机工作转速范围较宽 ,同样可以通过分区段设定
— 12 —
图
5
固定
θ 1
,
调节电流斩波限的相电流波形
优化的
θ 1
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
θ 1
和关断角
θ 2
,而是在主
开关的开通信号中加上调制的 PWM 信号 。通过
调节 PWM 的占空比 D 就可以调整励磁电流的大
Abstract: The p rincip le and system struture of sw itched reluctance generator ( SRG) was introduced. The con2 trol strategies of SRG were discussed: angle position control, current chopp ing control, PWM control and exciting voltage control, full conducted current chopp ing control. And development of SRG was introduced finally. SRG lowers cost, had higher energy density and running ability at high temperature and high speed.
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
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
形
。在
θ 1
～θ2
区
段
,
电源
经
过
主
开
关
对
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 。
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
XU Yan1 , XU J ian2guo1 , Z IAO S ong2 (1. Zhengzhou Railway Vocational & Technical College, Zhengzhou 450052, China; 2. Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry M anagement, Zhengzhou 450015, China)
绕
组
供
电 ,称为“励磁 ”阶段 。励磁开始点处于 5L / 5θ> 0
的区段 ,由于母线电压的作用 , 励磁电流开始上
《电机与控制应用 》2006, 33 (11)
图 1 三相 6 /4结构磁阻发电机截面图
图 2 单周期 A相电流波形
升 。当转子达到 θ=θm 附近时 , 5L / 5θ≈ 0,但由于
小 ; D 越大 ,励磁电流也越大 ,发电机的有效输出
功率也越大 。
图 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 P I调节器的设计也带来一定的方便 ,但会增加
开关磁阻发电机的原理与控制策略研究
电流 i > 0, L (θ)的值比 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
进一步增加 , 处在 5L / 5θ < 0 的区段时 , 励磁电流
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
θ 2
处
达
到
ic。在本阶段 ,
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
位置信号算出发电运行的
θ 1
、θ2
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 。
全导通斩波控制方案是一种去除位置传感器
的开关磁阻发电机控制方案 ,其控制方法是由调
节器根据给定量 (如电压 )与发电系统的输出量
Key words: sw itched reluctance genera tor; electr ic mach ine theory; con trol pr inc iple
0 引 言
开关磁阻电机 ( Switched Reluctance Motor,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 ] 。 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 250 kW ,输出电压 为 270 V ,其电压品质满足 M IL —STD—704E标准 ; 由 Lockheed Martin公司研制的美国空军下一代联 合攻击战斗机采用了 80 kW (DC 270 V )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
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 iphase < ichop ,主开关开通 ,相电 流 (励磁电流 ) 上升并逐渐到达电流斩波限 ; 当
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
iphase > ichop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
θ 1
后
,
调节斩波限
ichop相当
于 调整θ2 。随着斩波限 ichop的增加 , 励磁 区间 加
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
能转换为电能输出 。
2 开关磁阻发电系统构成
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 , 主要由四部分组成 (如图 3 所 示 ) [3] :
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 。
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
固定
θ 1
,调节
θ 2
的相电流波形
( b)
固定
θ 2
,调节
θ 1
的相电流波
图 4 两种角度控制的方案
A
PC方法时
,一般先根据优化的值固定
θ 2
,
然
后
通过闭环调节
θ 1
(见图
4 ( b)
) 。若开关磁阻发电
机工作转速范围较宽 ,则可以通过分区段固定
θ 2
,使得不同
的转
速
区
段
对应
的
θ 2
有
所
不
同
,
然
后再通过闭环细调 θ1。
断
角
θ 2
;
随着
θ 2
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 ,