CN1152469C - 直接励磁控制的开关磁阻发电机系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种直接励磁控制的开关磁阻发电机属开关磁阻发电机，它由原动机1、开关磁阻发电机2、功率变换器3、控制电路4和调节器5所构成。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(如电压)求出所需相电流的限值，当某相电流达到或超出相电流限值时，通过控制电路关断相应相绕组开关，其余时间始终保持相绕组开关导通。既去掉了转子位置传感器，也不需要检测转子位置，从而简化了系统结构和控制方案，提高了可靠性和容错性，降低了成本。

Description

直接励磁控制的开关磁阻发电机系统的方法

本发明的直接励磁控制的开关磁阻发电机属开关磁阻发电机。

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，简称SRM)结构简单，定子仅有集中绕组，转子无永磁、无绕组，能量密度高，是近年来各国学者专家研究的热点。开关磁阻调速电动机以其调速性能好、结构简单、效率高、成本低等特点，在许多场合下得到了较为广泛的应用。

作为发电机运行，更由于其简单的转子结构和灵活简便的控制，使其在一些高速场合(如飞机、汽车发电机等)，发挥出其独特的优势。常用的控制方案有斩波控制、角度控制以及两者的结合等。但是，转子位置闭环是迄今为止所有常规控制方案的基本特征。实现位置检测的方案很多，如普遍采用的光电或霍尔式位置检测技术等，虽检测器本身结构并不复杂，而且也是无接触式的，但它的存在会使电机结构简单可靠的优点变得逊色，特别是大大降低了可靠性。因此，国际上对开关磁阻电机无位置传感器的研究是近年来的热门课题。其中检测SRM转子位置的主要方案有：①监测电流波形；②测量非导通相绕组的自感或互感；③采用状态观察器来计算转子位置等。其目标仍然是首先测出SRM转子位置，然后进行各种控制。

本发明的目的在于：针对开关磁阻发电机转子位置检测难题，提出一种摒弃转子位置检测，直接进行开关磁阻发电机励磁控制方案，简化发电机控制和结构，提高发电系统的可靠性，降低成本，扩大其应用范围。

本发明的直接励磁控制的开关磁阻发电机，其特点就是既没有位置传感器，也不需要检测转子位置。因此，其结构仅包括原动机、开关磁阻电机、功率变换器、

控制电路、调节器。其控制方法是由调节器根据发电机系统的给定量(如电压或电流)与发电机系统对应的输出量求出所需相(或绕组)电流的限值，控制电路从开关磁阻发电机取出相(或绕组)电流样本并与调节器输出的电流限值进行运算，当某相电流达到或超出相电流限值时，由控制电路输出关断信号到功率变换器，使与该相绕组直接相连的可控开关关断，其余时间始终保持相绕组的可控开关导通。实现直接励磁控制的开关磁阻发电机的发电运行状态。

本发明由于采用了直接励磁控制方法，既去掉了转子位置传感器，又不需要检测转子位置，从而简化了系统结构和控制方案，提高了可靠性和容错性，降低了成本。

为了进一步叙述本发明的组成结构及工作原理，本发明有如下附图：

附图1：(a).直接励磁控制的开关磁阻发电机的组成框图

       (b).三相开关磁阻发电机主电路原理图

       (c).直接励磁控制的开关磁阻发电机相电流波形图

附图2：(a).开关磁阻电机-相绕组示意图

       (b).绕组相电感、相电流曲线图

       (c).直接励磁控制工作示意图

附图1(a)和(b)是以三相为例的直接励磁控制的开关磁阻发电机的组成框图及主电路原理图。本发明的直接励磁控制的开关磁阻发电机包括原动机1，开关磁阻发电机2、功率变换器3、控制电路4、调节器5所组成。其控制方法是由调节器5根据给定量(如电压)与发电系统的输出量(如电压)求出所需相电流(i_a、i_b、i_c)的限值i_max；当某相电流达到或超出相电流限值i_max时，通过控制电路4关断相应相绕组可控开关，其余时间始终保持相绕组开关导通，实现开关磁阻发电机直接励磁控制的发电运行状态。附图1(c)就是采用本控制方法时的相绕组电流波形实测图。图中标号6为相电流限值。

附图2(a)是三相开关磁阻发电机截面示意图，其定、转子均为凸极齿槽结构，定子设有集中绕组(图中仅表示出一相)，转子无绕组。由图可以看出，当转子位置变化时，各相磁路的磁阻及相绕组的电感也随之改变，把相绕组轴线(定子齿轴线)与转子槽轴线重合位置定义为θ＝0°，该位置相电感为最小值L_min；再定义定子相绕组轴线和转子齿轴线重合位置为θ_m＝45°，其时电感具有最大值L_max。附图2(b)所表示的就是相电感L(θ)以转子齿距角θ_r为周期而变化的关系曲线。

从开关磁阻发电机发电运行机理来说，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将机械能转换为电能，常规控制方法都是由位置信号解算出如附图2(b)所示的发电运行相绕组可控开关所需的开通角θ₁和关断角θ₂信号，对励磁电流进行控制，使得相绕组在可控开关关断后，即在(θ₂，θ₃)区间有较大的电流，使开关磁阻发电机进行有效的发电工作。常规控制方案中，为获取θ₁、θ₂，采用的方法有加装转子位置检测器、监测电流波形、测量相绕组的自感或互感、采用状态观察器来计算转子位置等，这些都必将增加系统的复杂性，提高成本，降低可靠性。

本发明的核心在于，相绕组可控开关器件仅在本相电流达到或超出相电流限值i_max时关闭，其余时间始终保持导通。而相电流限值i_max可以利用调节器简单地通过给定量(如电压)与发电系统的输出量(如电压)求出。系统不需要检测转子位置。从而简化了结构和控制方法，提高了可靠性，降低了成本。

本发明的控制方法能良好工作的原因可根据附图1(b)及附图2(a)、(c)简述如下：

由附图2(a)可列出开关磁阻发电机-相绕组电压平衡方程式：

$u=-e+\mathrm{ir}=\frac{\mathrm{d\ψ}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{ir}=L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{i\Ω}\frac{\∂L}{\∂\mathrm{\θ}}+\mathrm{ir}-----\left(1\right)$

式中：u为相绕组电压，r为相绕组电阻； 为自感电势，

为运动电势。

再由附图1(b)可知：当可控开关导通时，u为+Uc；

                  当可控开关关断(二极管导通)时，u为-Uc。

在最小电感区域，当可控开关开通时，由于电感小且 $\frac{\∂L}{\∂\mathrm{\θ}}\≈0,$ 相电流上升很快，当i≥I_max时，可控开关关断，绕组通过二极管续流，相电流下降，之后功率管再开通，如此反复数次，当转子位置达到相电感上升区，可控开关开通时，运动电势阻碍电流上升，且相电感渐增(如附图2(c)中15°～45°区间)，相电流很难上升到相电流限值i_max。在电感下降区(θ_m，θ_r)，运动电势反向，它和线电压共同作用使得相电流迅速上升；当i≥i_max时，可控开关关断，运动电势克服Uc经二极管续流使得相电流继续上升，进入有效发电状态。转子位置到达最小电感区域时，由于运动电势减小，相电流快速下降，又进入到下一个周期工作过程。从工作全过程看，在(0，θ_m)区间，式(1)中运动电势为正值，关断可控开关必定能限制相电流，以限制电能向机械能的转换；而在(θ_m，θ_r)区间，式(1)中运动电势为负值，若可控开关开通，运动电势和Uc叠加，使相电流将上升，将电能、机械能一并转换为磁场储能；若可控开关关断，运动电势将克服Uc阻挡，使相绕组通过二极管向外输出电流，将机械能、磁能转换为电能输出。

Claims (1)

1、一种直接励磁控制的开关磁阻发电机系统的方法，其特征在于是由调节器(5)根据发电机系统的给定量与发电机系统对应的输出量求出所需相(或绕组)电流的限值，控制电路(4)从开关磁阻发电机(2)取出相(或绕组)电流样本并与调节器(5)输出的电流限值进行运算，当某相电流达到或超出相电流限值时，由控制电路(4)输出关断信号到功率变换器(3)，使与该相绕组直接相连的可控开关关断，其余时间始终保持相绕组的可控开关导通。

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