开关磁阻发电机的原理与控制策略研究

开关磁阻发电机的原理与控制策略研究《电机与控制应用》2006,33(11)

研究与设计

开关磁阻发电机的原理与

控制策略研究

1

1

2

徐　彦,　徐建国,　赵　嵩

(1.郑州铁路职业技术学院,郑州　450052;2.郑州航空工业管理学院,郑州　450015)

　　摘　要:介绍开关磁阻发电机的基本工作原理、系统组成。阐述了开关磁阻发电机的控制策略:角度位置控制、电流斩波控制、PWM控制以及励磁电压控制、全导通控制斩波控制等。开关磁阻发电机降低了成本,具有较高的能量密度和高温、高速运行能力。

关键词:开关磁阻电机;电机原理;控制策略

中图分类号:TM301.2;TM352∶TM31　文献标识码:A　文章编号:167326540(2006)1120010204

TheoryandControlResearchonSwitchedReluctanceGenerator

XUYan,　XUJian2guo,　ZIAOSong

1

1

2

(1.ZhengzhouRailwayVocational&TechnicalCollege,China;2.ZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryChina)

　　Abstract:Theprincipleandsysteofswasintroduced.Thecon2

trolstrategiesofSRGchoppingcontrol,PWMcontrolandexcitingvoltagecontrol,control.AnddevelopmentofSRGwasintroducedfinally.SRGlowerscost,hadhigherdensityandrunningabilityathightemperatureandhighspeed.

Keywords:switchedreluctancegenerator;electricmachinetheory;controlprinciple

0　引　言

　　开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor,简称SRM)结构简单、坚固,具有成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高、容错能力强等优越特性,在某些特殊应用领域有一定的应用优越性

[1]

理论,本文重点分析了开关磁阻发电机的发电原理

及发电运行控制策略。

1　基本原理

　　双凸极磁阻电机的定、转子均为凸极齿槽结构,定子设有集中绕组,转子无绕组。开关磁阻发电机不存在起动问题,相数可以是单相、三相、四相或其他多相。以目前广泛应用的三相6/4结构电机为例,其截面如图1所示。其定子有6个齿极,转子有4个齿极,每个定子齿极上设有1个绕组,位于径向相对的2个线圈串联构成一相绕组,可组成A、B、C三相绕组。图1画出其中A相线圈。下面对开关磁阻发电机的发电过程进行理论分析。

以A相导通为例,图2为单周期A相电流波

θ形。在θ1～2区段,电源经过主开关对绕组供

θ>0电,称为“励磁”阶段。励磁开始点处于5L/5的区段,由于母线电压的作用,励磁电流开始上

。SRM

是一种典型的机电一体化电机,其控制灵活,容易实现四象限运行,且可作发电机运行。目前以美国GE公司为代表的航空电气界,从20世纪80年代

后期开始探索开关磁阻电机作为航空起动/发电机的可行性

[2]

,单机功率最大达到250kW,输出电压

为270V,其电压品质满足MIL—STD—704E标准;由LockheedMartin公司研制的美国空军下一代联

合攻击战斗机采用了80kW(DC270V)的开关磁阻起动/发电机。这一切均表明开关磁阻电机作为一种新颖的发电机是很有潜力的。但是,开关磁阻电机自70年代问世以来,多集中于开发调速电动机,极少涉及发电方面。为了完善开关磁阻电机的

—10—

《电机与控制应用》2006,33(11)开关磁阻发电机的原理与控制策略研究

)的值比L(θ电流i>0,L(θ1)有所增加,此时电流

的上升率将比初始时的上升率小。当转子位置θ

θ

图1　三相6/4

结构磁阻发电机截面图

的上升率很大。这是因为电源及运动电势同时形

成电流,直至相电流在θ2处达到ic。在本阶段,开关磁阻电机开始吸收机械能,可以进入发电运行状态。为了对电机进行充分励磁,提高发电能力需要将关断角θ2适当后移;当转子位置到达θ=θ2时,主开关关断,绕组内能量沿续流二极管回馈给蓄电池,电机进入续流发电状态。在相电流达到周期内的最大值之后电流开始迅速下降。在此区段内足够强的续流电流源源不断地将机械能转换为电能输出。

2　开关磁阻发电系统构成

图2　单周期A相电流波形

θ升。当转子达到θ=θL/5≈0,但由于m附近时,5

　　开关磁阻发电系统以开关磁阻发电机为机电能量转换的核心,(如图3所

[]

示):

图3　开关磁阻电机起动/发电机系统的控制原理

　　(1)原动机,可以是电动机、发动机或其他能

够提供动能的装置;

(2)开关磁阻发电机;

(3)控制器,包括功率主电路、驱动电路、过压过流保护电路、电压电流检测电路、电机转子位置检测电路、数字信号处理器(DSP)系统电路等;

(4)蓄电池和负载。

3.1　角度位置控制

　　从开关磁阻发电机的运行原理以及对相电流的分析,可知开通角θ1和关断角θ2都影响着相电流的大小,进而影响着发电机的功率输出。但

θ是由于系统的非线性,所以无法直接说明θ1、2与输出功率大小的关系,通常靠经验判断或者仿

真试验确定某一个角度大小或其变化范围。图4给出了两种角度控制的方案。　　图4(a)所示的方案是固定开通角θ1,在一定范围内调整关断角θ2;随着θ2的增大,在关断时刻励磁电流增加,关断以后的续流电流也相应增加,从而提高发电机输出功率。　　由于励磁电流在电感下降区有显著的上升,相电流波形对θ1敏感,实际采用角度位置控制

—11—

3　发电运行的控制策略

　　开关磁阻发电机的参量变化将影响发电机的出力大小。这些可控量既可以单独使用,也可以

和其他可控量结合在一起对系统进行优化控制。这些可控量归根结底是对发电机的励磁主控量ic进行控制。

开关磁阻发电机的原理与控制策略研究《电机与控制应用》2006,33(11)

(a)固定θ1,调节θ2

的相电流波形

图5　固定θ1,调节电流斩波限的相电流波形

优化的θ1值。

3.3　PWM控制

　　PWM控制与上述两种控制方法不同,不是实时调整主开关的开通角θ1和关断角θ2,而是在主PWM信号。通过调节PD;,(b)固定θ2,调节θ1图4APC方法时,θ2,然后

通过闭环调节θ见图4(b))。若开关磁阻发电1(

机工作转速范围较宽,则可以通过分区段固定θ2,使得不同的转速区段对应的θ2有所不同,然后再通过闭环细调θ1。3.2　电流斩波控制　　目前,电流斩波控制是国内外开关磁阻电动机控制最常见的一种控制方法,也适用于开关磁阻发电机的运行,其可控性好,与后面所阐述的脉宽调制(PWM)控制方案相仿。具体方法是比较相电流iphase与给定的电流斩波限ichop,当转子位置θ>θ1后,开始时iphaseichop时,主开关关断一段时间后再开通(见图5)。

　　斩波控制实际上是一种调节励磁的控制方案。如图5所示,固定θ1后,调节斩波限ichop相当于调整θ随着斩波限ichop的增加,励磁区间加2。宽,励磁电流增大,续流电流也相应增加,最后可以使电机的有效输出功率增加。若开关磁阻发电机工作转速范围较宽,

同样可以通过分区段设定

—12—

6为PWM控制的相电流波形。在PWM控制方案下,PWM的占空比D与激磁电流(相电流的一个周期中励磁电流达到的最大值)之间存在良好的线性关系,不仅可控性好,而且对闭环系统PI调节器的设计也带来一定的方便,但会增加主开关的开关损耗

。

图6　PWM控制的相电流波形

3.4　励磁电压控制

　　传统的控制方案属于间接的调整开关磁阻发电机的励磁,即通过开关角的变化、斩波限的调整及占空比的调节来控制发电机励磁强度的大小。从相电流的分析可知,标志励磁强度的是电流ic。

ic大则电机的磁场强,转换的能量大。加大ic是

《电机与控制应用》2006,33(11)开关磁阻发电机的原理与控制策略研究

重要的增加发电功率输出的途径。

事实上开关磁阻发电机类似可控电流源,控制ic的大小可以控制输出电流大小。加强ic的方法有:角度控制(如在一定范围内加大θ2),斩波控制(提高斩波限)。但只有增加励磁电压具有单调控制的意义。开关磁阻发电机在高速运行时,由于励磁时间缩短,所以励磁强度较小,从而影响电机的功率输出。角度控制和斩波控制固然能在一定范围内提高励磁电流ic,但是不能从根本上解决问题。强励方案的提出可以解决开关磁阻发电机在低压、宽转速范围系统中所面临的高转速低功率的问题。3.5　全导通斩波控制　　从开关磁阻发电机运行机理来说,只要通过适当的控制使得绕组相电流有效地工作在电感下降区即可产生电能。前面所述的控制方法都是由

θ位置信号算出发电运行的θ1、2信号,并对系统

进行优化控制,使绕组相电流有效工作在相电感下降区。

节器根据给定量()(如电压)求出所需励磁电流的限值,无需和开通关断的角度信号相迭加,始终保持开通信号,完全靠电流的斩波来控制发电机的功率输出。当相电流达到或超出限值时,通过控制电路关断相应相绕组开关,其余时间保持相绕组主开关导通。全导通斩波控制的相电流波形如图7所示

。

提高了可靠性和容错性,降低了成本,特别适合在高转速下应用。

4　特点及发展前景

　　飞机、汽车的电源系统从发电型发展为起动/发电型是技术上的进步,不仅降低了系统重量,而且提高了可靠性和系统效率。直流电源系统为构成起动/发电系统提供了可能性。而开关磁阻发电系统的优良特性更决定了它作为一种新型的起动/发电系统也具有很强的竞争力:开关磁阻发电系统可以在同一套电流分配器的基础上灵活地进行起动到发电状态的切换,并可以产生高质量的高压直流电能;磁阻电机起动时,也可以产生较大转矩。

由此可见,开关磁阻发电机具有结构简单坚固、低成本、高容错运行能力、较高的能量密度和。这些特性决定了。

　语

　　本文介绍了开关磁阻发电机在低压小功率系统中应用的基本原理和控制方法,从理论上探索开发小功率开关磁阻发电系统的可行性,并探讨了开关磁阻发电机运行机理及发电运行控制方案。

【参考文献】

[1]　刘迪吉,张焕春.开关磁阻调速电动机[M].北京:

机械工业出版社,1994.

[2]　MACMINNSR,JONESWD.Averyspeedswitched

reluctancestarter/generatorforaircraftengineapplica2tion[C].ProcNAECON′89,1989:175821764.[3]　刘闯,严加根.开关磁阻起动/发电系统及其一体化

控制方案[J].电源技术学报,2004,2(3):2402244.

[4]　刘迪吉,曲民兴,朱学忠,等.开关磁阻发电机[J].

南京航空航天大学学报,2003,35(2):1092115.

[5]　JOHNM,MILLERV.Designconsiderationsforanau2

tomotiveintegratedstarter/generatorwithpole2phasemodulation[C].IEEEIASAunualMeeting,2001:236622373.

图7　全导通斩波控制的相电流波形

　　开关磁阻发电机不需要检测转子位置,省去

了转子位置传感器,简化了系统结构和控制方案,

收稿日期:2006204223

—13—

开关磁阻发电机的原理与控制策略研究《电机与控制应用》2006,33(11)

研究与设计

开关磁阻发电机的原理与

控制策略研究

1

1

2

徐　彦,　徐建国,　赵　嵩

(1.郑州铁路职业技术学院,郑州　450052;2.郑州航空工业管理学院,郑州　450015)

　　摘　要:介绍开关磁阻发电机的基本工作原理、系统组成。阐述了开关磁阻发电机的控制策略:角度位置控制、电流斩波控制、PWM控制以及励磁电压控制、全导通控制斩波控制等。开关磁阻发电机降低了成本,具有较高的能量密度和高温、高速运行能力。

关键词:开关磁阻电机;电机原理;控制策略

中图分类号:TM301.2;TM352∶TM31　文献标识码:A　文章编号:167326540(2006)1120010204

TheoryandControlResearchonSwitchedReluctanceGenerator

XUYan,　XUJian2guo,　ZIAOSong

1

1

2

(1.ZhengzhouRailwayVocational&TechnicalCollege,China;2.ZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryChina)

　　Abstract:Theprincipleandsysteofswasintroduced.Thecon2

trolstrategiesofSRGchoppingcontrol,PWMcontrolandexcitingvoltagecontrol,control.AnddevelopmentofSRGwasintroducedfinally.SRGlowerscost,hadhigherdensityandrunningabilityathightemperatureandhighspeed.

Keywords:switchedreluctancegenerator;electricmachinetheory;controlprinciple

0　引　言

　　开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor,简称SRM)结构简单、坚固,具有成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高、容错能力强等优越特性,在某些特殊应用领域有一定的应用优越性

[1]

理论,本文重点分析了开关磁阻发电机的发电原理

及发电运行控制策略。

1　基本原理

　　双凸极磁阻电机的定、转子均为凸极齿槽结构,定子设有集中绕组,转子无绕组。开关磁阻发电机不存在起动问题,相数可以是单相、三相、四相或其他多相。以目前广泛应用的三相6/4结构电机为例,其截面如图1所示。其定子有6个齿极,转子有4个齿极,每个定子齿极上设有1个绕组,位于径向相对的2个线圈串联构成一相绕组,可组成A、B、C三相绕组。图1画出其中A相线圈。下面对开关磁阻发电机的发电过程进行理论分析。

以A相导通为例,图2为单周期A相电流波

θ形。在θ1～2区段,电源经过主开关对绕组供

θ>0电,称为“励磁”阶段。励磁开始点处于5L/5的区段,由于母线电压的作用,励磁电流开始上

。SRM

是一种典型的机电一体化电机,其控制灵活,容易实现四象限运行,且可作发电机运行。目前以美国GE公司为代表的航空电气界,从20世纪80年代

后期开始探索开关磁阻电机作为航空起动/发电机的可行性

[2]

,单机功率最大达到250kW,输出电压

为270V,其电压品质满足MIL—STD—704E标准;由LockheedMartin公司研制的美国空军下一代联

合攻击战斗机采用了80kW(DC270V)的开关磁阻起动/发电机。这一切均表明开关磁阻电机作为一种新颖的发电机是很有潜力的。但是,开关磁阻电机自70年代问世以来,多集中于开发调速电动机,极少涉及发电方面。为了完善开关磁阻电机的

—10—

《电机与控制应用》2006,33(11)开关磁阻发电机的原理与控制策略研究

)的值比L(θ电流i>0,L(θ1)有所增加,此时电流

的上升率将比初始时的上升率小。当转子位置θ

θ

图1　三相6/4

结构磁阻发电机截面图

的上升率很大。这是因为电源及运动电势同时形

成电流,直至相电流在θ2处达到ic。在本阶段,开关磁阻电机开始吸收机械能,可以进入发电运行状态。为了对电机进行充分励磁,提高发电能力需要将关断角θ2适当后移;当转子位置到达θ=θ2时,主开关关断,绕组内能量沿续流二极管回馈给蓄电池,电机进入续流发电状态。在相电流达到周期内的最大值之后电流开始迅速下降。在此区段内足够强的续流电流源源不断地将机械能转换为电能输出。

2　开关磁阻发电系统构成

图2　单周期A相电流波形

θ升。当转子达到θ=θL/5≈0,但由于m附近时,5

　　开关磁阻发电系统以开关磁阻发电机为机电能量转换的核心,(如图3所

[]

示):

图3　开关磁阻电机起动/发电机系统的控制原理

　　(1)原动机,可以是电动机、发动机或其他能

够提供动能的装置;

(2)开关磁阻发电机;

(3)控制器,包括功率主电路、驱动电路、过压过流保护电路、电压电流检测电路、电机转子位置检测电路、数字信号处理器(DSP)系统电路等;

(4)蓄电池和负载。

3.1　角度位置控制

　　从开关磁阻发电机的运行原理以及对相电流的分析,可知开通角θ1和关断角θ2都影响着相电流的大小,进而影响着发电机的功率输出。但

θ是由于系统的非线性,所以无法直接说明θ1、2与输出功率大小的关系,通常靠经验判断或者仿

真试验确定某一个角度大小或其变化范围。图4给出了两种角度控制的方案。　　图4(a)所示的方案是固定开通角θ1,在一定范围内调整关断角θ2;随着θ2的增大,在关断时刻励磁电流增加,关断以后的续流电流也相应增加,从而提高发电机输出功率。　　由于励磁电流在电感下降区有显著的上升,相电流波形对θ1敏感,实际采用角度位置控制

—11—

3　发电运行的控制策略

　　开关磁阻发电机的参量变化将影响发电机的出力大小。这些可控量既可以单独使用,也可以

和其他可控量结合在一起对系统进行优化控制。这些可控量归根结底是对发电机的励磁主控量ic进行控制。

开关磁阻发电机的原理与控制策略研究《电机与控制应用》2006,33(11)

(a)固定θ1,调节θ2

的相电流波形

图5　固定θ1,调节电流斩波限的相电流波形

优化的θ1值。

3.3　PWM控制

　　PWM控制与上述两种控制方法不同,不是实时调整主开关的开通角θ1和关断角θ2,而是在主PWM信号。通过调节PD;,(b)固定θ2,调节θ1图4APC方法时,θ2,然后

通过闭环调节θ见图4(b))。若开关磁阻发电1(

机工作转速范围较宽,则可以通过分区段固定θ2,使得不同的转速区段对应的θ2有所不同,然后再通过闭环细调θ1。3.2　电流斩波控制　　目前,电流斩波控制是国内外开关磁阻电动机控制最常见的一种控制方法,也适用于开关磁阻发电机的运行,其可控性好,与后面所阐述的脉宽调制(PWM)控制方案相仿。具体方法是比较相电流iphase与给定的电流斩波限ichop,当转子位置θ>θ1后,开始时iphaseichop时,主开关关断一段时间后再开通(见图5)。

　　斩波控制实际上是一种调节励磁的控制方案。如图5所示,固定θ1后,调节斩波限ichop相当于调整θ随着斩波限ichop的增加,励磁区间加2。宽,励磁电流增大,续流电流也相应增加,最后可以使电机的有效输出功率增加。若开关磁阻发电机工作转速范围较宽,

同样可以通过分区段设定

—12—

6为PWM控制的相电流波形。在PWM控制方案下,PWM的占空比D与激磁电流(相电流的一个周期中励磁电流达到的最大值)之间存在良好的线性关系,不仅可控性好,而且对闭环系统PI调节器的设计也带来一定的方便,但会增加主开关的开关损耗

。

图6　PWM控制的相电流波形

3.4　励磁电压控制

　　传统的控制方案属于间接的调整开关磁阻发电机的励磁,即通过开关角的变化、斩波限的调整及占空比的调节来控制发电机励磁强度的大小。从相电流的分析可知,标志励磁强度的是电流ic。

ic大则电机的磁场强,转换的能量大。加大ic是

《电机与控制应用》2006,33(11)开关磁阻发电机的原理与控制策略研究

重要的增加发电功率输出的途径。

事实上开关磁阻发电机类似可控电流源,控制ic的大小可以控制输出电流大小。加强ic的方法有:角度控制(如在一定范围内加大θ2),斩波控制(提高斩波限)。但只有增加励磁电压具有单调控制的意义。开关磁阻发电机在高速运行时,由于励磁时间缩短,所以励磁强度较小,从而影响电机的功率输出。角度控制和斩波控制固然能在一定范围内提高励磁电流ic,但是不能从根本上解决问题。强励方案的提出可以解决开关磁阻发电机在低压、宽转速范围系统中所面临的高转速低功率的问题。3.5　全导通斩波控制　　从开关磁阻发电机运行机理来说,只要通过适当的控制使得绕组相电流有效地工作在电感下降区即可产生电能。前面所述的控制方法都是由

θ位置信号算出发电运行的θ1、2信号,并对系统

进行优化控制,使绕组相电流有效工作在相电感下降区。

节器根据给定量()(如电压)求出所需励磁电流的限值,无需和开通关断的角度信号相迭加,始终保持开通信号,完全靠电流的斩波来控制发电机的功率输出。当相电流达到或超出限值时,通过控制电路关断相应相绕组开关,其余时间保持相绕组主开关导通。全导通斩波控制的相电流波形如图7所示

。

提高了可靠性和容错性,降低了成本,特别适合在高转速下应用。

4　特点及发展前景

　　飞机、汽车的电源系统从发电型发展为起动/发电型是技术上的进步,不仅降低了系统重量,而且提高了可靠性和系统效率。直流电源系统为构成起动/发电系统提供了可能性。而开关磁阻发电系统的优良特性更决定了它作为一种新型的起动/发电系统也具有很强的竞争力:开关磁阻发电系统可以在同一套电流分配器的基础上灵活地进行起动到发电状态的切换,并可以产生高质量的高压直流电能;磁阻电机起动时,也可以产生较大转矩。

由此可见,开关磁阻发电机具有结构简单坚固、低成本、高容错运行能力、较高的能量密度和。这些特性决定了。

　语

　　本文介绍了开关磁阻发电机在低压小功率系统中应用的基本原理和控制方法,从理论上探索开发小功率开关磁阻发电系统的可行性,并探讨了开关磁阻发电机运行机理及发电运行控制方案。

【参考文献】

[1]　刘迪吉,张焕春.开关磁阻调速电动机[M].北京:

机械工业出版社,1994.

[2]　MACMINNSR,JONESWD.Averyspeedswitched

reluctancestarter/generatorforaircraftengineapplica2tion[C].ProcNAECON′89,1989:175821764.[3]　刘闯,严加根.开关磁阻起动/发电系统及其一体化

控制方案[J].电源技术学报,2004,2(3):2402244.

[4]　刘迪吉,曲民兴,朱学忠,等.开关磁阻发电机[J].

南京航空航天大学学报,2003,35(2):1092115.

[5]　JOHNM,MILLERV.Designconsiderationsforanau2

tomotiveintegratedstarter/generatorwithpole2phasemodulation[C].IEEEIASAunualMeeting,2001:236622373.

图7　全导通斩波控制的相电流波形

　　开关磁阻发电机不需要检测转子位置,省去

了转子位置传感器,简化了系统结构和控制方案,

收稿日期:2006204223

—13—