CN108075701B - 一种无位置传感器下开关磁阻发电系统效率提升控制方法 - Google Patents

Abstract

一种无位置传感器下开关磁阻发电系统效率提升控制方法，首先利用电流注入法实时间接估算转子相对位置角度，省去位置传感器，降低开关磁阻发电机系统的故障发生率。以相电流有效值最小为效率提升控制目标，通过实验测量得出相电流有效值最小时开关磁阻发电机转速—功率—开通角度关系，计算出最优开通角度区域，在线查找开通角度、功率闭环控制关断角度，直到满足查找精度值后结束。该方法提高了发电机本体发电效率，降低了功率变换器的损耗，提高功率变换器工作可靠性、开关器件工作寿命。对开关磁阻发电系统具有良好的优化效果。

Description

一种无位置传感器下开关磁阻发电系统效率提升控制方法

技术领域

本发明涉及开关磁阻发电机领域。

背景技术

开关磁阻发电机是一种双凸级式同步发电机，其结构简单，仅定子上有绕组，转子上无绕组与永磁体；成本低，维护简单，对工作环境要求极低；定子各相之间相互独立，故障容错性能好；转子无铜耗，发电效率高；激励参数多，控制方法灵活；系统输出电压为直流电，高压直流传输电时可直接DC-DC变换后并网。位置检测环节是开关磁阻发电系统的重要组成部分，检测到的位置信号转化成转子相对角度作为开关管导通和关断的依据。利用位置传感器，例如光电式传感器、编码器等可直接进行转子位置的测量，并通过数字控制器处理转化为实际开关角度。随着电机相数的不断增加，所需的传感器数量会增多。转子位置传感器的存在不仅增加了系统的复杂性，又给安装，调试带来了很大不便，严重削弱了电机结构简单的优势，降低了系统的可靠性，限制了应用。利用电机自身特性间接检测转子位置来代替位置传感器的使用成为当前磁阻电机领域一个有潜力的研究方向。开关磁阻电机的损耗主要有铁心损耗、铜线损耗、机械损耗和杂散损耗等，其中铜耗占有电机损耗的大部分。降低开关磁阻发电系统工作过程中的损耗，提高系统工作效率，对开关磁阻发电机在实际中的应用以及节能减排都具有重大的意义。铜耗占有开关磁阻电机损耗的大部分，优化铜耗可以提高电机效率。降低相电流有效值，减小开关管的损耗，降低温度，提高工作寿命；同时降低了功率变换器的器件损耗与线路损耗，提高功率变换器的工作可靠性与开关磁阻发电系统的效率。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术中存在的问题，提供一种能够间接估算转子位置角度，提升开关磁阻发电机系统效率提升控制方法。

本发明的开关磁阻发电系统效率优化控制方法：

(1)利用电机的电感对称性将电机固定在特殊位置，根据电流注入法计算出特殊位置的电感；选定外加电流激励的判定区间，在该区间内进行电流注入并计算出斩波管斩波导通时间，确定电机的特殊位置，输出触发信号；根据电感线性变化区间，对角度误差进行补偿，提高角度估算的精度。角度计算式如下：

式中θ_a’为当前估算的脉冲时刻到来时的角度值，θ_a为上个时刻估算角度值。ω为估算的电机转速，Δt为估算脉冲的时间间隔，T为数字控制器采样周期。θ(k+1)为当前采样时刻的转子角度，θ(k)为上一采样时刻角度。Ln为7.5°时的电感值，Lm为15°时的电感值，Δt’当前的斩波管导通时间，U_dc为母线电压，Δi为滞环带宽。

(2)当发电机转速较高，反电动势较大时，电机采用角度位置控制，激励参数有开关角度设定电机允许的最大斩波限值电流、二分法查找精度值和给定功率，通过相电流有效值最小时开关磁阻发电机转速—功率—开通角度关系，计算出最优开通角度区域，利用二分法查找开通角度、功率闭环控制关断角度，直到满足查找精度值后结束。采用二分法在最优开通角度区域查找开通角度，通过给定扰动比较相电流有效值，不断将开通角度区域二分而减小，当开通角度区域满足给定精度时，查找结束。开关磁阻发电机工作在给定工作点的最小铜耗模式，发出电能。

(3)采用二分法在最优开通角度区域查找开通角度，通过给定扰动比较相电流有效值，不断将开通角度区域二分而减小，当开通角度区域满足给定精度时，查找结束。开关磁阻发电机工作在给定工作点的最小铜耗模式，发出电能。根据实测数据测量，通过数据拟合得到不同功率下开通角度区域[θ_l,θ_u]。取该区域的中间角度θ_d＝(θ_l+θ_u)/2作为发电机的开通角度，当电机稳定时测量出该角度下相电流有效值i_r1。给定开通角度以角度扰动Δθ(Δθ>0)，稳定后测得此时相电流有效值i_r2。比较两者大小，若i_r1>i_r2，此时开通角度处于最优角度θ_opl的左侧区域，则此时最优角度θ_opl处于区间[θ_d,θ_u]内，令θ_l＝θ_d，继续取该区间内中间角度并给予扰动；若i_r1<i_r2，此时开通角度处于最优角度θ_opl右侧区域，最优角度θ_opl处于区间[θ_l,θ_d]内，令θ_u＝θ_d，取该区间内中间角度给予扰动。重复上面的步骤，则最优角度所在的区域范围θ_opl因被持续的二分而减小，当角度满足所需的精度后，取该区间内的中间角度即为该工作点下的最优开通角度θ_opl，利用式：

计算给定的角度扰动Δθ。

(4)通过实验测量可以得出相电流有效值最小时开关磁阻发电机在不同功率点下关断角度处于固定区域，采用曲线拟合得出不同转速功率点下关断角度处于固定区域时最优开通角度区域，得出转速—功率—开通角度关系。

有益效果：本发明首先利用开关磁阻电机本身电磁特性，根据非导通相电流注入法估算了相对位置角度，省略位置传感器，降低的系统的结构复杂程度，减少了因位置传感器损坏带来的发电系统故障；同时估算方法简单易实现，可以在线实时估算角度具有较好的实用性。然后以铜耗为控制目标，对于电机本体而言，由于铜耗占有电机损耗的大部分，因此电机的发电效率将得到提高；对于功率变换器而言，由于电机工作在不同功率下相电流有效值最小值点，器件损耗与电路损耗大幅度降低，增加了功率变换器工作的可靠性；对于开关管而言，损耗的减小，降低了开关管的工作温度，增加了工作寿命与安全性。因此本发明提高了开关磁阻发电系统的效率，对于开关磁阻发电系统的实际应用有较大意义。

附图说明

图1是本发明的三相开关磁阻发电机系统拓扑；

图2是本发明的电流注入法估算相对位置角度时，相电流波形、位置脉冲和估算角度信号示意图；

图3是本发明的角度估算补偿示意图。

图4是本发明的相电流、开关管电流示意图。

图5是本发明的无位置传感器下开关磁阻发电机系统效率提升控制框图示意图；

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

实施例1：如图1所示，本发明的三相开关磁阻发电系统拓扑结构，功率变换器采用的不对称半桥；

本发明的无位置传感器下开关磁阻发电机系统效率提升控制方法：

(1)首先利用开关磁阻发电机相电感对称性，将电机固定在两个特殊位置7.5°和15°，对特殊位置进行电流注入计算其电感值。然后将特殊位置的斩波管导通时间作为参考点值，将一个转子周期分为两个区域，在区域I内进行电流注入，并与参考值比较得出估算位置脉冲，如图2所示。利用电感近似线性变化区间进行角度补偿，实时利用线性变化区间计算出实际估算脉冲的上升沿的估算角度，利用该估算角度进行转速与角度的估算，如图3所示。

补偿后角度估算公式如下：

式中θ_a’为当前估算的脉冲时刻到来时的角度值，θ_a为上个时刻估算角度值。ω为估算的电机转速，Δt为估算脉冲的时间间隔，T为数字控制器采样周期。θ(k+1)为当前采样时刻的转子角度，θ(k)为上一采样时刻角度。Ln为7.5°时的电感值，Lm为15°时的电感值，Δt’当前的斩波管导通时间，U_dc为母线电压，Δi为滞环带宽。

(2)当发电机转速较高，反电动势较大时，电机采用角度位置控制，激励参数有开关角度设定电机允许的最大斩波限值电流、二分法查找精度值和给定功率，通过实验测量可以得出相电流有效值最小时开关磁阻发电机转速—功率—开通角度关系，计算出最优开通角度区域[θ_l,θ_u]，利用二分法查找开通角度θ_on、功率闭环控制关断角度θ_off，直到查找到满足查找精度值的最优开通角度θ_opl。

(3)采用二分法在最优开通角度区域查找开通角度，通过给定扰动比较相电流有效值，不断将开通角度区域二分而减小，当开通角度区域满足给定精度时，查找结束。开关磁阻发电机工作在给定工作点的最小铜耗模式，发出电能。根据实测数据测量，通过数据拟合得到不同功率下开通角度区域[θ_l,θ_u]。取该区域的中间角度θ_d＝(θ_l+θ_u)/2作为发电机的开通角度，当电机稳定时测量出该角度下相电流有效值i_r1。给定开通角度以角度扰动Δθ(Δθ>0)，稳定后测得此时相电流有效值i_r2。比较两者大小，若i_r1>i_r2，说明此时开通角度处于最优角度θ_opl的左侧区域，则此时θ_opl处于区间[θ_d,θ_u]内，令θ_l＝θ_d，继续取该区间内中间角度并给予扰动；若i_r1<i_r2，此时开通角度处于最优角度θ_opl右侧区域，θ_opl处于区间[θ_l,θ_d]内，令θ_u＝θ_d，取该区间内中间角度给予扰动。重复上面的步骤，则最优角度所在的区域范围θ_opl因被持续的二分而减小，当角度满足所需的精度后，取该区间内的中间角度即为该工作点下的最优开通角度θ_opl，如图4所示。利用式：

计算给定的角度扰动Δθ。

(4)通过实验测量可以得出相电流有效值最小时开关磁阻发电机在不同功率点下关断角度处于固定区域，采用曲线拟合得出不同转速功率点下关断角度处于固定区域时最优开通角度区域，得出转速—功率—开通角度关系。

如图5所示，为本发明的无位置传感器下开关磁阻发电机系统效率提升控制框图。

Claims (1)

1.一种无位置传感器下开关磁阻发电机系统效率提升控制方法，其特征在于：

(1)利用电机的电感对称性将电机固定在特殊位置，根据电流注入法计算出特殊位置的电感；选定外加电流激励的判定区间，在该区间内进行电流注入并计算出斩波管斩波导通时间，确定电机的特殊位置，输出触发信号；根据电感线性变化区间，对角度误差进行补偿，提高角度估算的精度，角度计算式如下：

式中θ_a’为当前估算的脉冲时刻到来时的角度值，θ_a为上个时刻估算角度值；ω为估算的电机转速，Δt为估算脉冲的时间间隔，T为数字控制器采样周期；θ(k+1)为当前采样时刻的转子角度，θ(k)为上一采样时刻角度；L(θ)为θ角度时的电感值，Ln为7.5°时的电感值，Lm为15°时的电感值，Δt’为当前的斩波管导通时间，U_dc为母线电压，Δi为滞环带宽；

(2)当发电机转速较高，反电动势较大时，电机采用角度位置控制，激励参数有开关角度、设定电机允许的最大斩波限值电流、二分法查找精度值和给定功率，通过相电流有效值最小时开关磁阻发电机转速—功率—开通角度关系，计算出最优开通角度区域，利用二分法查找开通角度、功率闭环控制关断角度，直到满足查找精度值后结束；采用二分法在最优开通角度区域查找开通角度，通过给定扰动比较相电流有效值，不断将开通角度区域二分而减小，当开通角度区域满足给定精度时，查找结束；开关磁阻发电机工作在给定工作点的最小铜耗模式，发出电能；

(3)根据实测数据测量，通过数据拟合得到不同功率下开通角度区域[θ_l,θ_u]；取该区域的中间角度θ_d＝(θ_l+θ_u)/2作为发电机的开通角度，当电机稳定时测量出该角度下相电流有效值i_r1；当Δθ>0时，给定开通角度以角度扰动Δθ，稳定后测得此时相电流有效值i_r2；比较两者大小，若i_r1>i_r2，此时开通角度处于最优角度θ_opl的左侧区域，则此时最优角度θ_opl处于区间[θ_d,θ_u]内，令θ_l＝θ_d，继续取该区间内中间角度并给予扰动；若i_r1<i_r2，此时开通角度处于最优角度θ_opl右侧区域，最优角度θ_opl处于区间[θ_l,θ_d]内，令θ_u＝θ_d，取该区间内中间角度给予扰动；重复上面的步骤，则最优角度θ_opl所在的区域范围因被持续的二分而减小，当角度满足所需的精度后，取该区间内的中间角度即为该工作点下的最优开通角度θ_opl，利用式：

计算给定的角度扰动Δθ；

(4)通过实验测量可以得出相电流有效值最小时开关磁阻发电机在不同功率点下关断角度处于固定区域，采用曲线拟合得出不同转速功率点下关断角度处于固定区域时最优开通角度区域，得出转速—功率—开通角度关系。

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