开关磁阻发电机供电特性分析.pdf

开关磁阻发电机供电特性分析 任洪林，刘玉孝 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨（150001 ） E-mail: liuyx1981@163.com 摘 要：从开关磁阻电机的电磁特性和机电能量转换关系方面,讲述了开关磁阻电机作为发 电运行的机理;由于开关磁阻电机作发电运行与电动运行具有对称性, 因此与开关磁阻电机类 似,开关磁阻发电机的控制也非常灵活。本文研究了开关磁阻发电机控制方法，阐述了角度 控制、斩波控制和脉宽调制控制等三种调控发电机输出的控制方案;给出了 6/4 结构开关磁 阻发电机的输出电压波形。研究表明,开关磁阻发电机具有结构简单、能量密度高、过载能 力强、容错性好、动静态性能好、效率高等特色,在许多场合有开发应用价值。 关键词：开关磁阻发电机，供电，PI 调节器 中图分类号：TM301.2 1. 引言 开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor 简称SRM)的研究始于20 世纪80 年代末。由 于其结构简单、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，因此在某些特殊应用领域有一定的应用优越性[1] 。初期它是被用作飞机上的起动/发 电机的，所以,又称为SR 起动/发电机。SRM 是一种典型的机电一体化电机，其控制非常灵 活，很容易实现四象限运行，目前以美国GE 公司为代表的航空电气界，从上世纪80 年代 后期对开关磁阻电机作为航空起动/发电机开始可行性探索[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。开关磁阻电机用作风力发电机也 具有良好的性能[3] 。这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，SR 电机自问世以来，多集中于研究开发调速电动机，极少涉及发电方面的研究。本文重点分析 了开关磁阻电机的发电原理并且对发电运行控制策略进行了研究。针对稳定开关磁阻发电机 输出电压易发生波动的情况，研究了PI 控制器和传统控制方案结合的双环控制方法。 2. 开关磁阻发电机工作机理 2.1 发电原理 开关磁阻发电机的相数组成比较自由，可以是单相、三相、四相或其它多相。图1 是广 泛应用的三相6/4 结构磁阻电机截面图。 图1 三相6/4 结构磁阻电机截面图 - 1 - 电机的定子有6 个齿极，每个齿极上设有一个线圈，位于径向相对的两线圈串接成一相 绕组；转子上有4 个齿极，无绕组和永磁体。三相绕组与开关电路相接，如图2 所示。这是 直流电源系统，负载电阻RL 及滤波电容C，此外可并联蓄电池作为贮能元件。 图2 开关磁阻发电机主电路 电机转子由原动机拖动旋转,靠转子位置检测器实现位置闭环控制,三相轮流工作。如一 相主开关导通时，相绕组形成电流之后适时关断主开关，则绕组电流将继续循续流二极管流 通，这样磁场贮能及以磁场为中介转换的机械能，并以续流电流的形式输给用电负载，或给 蓄电池充电。简而言之，电机的凸极效应使相绕组成为有源线圈传递能量，从而实现发电状 态工作。 2.2 开关磁阻发电机的电磁特性及工作特点 由于磁阻电机的定、转子铁心都是凸极结构的，转子磁极与定子通电相的相对位置不同 时，磁场分布也不同；因而绕组电感L 也随转子磁极与定子磁极之间的相对位置变化而变化。 当转子转动时，电机绕组的电感就在最大电感Lmax 和最小电感Lmin 两个特定电感值之间周 期地变化。最大电感是指转子与定子磁极轴线重合位置电感，此值最大；最小电感是指转子 磁极轴线与定子磁极间中心线重合位置的电感，此值最小。电感变化频率与转子极对数成正 比，波长等于转子极距。图3 给出了相电感 与转子位置角 的关系。