機無位置傳感器控制同步磁阻電機的矢量控制依賴于轉(zhuǎn)子位置信息，位置檢測的準(zhǔn)確性直接影響矢量控制的控制性能。然而高精度的位置傳感器價格昂貴不利于減小成本，而且光電碼盤，旋轉(zhuǎn)變壓器等位置傳感器都對于應(yīng)用場合有一定要求，會降低整個系統(tǒng)的可靠性。為此對于同步磁阻電機實現(xiàn)無位置傳感器控制顯得尤為重要。在永磁同步電機的無位置傳感器控制中位置估測技術(shù)有了廣泛而深入的研究，這些研究對于同步磁阻電機的轉(zhuǎn)子位置估測有很大的借鑒意義。將各種位置檢測方法、適用范圍以及優(yōu)缺點可列成表1的形式[28]。表1PMSM無傳感技術(shù)無傳感技術(shù)使用范圍優(yōu)點缺點電壓開環(huán)高速算法簡單易實現(xiàn)參數(shù)敏感，受系統(tǒng)擾動影響變化大狀態(tài)觀測器法高速動態(tài)性能好、穩(wěn)定性高、參數(shù)魯棒性強、適用范圍廣算法復(fù)雜，計算量大虛擬坐標(biāo)系法高速實用范圍廣，易于工程實現(xiàn)在初始位置判斷以及起動上算法復(fù)雜電感凸極效應(yīng)預(yù)估法高速利用電感特性，減少預(yù)估算法對轉(zhuǎn)速的需求魯棒性差，適應(yīng)范圍小模型參考自適應(yīng)高速魯棒性好，適應(yīng)范圍廣存在永磁體，有新問題需要解決擴展卡爾曼濾波器高速動態(tài)性能和抗干擾能力好，調(diào)速范圍很寬算法復(fù)雜，不易工程實現(xiàn)滑模觀測器法高速魯棒性好，易于工程實現(xiàn)存在抖振現(xiàn)象旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入低速及初始位置檢測易于系統(tǒng)實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)節(jié)方便信號解調(diào)的滯后較大，對凸極性有一定要求脈振高頻電壓注入低速及初始位置檢測對環(huán)境和測量誤差不敏感參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜脈振高頻電壓矢量注入以及相位檢測初始位置檢測易于工程實現(xiàn)對電機參數(shù)變化對比敏感預(yù)定位法初始位置檢測算法簡單有效受負(fù)載影響對比大矢量勵磁以及電流幅值測量初始位置檢測適用范圍廣、對參數(shù)依賴小算法計算時間長，容易產(chǎn)生振動脈沖勵磁和電流幅值測量初始位置檢測對參數(shù)依賴小算法計算時間長，對凸極性有一定的要求將以上無傳感器技術(shù)應(yīng)用于同步磁阻電機無位置傳感器控制將主要面臨問題以下兩個問題：1、寬調(diào)速范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定運行且易于工程實現(xiàn)的無位置傳感器控制方法2、減小電機系統(tǒng)參數(shù)以及負(fù)載變化對位置檢測的影響。目前國外關(guān)于同步磁阻電機無位置傳感器控制的研究主要有：Kreindler,L.

提出了通過定子電壓三次諧波估測轉(zhuǎn)子位置的方法，然而這種方法的低速表現(xiàn)差，最低頻率只能到達(dá)2.7Hz[29]。Lagerquist,R.,Boldea,I.,和Miller,T.J.E等人通過計算匝鏈磁通預(yù)估轉(zhuǎn)子的位置實現(xiàn)同步磁阻電機無位置控制[30]，然而這種方法不適用于低速運行狀態(tài)。為了提上下速性能，一些學(xué)者嘗試用定子電流過零檢測預(yù)測轉(zhuǎn)子位置。但是你由于一個電周期只有6個過零點，需要使用外推算法才能獲得連續(xù)的位置信息，而外推算法必然產(chǎn)生估計誤差[31-32]。另一些學(xué)者提出來通過定子電流變化率測轉(zhuǎn)子的位置，這種方法在低速情況下能取得較好的效果，然而隨著轉(zhuǎn)速的提高估測效果變差，需要提供一個關(guān)于轉(zhuǎn)速和初始電流信號的補償量，由于轉(zhuǎn)速對于這種方法估測效果的影響是非線性的所以補償起來很困難[33]。為了在寬調(diào)速范圍實現(xiàn)無位置控制，臺灣東南科技大學(xué)的林明燦等基于同步磁阻電機的動態(tài)模型提出了一種轉(zhuǎn)子位置估測器。通過使用逆變器的零矢量使得定子電流變化率不受反電勢的影響[34]。然而這種方法，需要一個低通濾波器對速度估算值進(jìn)展濾波，濾波導(dǎo)致了延時。文獻(xiàn)[35]對2001年之前的同步磁阻電機無傳感器控制技術(shù)進(jìn)展了總結(jié)。將其主要歸為4類：1、基于定子電壓和電流測量的負(fù)載角控制。2、定子磁鏈位置觀測，這種方法通過定子電壓積分或者提取電子電壓三次諧波分量得到定子電壓磁鏈信息，在低速時由于反電勢很小這種方法將不再適合。3、基于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的直接轉(zhuǎn)矩控制。同樣會存在低速時不準(zhǔn)確的問題。4、相電感變化檢測。這種方法不受速度的影響但是收到磁路飽和的影響較大。日本東方馬達(dá)公司的松本建健和哈爾濱工業(yè)大學(xué)程樹康教授等人提出了一種基于PWM載波頻率成份的同步磁阻電機無位置傳感器控制方法。在推導(dǎo)無位置傳感器相關(guān)公式的根基上，構(gòu)建了無位置傳感器控制系統(tǒng)，并利用DSP實現(xiàn)了對同步磁阻電動機的根基上，構(gòu)建了無位置傳感器控制系統(tǒng)，并利用DSP實現(xiàn)了對同步磁阻電動機的無傳感器控制。實驗結(jié)果說明該方法能夠準(zhǔn)確地估計出同步磁阻電動機的位置,但是電機負(fù)載時由于磁路飽和的影響在位置估測時產(chǎn)生了6次諧波干擾[36]。臺灣大學(xué)Wei,Ming-Yen、劉天華等人提出了雙電流變化率位置估測方法，使得轉(zhuǎn)子位置的估測不受電機參數(shù)的影響，通過實驗證明了理論的可行性[37]。越來越多的學(xué)者考慮到單一方法的局限性，開場研究將幾種位置估測方法結(jié)合形成混合無位置傳感器控制方法。斯坦陵布什大學(xué)的科英布拉大學(xué)的學(xué)者將高頻電流注入法和磁鏈觀測法相結(jié)合的方法并且提出算法在兩種方法之間平滑過渡，取得了整個調(diào)速范圍的無傳感器控制的較好效果[38]。4.3直接轉(zhuǎn)矩控制和傳統(tǒng)的矢量控制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)展最正確控制，轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應(yīng)快，不需要轉(zhuǎn)子位置信息。除定子電阻外，不依賴于容易變化的其它電機參數(shù)，因而還對電機參數(shù)有較好的魯棒性。直接轉(zhuǎn)矩控制算法的這些優(yōu)點，非常適用于同步磁阻電機。因此研究同步磁阻電機的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是一項非常具有實際意義的工作。UniversityPolitehnicaofTimisoara的IONBOLDEALOR′ANDJ′ANOSI和AalborgUniversity的FREDEBLAABJERG等人研究了常規(guī)直接轉(zhuǎn)矩控制和電壓空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合的同步磁阻電機控制技術(shù)，實現(xiàn)了負(fù)載波動時轉(zhuǎn)矩快速跟蹤，使得穩(wěn)態(tài)情況下輸出電流和轉(zhuǎn)矩波動減小，但是他們的方法需要依賴于準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)展坐標(biāo)變換[39]。SHaghbin,研究了逆變器開關(guān)模式對同步磁阻電機直接轉(zhuǎn)矩控制性能的影響，引入零電壓矢量減小轉(zhuǎn)矩的模式能得到更好的控制性能[40].

MACCONGmbH公司的SimonWiedemann等人將DTC,DTC-SVM和FOC控制策略應(yīng)用于同步磁阻電機時的相電流諧波、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)等方面進(jìn)展了比照分析。通過Simulink仿真說明DTC-SVM相比于DTC和FOC應(yīng)用于同步磁阻電機能夠取得更小的諧波電流、更小的轉(zhuǎn)矩波動和更好的動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性能[41]。華中科技大學(xué)辜承林教授課題組對ALA轉(zhuǎn)子同步磁阻電機直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)展了深入的研究通過四極ALA轉(zhuǎn)子電機的大量實驗，證實了在直接轉(zhuǎn)矩控制方式下，這種新型電機具有的良好起動特性、動態(tài)性能和快速響應(yīng)能力；通過四極ALA轉(zhuǎn)子電機和兩極ALA轉(zhuǎn)子電機的比照實驗，驗證了直接轉(zhuǎn)矩控制方案對這類電機的適應(yīng)性。通過ALA轉(zhuǎn)子電機在直接轉(zhuǎn)矩控制方式下帶機械阻尼器和不帶機械阻尼器的比照實驗，證實直接轉(zhuǎn)矩控制方案能解決開環(huán)起動振蕩和異步運行問題，電機不必借助阻尼器即可順利完成起動和加減載過程[20]。2012年他們基于dSPACE平臺實現(xiàn)了ALA轉(zhuǎn)子電機的SVM-TDC控制，使得其轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動減小[42]。5同步磁阻電機的應(yīng)用隨著電力電子技術(shù)的開展和永磁材料性能的提高在對控制性能要求較高的場合永磁同步電機得到了廣泛的應(yīng)用。但永磁同步電機存在溫度限制過于嚴(yán)格，過載能力較差，難以弱磁控制等缺點。同時近幾年來稀土資源消耗過快，未來極有可能面臨緊缺，將阻礙永磁同步電機的開展。同步磁阻電機，轉(zhuǎn)子上沒有永磁體，成本更低，無弱磁難、高溫失磁的問題，國內(nèi)外許多單位對其進(jìn)展了研究，以期待它在某些應(yīng)用場合能夠替代永磁同步電機的功能。幾十年來的研究使得同步磁阻電機的本體構(gòu)造得到了優(yōu)化，凸極比可以提升到20以上，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等高性能控制算法結(jié)合一些先進(jìn)的控制策略被應(yīng)用于同步磁阻電機提升了同步磁阻電機的運行性能，使得它成為高性能的交流伺服電機產(chǎn)品之一。5.1同步磁阻電機在電動汽車中的應(yīng)用意大利帕多瓦大學(xué)的Morandin,M.

等人提出將同步磁阻電機應(yīng)用于電動汽車，以實現(xiàn)在氣動時獲得大轉(zhuǎn)矩并且在發(fā)電運行時有很寬的調(diào)速范圍。他們呢將一個由三相逆變器供電的同步磁阻電機直接連到電池組，將同步磁阻電機原型機放在一個混合試驗臺做實驗驗證了它的性能。實驗結(jié)果顯示在綜合起動發(fā)電系統(tǒng)的所有工作點直流側(cè)電壓能夠保持穩(wěn)定，而且由于同步磁阻電機超強的過載能力和容錯能力以及很寬的恒功率速度區(qū)，使得它非常適合在電動汽車中作為起動/發(fā)電機運行[43]。科英布拉大學(xué)的A.P.Gon?alve等人提出一種高性能的同步磁阻電機用于電動汽車牽引系統(tǒng)，應(yīng)用考慮磁路飽和的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制在矢量控制方法中取得了很高的效率和動態(tài)性能[44]。俄亥俄州立大學(xué)蔡海偉等人的文章提出通過同步磁阻電機優(yōu)化設(shè)計證明在電動汽車和電力牽引系統(tǒng)中取消永磁體的可行性。以一個典型的稀土永磁IPM電機作為基準(zhǔn)，以提高轉(zhuǎn)矩輸出和減小轉(zhuǎn)矩波動為目標(biāo)對轉(zhuǎn)子的疊壓和磁路進(jìn)展優(yōu)化。實驗結(jié)果說明經(jīng)過優(yōu)化后的同步磁阻電機能夠到達(dá)基準(zhǔn)IPM電機接近的性能[45]。5.2同步磁阻電機作為發(fā)電機運行東京工業(yè)大學(xué)的Fukao,T.

等人在1986年提出了一種高速磁阻發(fā)電機系統(tǒng)，通過實驗得到這種同步磁阻電機在24000rpm時發(fā)電效率到達(dá)85%，輸出功率超過1.5KW[46]。

Univ.,Cookeville的Ojo,O.d等人在1994年提出將同步磁阻電機與高速渦輪機直接相連的發(fā)電機系統(tǒng)應(yīng)用于飛機艦船等[47]。Univ.deLaFrontera的Moncada,R.H等人在不考慮磁鏈飽和的情況下對Ld的影響的情況下，對同步磁阻電機建模。分析了同步磁阻電機作為發(fā)電機運行的原理，指出Id和Iq異號時發(fā)電。分析了同步磁阻電機作為發(fā)電機運行的幾個限制條件。包括最大定子電流和最大磁鏈限制，無功功率限制，得到了發(fā)電機運行的運行區(qū)圖〔電流〕。接著分析了不同速度區(qū)的控制策略?；僖韵掠米畲蠊β孰娏鞅瓤刂?、或者為了防止磁鏈飽和用恒磁鏈控制〔主要考慮鐵損使電機工作在高效狀態(tài))；當(dāng)電壓到達(dá)額定電壓時轉(zhuǎn)換為弱磁控制；高速時轉(zhuǎn)換為最大功率電壓比控制，使電機發(fā)出更多的電能。并且仿真驗證了他們的分析[48]。ChalmersUniversityofTechnology的P.Roshanfekr等人將一樣體積的同步磁阻電機和一個5MW的IPM電機在風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用中進(jìn)展比照，發(fā)現(xiàn)同步磁阻電機可以發(fā)出IPM電機74%的功率電能，并且重量只有它的80%。而且在額定功率時同步磁阻發(fā)電機的效率高達(dá)98.7%，很接近于IPM電機[49]。.6參考文獻(xiàn)[1]周浩.提高同步磁阻電機力能指標(biāo)的研究[D].重慶大學(xué),2013.[2]KostkoJK.PolyphaseReactionSynchronousMotor.JournalofAIIE,1923,Vol.42:1162[3]LawrensonPJ,AguLA.TheoryandPerformanceofPolyphaseReluctanceMachines.IEEEProc.1964,Vol.111:1435[4]CruickshankAJO,AndersonAF,MenziesRW.TheoryandPerformanceofReluctanceMotorswithAxially-laminatedAnisotropicRotors.Proc.IEE,1971,Vol.118:887[5]T．A．Lip．Rotordesignoptimizationofsynchronousreluctancemachine[C]．IEEETransactionsonEnergyConversion，1994，9(2)：359-365．[6]T．A．Lip．Synchronousreluctancemachines-aviablealternativeforACdrives[J]．IEEEElectricMachinesandPowerSystcms，1991，19(6)：659-671．[7]D．A．Staton，T．J．E．Miller，andS．E．Wood．MaximizingtheSaliencyRatiooftheSynchronousReluctanceMotor[J]．IEEProceedingsonElectricPowerApplications1993，140(4)：249-259．[8]R．E．Betz，R．Lagerquist，M．Jovanovic，T．J．EMiller，andR．H．Middleton．ControlofSynchronousReluctanceMachines[J]．IEEETransactionsonIndustryApplications，1993，29(6)：1094-1102．[9]S．J．Mun，Y．H．Cho，andJ．H．Lee．OptimumDesignofSynchronousReluctanceMotorsBasedonTorque/VolumeUsingFinite-ElementMethodandSequentialUnconstrainedMinimizationTechnique[J]．IEEETransactionsonMagnetics，2007，44(11)：4143-4146．[10]Y．J．Luo，G．J．Hwang，K．T．Liu．DesignofSynchronousReluctanceMotor[C]．ElectricalElectronicsInsulationConference，1995：373-379．[11]K．C．Kim，J．S．Ahn，S．H．Won，J．P．Hong，andJ．Lee．AStudyontheOptimalDesignofSynRMfortheHighTorqueandPowerFactor[J]．IEEETransactionsonMagnetics，2007，43(6)：2543-2545．[12]S．B．Kwon，S．J．Park，andJ．H．Lee．OptimumDesignCriteriaBasedontheRatedWattofaSynchronousReluctanceMotorUsingaCoupledFEMandSUMT[J]．IEEETransactionsonMagnetics，2005，44(10)：3970-3972．[13]辜承林，ChalmersBJ．高密度軸向迭片式ALA轉(zhuǎn)子同步電機的優(yōu)化設(shè)計[J]．中國電機工程學(xué)報，1998，18(1)：29-33．[14]易明軍，辜承林．ALA轉(zhuǎn)子電機啟動性能的實驗研究[J]．電工電能新技術(shù)，2000(2)：22-25．[15]易明軍，辜承林．高凸極比軸向疊片式轉(zhuǎn)子電機設(shè)計及其參數(shù)測定[J]．微特電機，2000(2)：15-17．[16]吳志嶠，辜承林．ALA轉(zhuǎn)子電機穩(wěn)定性研究[J]．電機與控制學(xué)報，2003(3)：182-186．[17]朱建華．ALA轉(zhuǎn)子電機的動態(tài)穩(wěn)定性研究[D]．武漢：華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005．[18]吳漢光，林秋華，游琳娟．同步磁阻電動機研究[J]．中國電機工程學(xué)報，2002，22(8)：94-98．[19]陳蘭，王真，徐謙，戴亮，張東寧．同步磁阻電動機設(shè)計分析[J]．微特電機，2012，40(2)：34-39．[20]周立求.ALA轉(zhuǎn)子同步磁阻電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2005.[21]A.KilthauandM.Pacas

"Parameter-measurementandcontrolofthesynchronousreluctancemachineincludingcrosssaturation",

Conf.Rec.IEEEIASAnnu.Meeting,

pp.2302-23092001.

[22]R.E.Betz.Theoreticalaspectsofcontrolofsynchronousreluctancemachines.IEEProceedings-B，Vol.139,No4,July2004[23]P.D.Fick,M.J.Kamper.Accuratedigitalcurrentcontrolofthereluctancesynchronousmachinewithconstantcurrentangle[C].AfricanConferenceinAfrica,2002.IEEEAFRICAN.6thVolume2,2-4Oct.2002:685-688.[24]H.F.Hofmann,S.R.Sanders,A.EL-Antably.Stator-flux-orientedvectorcontrolofsynchronousreluctanceMachineswithmaximizedefficiency[J].IndustrialElectronics,IEEETransactionson,Volume51,Issue5,Oct.2004:1066–1072.[25]E.M.Rashad,T.S.Radwan,M.A.Rahman.Amaximumtorqueperamperevectorcontrolstrategyforsynchronousreluctancemotorsconsideringsaturationandironlosses[C].IndustryApplicationsConference,39thIASAnnualMeeting.ConferenceRecordofthe2004IEEE,Volume4,3-7Oct.2004:2411-2417.[26]C.Mademlis.Compensationofmagneticsaturationinmaximumtorquetocurrentvectorcontrolledsynchronousreluctancemotordrives[J].EnergyConversion,IEEETransactionson,Volume18,Issue3,Sept.2003:379–385.[27]J.Nakatsugawa,Y.Kawabata,T.Endoh,etal.Afundamentalinvestigationaboutmaximumtorquecontrolofsynchronousreluctancemotor[C].PowerConversionConference,Vol.2,2-5April2002:704-709.[28]劉家曦.無傳感器內(nèi)嵌式永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁極位置檢測技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.[29]Kreindler,L.,Testa,A.,andLipo,T.A.(1993)Positionsensorlesssynchronousreluctancemotordriveusingthestatorphasevoltagethirdharmonic.InConferenceRecordofthe1993IEEEIndustryApplicationsSociety28thAnnualMeeting,Toronto.[30]Lagerquist,R.,Boldea,I.,andMiller,T.J.E.(1994)Sensorlesscontrolofthesynchronousreluctancemotor.IEEETransactionsonIndustryApplications,30,3(May/June1994),673—682.[31]Arefeen,M.S.,Ehsani,M.,andLipo,T.A.(1994)Sensorlesspositionmeasurementinsynchronousreluctancemotor.IEEETransactionsonPowerElectronics,9,6.[32]Arefeen,M.S.,Ehsani,M.,andLipo,T.A.(1994)Ananalysisoftheaccuracyofindirectshaftsensorforsynchronousreluctancemotor.IEEETransactionsonIndustryApplications,30,5(Sep./Oct.1994),1202—1209.[33]Rotorpositiondetectionschemeforsynchronousreluctancemotorbasedoncurrentmeasurements.IEEETransactionsonIndustryApplications,31,4(July/Aug.1995),860—868.[34]LinMT,LiuTH.Sensorlesssynchronousreluctancedrivewithstandstillstarting[J].AerospaceandElectronicSystems,IEEETransactionson,2000,36(4):1232-1241.[35]NagrialMH.Developmentsofsensorlesssynchronousreluctancedrivesystems[C]MultiTopicConference,2001.IEEEINMIC2001.Technologyforthe21stCentury.Proceedings.IEEEInternational.IEEE,2001:104-110.[36]松本健二,高宏偉,程樹康等.基于PWM載波信號的同步磁阻電機無位置傳感技術(shù)[C].第十二屆中國小電機技術(shù)研討會論文集.2007:213-216[37]WeiMY,LiuTH.Rotorpositionandspeedestimationforasynchronousreluctancemotordriveusingdualcurrent-slopetechnique[C]IndustrialTechnology(ICIT),2011IEEEInternationalConferenceon.IEEE,2011:176-181.[38]OliveiraA,CavaleiroD,BrancoR,etal.Anencoderlesshigh-performancesynchronousreluctancemotordrive[C]IndustrialTechnology(ICIT),2015IEEEInternationalConferenceon.IEEE,2015:2048-2055.[39]I.BoldeaandL.JanosiandF.Blaabjerg,AModifiedDirectTorqueControl(DTC)ofReluctanceSynchronousMotorSensorlessDrive,ElectricMachinesandPowerSystems,Vol.28,2000.[40]HaghbinS,ThiringerT.Impactofinverterswitchingpatternontheperformanceofadirecttorquecontrolledsynchronousreluctancemotordrive[C]//PowerEngineering,EnergyandElectricalDrives,2009.POWERENG'09.InternationalConferenceon.IEEE,2009:337-341.[41]WiedemannS,DziechciarzA.ComparativeevaluationofDTCstrategiesfortheSynchronousReluctancemachine[C]//EcologicalVehiclesandRenewableEnergies(EVER),2015TenthInte