CN111030408A - 大功率开关磁阻电机、系统、以及控制方法 - Google Patents

大功率开关磁阻电机、系统、以及控制方法 Download PDF

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CN111030408A CN201811172961.5A CN201811172961A CN111030408A CN 111030408 A CN111030408 A CN 111030408A CN 201811172961 A CN201811172961 A CN 201811172961A CN 111030408 A CN111030408 A CN 111030408A
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Abstract

本发明提供一种大功率开关磁阻电机，具有；定子，在定子齿上缠绕有定子绕组；转子，由转轴支承而旋转；壳体，包括端盖以及包围所述定子周围的侧面；以及冷却单元，包括设置在转轴与转子的连接处的通孔、设置在端盖上的端盖通风口以及设置在侧面上的侧面通风口。根据上述大功率开关磁阻电机，能够有效地抑制转矩脉动，使大功率开关磁阻系统稳定、可靠地工作。

Description

大功率开关磁阻电机、系统、以及控制方法
技术领域
本发明涉及电力机车牵引领域，尤其涉及一种大功率开关磁阻电机、系统、以及控制方法。
背景技术
世界上最早出现的机车是蒸汽机车，随后又出现内燃机车、直流机车和交流机车等。从这一发展趋势来看，机车领域的技术革命都是以牵引动力的变革为基础，随着铁路机车牵引技术的不断发展，必将寻求新的突破，朝着高效率、低运营成本的方向发展。
当前，永磁同步电机作为一种机车牵引电机被广泛应用，但由于存在生产成本高、永磁体失效和反电势高等问题，永磁同步电机的发展受到限制。而与此相对，开关磁阻电动机传动系统凭借其卓越的性能在现代传动系统中异军突起，越来越受到市场的青睐。开关磁阻电动机传动系统的优越性主要表现在以下几个方面：电动机结构简单坚固，制造工艺简单，成本低，定子线圈容易嵌放，端部短而牢固，工作可靠，可用于高速运转，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动的环境；功率电路简单可靠；系统可靠性高；起动转矩大，起动电流低，不存在感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象；适用于频繁起停及正反向转换运行；可控参数多，调速性能好。基于上述优点，中小功率的开关磁阻电机系统已成功地应用在家用电器、纺织机械和电动汽车等领域，而开关磁阻电机传动系统也必将成为今后铁路牵引技术一个新的方向。
然而，由于受到电力电子器件容量的限制，以及电机散热和转矩脉动等问题，大功率开关磁阻电机还未普及，在铁路牵引领域更是尚属空白。由于电力机车负载系统是一种大惯性负载系统，因此对牵引系统电机的性能具有更高的要求，即，需要足够大的启动转矩，加速、爬坡、牵引与制动间的自如切换，较宽的调速范围，以及较高的功率等级。
例如，专利文献CN107425783A公开了一种能够减少开关磁阻电机转矩脉动的方法，并且公开了一个SRM中的不对称桥变流器，使得每一相绕组存在三种工作状态，在不同的电平状态下，其电流下降速度是不同的，可以在不同的情况下根据运行需要进行切换。然而，该不对称桥变流器并不适用于被应用在电力机车牵引领域等需要大功率的开关磁阻电路中。
开关磁阻电机的控制方法目前主要有以下几种：斩波控制原理简单，但是转矩脉动大，整体调速性能差；转矩函数分配控制方法虽然能够有效抑制转矩脉动，但是实现起来比较复杂，并且还存在速度范围限制；转接瞬时转矩控制方法能实现教小转矩脉动，响应速度快，但是会带来电流尖峰等问题。
发明内容
发明所要解决的问题
本发明是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供一种能够有效地抑制转矩脉动的、稳定可靠的大功率开关磁阻电机、系统、以及控制方法。
解决问题的技术方案
本发明的一个实施方式提供一种用于电力机车的大功率开关磁阻电机，具有：定子，在定子齿上缠绕有定子绕组；转子，由转轴支承而旋转；壳体，包括端盖以及包围所述定子周围的侧面；以及冷却单元，包括设置在所述转轴与所述转子的连接处的通孔、设置在所述端盖上的端盖通风口以及设置在所述侧面上的侧面通风口。
由此，各相定子绕组与磁路彼此独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩，因此开关磁阻电机的可靠性高。此外，上述的开关磁阻电机的结构简单，转子上没有任何形式的绕组，因此不存在鼠笼感应电机制造过程中铸造不良和使用过程中的断条等问题，同时能够降低电机的制造成本。此外，上述的冷却单元能够有效地带走开关磁阻电机在高速运行时产生的热量，从而充分对开关磁阻电机进行冷却。
根据上述的大功率开关磁阻电机，可选地，所述大功率开关磁阻电机是一种三相12/8极开关磁阻电机。
根据上述的大功率开关磁阻电机，可选地，所述大功率开关磁阻电机的电机容量为1630kw。
根据上述的大功率开关磁阻电机，可选地，所述定子的外径为844mm，所述定子的定子铁心轭高为50mm，所述定子铁心的长度为782mm，所述定子铁心的齿宽为15°，所述转子的外径为560mm，所述转子的转子铁心轭高为60mm，所述转子铁心的长度为782mm，所述转子铁心的齿宽为16°，第一气隙为1.8mm，第二气隙为70mm，转轴径为280mm。
本发明的一个实施方式提供一种控制器，具有：TSF控制单元，实现转矩指令值分配功能；DITC滞环控制单元，实现转矩跟踪功能；以及转矩估算单元。
由此，根据上述的控制器的结构，能够在有效地抑制转矩脉动、实现较小转矩脉动的同时，简化控制算法，并且避免电流尖峰的问题，优化大功率开关磁阻电机控制系统的性能。
本发明的一个实施方式提供一种大功率开关磁阻电机系统，具有：上述的大功率开关磁阻电机；上述的控制器；功率变换器，包括三相在每个支路由两个相同元件并联的不对称桥电路；以及位置传感器，与所述大功率开关磁阻电机连接。
由此，根据上述的功率变换器的结构，满足了大功率开关磁阻电路运行的需要，并且对于各个不对称桥电路彼此独立地进行控制，因此即使在某一电路出现故障时也不会影响其他电路，提高了安全性，同时确保了不对称桥变流器的工作稳定性。
本发明的一个实施方式提供一种大功率开关磁阻电机控制方法，其特征在于，包括：TSF控制步骤，进行转矩指令值分配；DITC滞环控制步骤，进行转矩跟踪；以及转矩估算步骤。
发明效果
根据本发明的大功率开关磁阻系统，能够在提供大功率牵引动力的同时实现系统的稳定性和可靠性。
根据本发明的大功率开关磁阻电机的控制方法，能够在有效地抑制转矩脉动、实现较小转矩脉动的同时，简化控制算法，并且避免电流尖峰的问题，优化大功率开关磁阻电机控制系统的性能。
附图说明
图1是示出本发明的一个实施方式的大功率开关磁阻电机系统的结构的图。
图2是三相开关磁阻电机的控制波形图。
图3是示出沿着大功率开关磁阻电机的转轴方向观察本发明的一个实施方式的大功率开关磁阻电机的定子与转子的结构的图。
图4是示出沿着大功率开关磁阻电机的径向观察该大功率开关磁阻电机的图。
图5是本发明的一个实施方式的不对称桥式变流器的电路图。
图6是示出本发明的一个实施方式的大功率开关磁阻电机系统中的控制器的具体结构的图。
图7是图6的控制器中的DITC单元的内环图。
其中，附图标记说明如下：
500 大功率开关磁阻电机系统
1 大功率开关磁阻电机
2 功率变换器
3 控制器
4 位置检测器
10 定子
11 定子绕组
12 转子
13 转轴
14 通孔
15 端盖
具体实施方式
下面，将结合附图，对本发明的实施方式进行清楚完整的描述。需要说明的是，本实施方式所述的结构要素仅为例示，并不意图将本发明的范围仅限于这些例示。此外，为了便于理解，附图中，有时根据需要会以简化的方式来表示各部的大小或数量。
大功率开关磁阻电机系统
图1是示出本发明的一个实施方式的大功率开关磁阻电机系统的结构的图。如图1所示，本实施方式中，大功率开关磁阻电机系统500具有大功率开关磁阻电机1、功率变换器2、控制器3以及位置检测器4。其中，大功率开关磁阻电机1是开关磁阻电机系统中实现机电能量转换的部件。大功率开关磁阻电机1、功率变换器2以及控制器3的具体结构将在后文进行详细叙述。
大功率开关磁阻电机
下面，参照图2和图3详细说明本发明的一个实施方式的大功率开关磁阻电机的结构。
图3是示出沿着大功率开关磁阻电机的转轴方向观察本发明的一个实施方式的大功率开关磁阻电机的定子与转子的结构的图。图3中示出了XYZ空间直角坐标系，其中Z方向为垂直纸面的方向。本实施方式中，大功率开关磁阻电机的转轴在Z方向延伸。如图3所示，大功率开关磁阻电机1由定子10、定子绕组11、转子12以及转轴13构成。本实施方式中的开关磁阻电机1是一种三相12/8极开关磁阻电机。优选，电机容量为1630kw。
定子10具有定子铁心101及定子齿102。定子铁心101是定子10的重要部件，是开关磁阻电机磁路的主要组成部分，同时也是后文所述的定子绕组的安装和固定部件。本实施方式中，在定子铁心101的内圈开有定子线槽103，从而形成12个定子齿102。优选，定子10的外径为844mm，定子10的长度为782mm，定子齿102的齿宽为15°，定子铁心轭高Hcs为50mm。
定子绕组11缠绕在定子10上，具体而言，定子绕组11缠绕在定子齿102上。图3中对12个定子齿分别标记符号T1～T12，并示出了线圈缠绕在定子齿T9上的例子，而其余定子齿上的省略图示的绕组的缠绕方式也是同样。定子绕组11是一种三相定子绕组，包括A、B、C三相，其中，定子齿T1、T7、T4、T10上设置有A相集中绕组，定子齿T2、T2、T5、T11上设置有B相集中绕组，定子齿T3、T9、T6、T12上设置有C相集中绕组。根据电机旋转方向不同，A、B和C相绕组依次导通。
图2是三相开关磁阻电机的控制波形图。其中，控制波形图的横轴表示转子位置角θ，用实线表示B相导通，用点划线表示C相导通，用双点划线表示A相导通。将图2中的转子位置角θ的位置定义为0°初始位置(θ＝0°)。当转子12顺时针旋转时，如图2所示，当0°<θ<15°时，C相导通；当15°<θ<30°时，B相导通；30°<θ<45°时，A相导通。依此类推，C、B、A三相依次导通。本实施方式中，在C相导通期间，根据控制需要，给予C相绕组相应的电压激励，激励电压幅值为变流器输入端直流电压Udc。
定子绕组11由功率变换器2(功率变换器的具体结构将在后文进行详细叙述)供电，其中，每个定子绕组由一相不对称桥电路供电。从开关磁阻电机的电磁结构上看，各相定子绕组与磁路彼此独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩，因此开关磁阻电机系统的可靠性高。从开关磁阻电机的控制结构上看，各相不对称桥电路各自给一相定子绕组供电，并且相互独立工作，因此当电动机一相定子绕组或一相不对称桥电路发生故障时，只需停止该相工作即可，而不会对其他相产生影响，由此能够保障开关磁阻电机系统的稳定性和可靠性。
转子12是由转轴13支承的旋转部件。转子12具有转子铁心121和转子齿122。本实施方式中，在转子铁心121的外圈开有转子线槽123，从而形成8个转子齿122。开关磁阻电机的结构简单，转子12上没有任何形式的绕组，因此不存在鼠笼感应电机制造过程中铸造不良和使用过程中的断条等问题，同时能够降低电机的制造成本。优选，转子12的外径为560mm，转子12的长度为782mm，转子齿122的齿宽为16°，转子铁心轭高Hcr为60mm。
定子10与转子12之间设置有气隙。此处，气隙是指电机的定子与转子之间的空隙。定子不转，转子需要转动，因此气隙是必须的。根据电机的不同，气隙大小也不同。本实施方式中，设置有第一气隙g1与第二气隙g2。第一气隙g1是指定子齿102与转子齿122在径向上的距离，第二气隙g2是指定子齿102与转子线槽123的槽底在径向上的距离。优选，第一气隙g1为1.8mm，第一气隙g2为70mm。
转轴13设置在转子12的径向内侧，用于支承转子12而使其进行旋转。在转轴13与转子12的连接处设置有圆形的通孔14。通孔14是开关磁阻电机1的冷却单元的一部分，在该通孔14中通过冷却空气，从而对大功率开关磁阻电机运行时的高温部位进行针对性散热。
图4是示出沿着大功率开关磁阻电机的径向(即，Z方向)观察该大功率开关磁阻电机的图。本实施方式的大功率开关磁阻电机还具有壳体。壳体成圆柱形，具有两个端盖15和包围定子10的外侧周围的侧面(省略图示)。端盖15包括端盖通风口151，侧面包括侧面通风口(省略图示)。如图4所示，端盖通风口151设置在端盖15上。本实施方式中，端盖通风口151为若干小孔，密集分布在除了端盖轮毂之外的端盖15的部分上。侧面通风口设置在靠近与端盖通风口151相反侧的端盖的侧面上。
本实施方式的大功率开关磁阻电机具有冷却单元，采用强迫通风的冷却方式。本实施方式中，在利用上述结构进行冷却时，冷却空气从侧面通风口进入该开关磁阻电机的壳体内部，通过定子10与转子12之间的第一气隙g1、第二气隙g2，并且通过转轴13与转子12的连接处的通孔14，然后，冷却空气从端盖通风口151离开该开关磁阻电机。由此，冷却空气通过设置在内部的第一气隙g1、第二气隙g2和通孔14，从而有效地带走开关磁阻电机在高速运行时产生的热量，能够充分对开关磁阻电机进行冷却。
功率变换器
图5是本发明的一个实施方式的不对称桥式变流器的电路图。如图4所示，本实施方式中的功率变换器2是一种不对称桥式变流器，该不对称桥式变流器的左端连接到前级变压器(即，图1中的牵引变压器5)以及四象限供电电路(即，图1中的四象限整流器6)，由此被供给直流电。该不对称桥式变流器的作用在于将直流电变换为交流电，然后向开关磁阻电机1的三相绕组输出。
该不对称桥式变流器包括三部分不对称桥电路，即，不对称桥电路A、不对称桥电路B以及不对称桥电路C，分别向对应的A、B、C相集中绕组供电。下面，以图5最左侧的与A相集中绕组对应的不对称桥电路A为例进行说明，与B相集中绕组对应的不对称桥电路B以及与C相集中绕组对应的不对称桥电路C具有相同原理。图5中，D1-D4为二极管，用于进行续流，Q1-Q4为开关元件。
不对称桥电路A的工作状态如下：当开关元件Q1与Q2、Q3与Q4均导通时，向相绕组A供电；当Q1与Q2导通、Q3与Q4关断时，相绕组A的电流通过D1与D2进行续流；当Q1与Q2、Q3与Q4均关断时，相绕组A的电流通过D1与D2、D3与D4进行续流。
本实施方式的不对称桥电路与现有的不对称桥电路的主要区别在于，每个电流支路都由两个相同元件并联，即，D1、D2并联，D3、D4并联，Q1、Q2并联，Q3、Q4并联。通过这一结构，满足了大功率开关磁阻电路运行的需要，并且对于不对称桥电路A、不对称桥电路B与不对称桥电路C彼此独立地进行控制，因此即使在某一电路出现故障时也不会影响其他电路，提高了安全性，同时确保了不对称桥变流器的工作稳定性。
控制器
图6是示出本发明的一个实施方式的大功率开关磁阻电机系统中的控制器的具体结构的图。如上所述，该大功率开关磁阻电机系统500具有：大功率开关磁阻电机1、功率变换器2、控制器3、位置传感器4。如图6所示，控制器3主要由TSF控制单元、DITC滞环控制单元以及转矩估算器构成。
控制器的控制方法
本实施方式的大功率开关磁阻电机控制方法采用转矩分配函数法(TSF)与直接瞬时转矩控制法(DITC)结合的方法，具体而言，转矩分配函数法由TSF控制单元实现，而直接瞬时转矩控制法由DITC滞环控制单元实现。根据现有技术，TSF法的核心是通过转矩分配函数对各相转矩指令值进行优化分配。TSF法能够有效地实现开关磁阻电机的恒转矩输出，并且可以根据不同的要求采用不同的转矩分配函数，从而能够有效地抑制转矩脉动，实现最佳控制。但TSF的算法复杂，而且对速度范围存在限制。DITC法的核心则是通过三状态的转矩滞环控制器实现对总转矩的跟踪控制。DITC法能实现较小转矩脉动，响应速度快，但是带来电流尖峰等问题。因此，根据本实施方式的控制方法，能够在有效地抑制转矩脉动、实现较小转矩脉动的同时，简化了控制算法，并且避免电流尖峰的问题，优化了大功率开关磁阻电机控制系统的性能。下面，分别详细说明控制器3的各结构要素。
TSF控制单元的功能是实现转矩指令值的分配。如图6所示，TSF控制单元包括转速PI调节单元以及转矩分配单元。当控制器3接收到电机转子角速度指令值ωref时，ωref被输入到转速PI调节单元，根据如下的式(1)、式(2)计算电机总转矩指令值Tref。其中，Δω为转速偏差，ω为转子角速度，Kp为比例放大系数，τ是积分时间常数。
Δω＝ωref-ω···(1)
Figure BDA0001823006750000081
由此，从转速PI调节单元向转矩分配函数单元输出总转矩指令值Tref。转矩分配函数单元计算A、B、C相集中绕组的转矩指令值TrefA、TrefB、TrefC，并输出给DITC滞环控制单元，由此实现转矩指令值分配的功能。
图7是图6的控制器中的DITC单元的内环图。图7中，以A相集中绕组为例对DITC滞环控制单元进行分析。DITC滞环控制单元接收来自转矩分配函数单元的TrefA、TrefB、TrefC以及来自后述的转矩估算单元的由A、B、C相集中绕组分别产生的实际转矩TA、TB、TC，实现转矩跟踪的功能。如图7所示，ΔTmin表示转矩偏差最小限值，ΔTmax表示转矩偏差最大限值，并且直角坐标系中有①、②、③三个代表点。为了方便以下的说明，假设功率变换器2具有三种状态“1”、“0”以及“-1”。“1”状态表示绕组施加正向电压，电流增加扭矩增加；“0”状态表示绕组施加电压为零，电流缓慢减小，扭矩减小；“-1”状态表示绕组施加反向电压，电流快速减小，扭矩快速减小。图7中，在①点处，转矩误差TrefA-TA≥ΔTmin，A相转矩过小，因此将功率变换器2切换到状态“1”，转矩快速增大；在②点处，转矩误差TrefA-TA≤-ΔTmin，A相转矩过大，将功率变换器2切换到状态“0”，使A相转矩平缓减小；在③点处，转矩误差TrefA-TA≤-ΔTmax，A相转矩过大，此时将使功率变换器2切换到状态“-1”，使A相绕组进入退磁状态，转矩快速下降。
电流传感器与功率变换器2连接，检测三相电流，并将三相电流输出给转矩估算单元。位置传感器4向转矩估算单元输出转子位置角θ。转矩估算单元基于接收到的三相电流与转子位置角θ，估算如上所述的转矩TA、TB、TC。
由此，将TSF法与DITC法相结合，先通过TSF控制单元将总转矩指令值Tref具体分配成三相转矩指令值TrefA、TrefB、TrefC，再通过DITC滞环控制单元实现实际输出转矩对转矩指令值的跟踪，综合两者的优势，使得大功率磁阻电机控制系统的性能更优，转矩脉动得到较好抑制。
尽管已经详细说明了本发明，但上述说明在所有方面都是例示性的，本发明不限于此。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想未示出的其他变形例。此外，只要不相互矛盾，可以适当地组合或者省略上述各实施例及各变形例中说明的各结构。

Claims (6)

1.一种用于电力机车的大功率开关磁阻电机，其特征在于，具有：
定子，在定子齿上缠绕有定子绕组；
转子，由转轴支承而旋转；
壳体，包括端盖以及包围所述定子周围的侧面；以及
冷却单元，包括设置在所述转轴与所述转子的连接处的通孔、设置在所述端盖上的端盖通风口以及设置在所述侧面上的侧面通风口。
2.根据权利要求1所述的大功率开关磁阻电机，其特征在于，
所述大功率开关磁阻电机是一种三相12/8极开关磁阻电机，所述定子具有12个所述定子齿，所述转子具有8个转子齿。
3.根据权利要求1所述的大功率开关磁阻电机，其特征在于，
所述大功率开关磁阻电机的电机容量为1630kw，所述定子的外径为844mm，所述定子的定子铁心轭高为50mm，所述定子铁心的长度为782mm，所述定子铁心的齿宽为15°，所述转子的外径为560mm，所述转子的转子铁心轭高为60mm，所述转子铁心的长度为782mm，所述转子铁心的齿宽为16°，第一气隙为1.8mm，第二气隙为70mm，转轴径为280mm。
4.一种控制器，其特征在于，具有：
TSF控制单元，接收电机转子角速度指令值，计算并输出定子绕组的各相的转矩指令值；
DITC滞环控制单元，根据来自所述TSF控制单元的所述转矩指令值，对定子绕组的所述各相进行转矩跟踪；以及
转矩估算单元，根据由位置传感器检测的转子位置角以及定子绕组的所述各相的电流，估算定子绕组的所述各相的实际转矩。
5.一种大功率开关磁阻电机系统，其特征在于，具有：
权利要求1所述的大功率开关磁阻电机；
权利要求5所述的控制器；
功率变换器，包括三相在每个支路由两个相同元件并联的不对称桥电路；
位置传感器，与所述大功率开关磁阻电机连接。
6.一种大功率开关磁阻电机控制方法，其特征在于，包括：
TSF控制步骤，接收电机转子角速度指令值，计算并输出定子绕组的各相的转矩指令值；
DITC滞环控制步骤，根据来自所述TSF控制单元的所述转矩指令值，对定子绕组的所述各相进行转矩跟踪；以及
转矩估算步骤，根据由位置传感器检测的转子位置角以及定子绕组的所述各相的电流，估算定子绕组的所述各相的实际转矩。
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