一種單繞組多相磁懸浮開關(guān)磁組發(fā)電機(jī)不對稱勵(lì)磁方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種勵(lì)磁方法，具體涉及一種單繞組多相磁懸浮開關(guān)磁組發(fā)電機(jī)不對稱勵(lì)磁方法。
【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)磁阻電機(jī)的定子和磁軸承定子結(jié)構(gòu)的相似性，將磁軸承技術(shù)與開關(guān)磁阻電機(jī)相結(jié)合構(gòu)成磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)。這種磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固無摩擦，既可作為電動(dòng)運(yùn)行，又可以勵(lì)磁發(fā)電，適用于高速儲(chǔ)能電機(jī)領(lǐng)域。單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，其獨(dú)立繞組較多，電機(jī)槽滿率高，是繼雙繞組磁懸浮電機(jī)之后又一研宄熱點(diǎn)。結(jié)構(gòu)上該電機(jī)的勵(lì)磁和懸浮為一套繞組，勵(lì)磁過程與一般的開關(guān)磁阻電機(jī)相似，由于繞組同時(shí)擔(dān)任懸浮和勵(lì)磁兩種功能，繞組不能串聯(lián)只可以獨(dú)立勵(lì)磁，而且需要獲得定轉(zhuǎn)子相對位置以確定輸出產(chǎn)生域。
[0003]2011年發(fā)表于《中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)》的文獻(xiàn)“全周期無軸承磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)”提出了一種磁懸浮開關(guān)磁阻全周期發(fā)電機(jī)，其懸浮繞組同時(shí)擔(dān)任懸浮和勵(lì)磁兩種功能，并且在懸浮繞組完成勵(lì)磁關(guān)斷后，主繞組續(xù)流發(fā)電。然而該電機(jī)勵(lì)磁繞組與懸浮繞組磁路重疊，同時(shí)通電勵(lì)磁電流對徑向力有較大影響，懸浮力與發(fā)電電壓存在非線性耦合關(guān)系，這使得懸浮和發(fā)電性能難以平衡。
[0004]對于任何開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其勵(lì)磁和退磁都是周期性的，傳統(tǒng)的工作模式有單脈沖和斬波勵(lì)磁模式。通過位置傳感器反饋的角度信號，低速時(shí)通過切換功率變換器，對繞組施加母線電壓進(jìn)行勵(lì)磁，并對峰值電流斬波限幅。當(dāng)過了定轉(zhuǎn)子對齊位置，打開開關(guān)通過續(xù)流二極管施加負(fù)電壓，電流衰減并將部分能量反饋給電源。高速時(shí)，經(jīng)過控制器計(jì)算的開通關(guān)斷位置角，分先后打開上下管，使得電流在二極管和閉合回路中循環(huán)，能量在繞組中儲(chǔ)存并消耗。一般的采取低速斬波、中高速單脈沖角度位置控制相結(jié)合的方法降低勵(lì)磁難度，但是勵(lì)磁過程中電流要根據(jù)位移的反饋不斷調(diào)整，電流難免偏離跟蹤整定值，造成懸浮力失穩(wěn)。在現(xiàn)有的勵(lì)磁模式中，磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)高速運(yùn)行換相周期短，換相勵(lì)磁斬波控制難度大，而且較高的斬波頻率無疑增加了開關(guān)管的功率損耗。
[0005]目前，對于已知磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)許多不同的功率變換布局技術(shù)，圖2是一個(gè)最常用的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)主電路，它可以多相多極的繞組，在附圖2中，電機(jī)的繞組在直流母線和之間與兩個(gè)MOS開關(guān)管串聯(lián)。該電路可以工作在正母線電壓勵(lì)磁和零電壓勵(lì)磁三種模式，而且繞組與繞組之間相互獨(dú)立，對多相多極并聯(lián)沒有限制。繞組兩端的DC鏈路電容器，可以發(fā)出或吸收各繞組的續(xù)流電流，根據(jù)實(shí)際并聯(lián)的繞組輸出功率配置鏈路電容的容量和數(shù)目。
[0006]在此電路基礎(chǔ)上，申請?zhí)枮?2118406.2的發(fā)明“開關(guān)磁阻電機(jī)的勵(lì)磁”公布一種控制多相開關(guān)磁阻電機(jī)的方法，其通過一相完成其正常勵(lì)磁時(shí)段之后進(jìn)行空轉(zhuǎn)過程以獲得電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，兩相啟動(dòng)之間增加的空轉(zhuǎn)步驟不從電源引入電流，大大提高了勵(lì)磁效率。但是這種勵(lì)磁方式，采取一相繞組串聯(lián)的方式，對極繞組的電流只能保持對稱勵(lì)磁，徑向力平衡不能支持轉(zhuǎn)子懸浮。另一方面，其勵(lì)磁能量大部分轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩輸出，只有少部分在勵(lì)磁結(jié)束反饋給母線電源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種單繞組多相磁懸浮開關(guān)磁組發(fā)電機(jī)不對稱勵(lì)磁方法，通過縮短和延長空轉(zhuǎn)勵(lì)磁區(qū)間實(shí)現(xiàn)一相內(nèi)的不對稱勵(lì)磁，前一相勵(lì)磁結(jié)束續(xù)流，后一相繼續(xù)激勵(lì)，允許勵(lì)磁部分有重疊時(shí)間以補(bǔ)償懸浮力和勵(lì)磁能量。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0009]本發(fā)明的一種單繞組多相磁懸浮開關(guān)磁組發(fā)電機(jī)不對稱勵(lì)磁方法，包括以下幾個(gè)步驟:
[0010](I)將開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)主電路的負(fù)載、續(xù)流二極管、MOS開關(guān)管、電容按照不對稱半橋結(jié)構(gòu)并聯(lián)，DC母線一端組成勵(lì)磁支路，DC鏈路一端組成續(xù)流支路；(2)啟動(dòng)階段，轉(zhuǎn)子凸極中心線相對定子凸極中心線的位置角逐漸減小且為負(fù)值，則第一相繞組phsase-1、phsase-2、phsase-3、phsase_4的電感值進(jìn)入上升區(qū)，此時(shí)將第一相上橋臂開關(guān)管及第一相下橋臂開關(guān)管均閉合，電源與第一相繞組形成閉合回路；在電源母線電壓勵(lì)磁過程中，根據(jù)繞組電流的限幅寬度，若繞組電流超過限幅寬度上限，則打開第一相上橋臂開關(guān)管及第一相下橋臂開關(guān)管，若繞組電流低于限幅寬度下限，則關(guān)斷第一相上橋臂開關(guān)管及第一相下橋臂開關(guān)管，避免繞組電流峰值過大；(3)建立穩(wěn)定的輸出電壓后，所述轉(zhuǎn)子凸極中心線相對定子凸極中心線的位置角接近零，將第一相上橋臂開關(guān)管打開，繞組與電源母線斷開，第一相繞組、下橋臂續(xù)流二極管和第一相下橋臂開關(guān)管組成空轉(zhuǎn)，繞組勵(lì)磁電壓為零；在零電壓勵(lì)磁過程中，通過縮短和延長空轉(zhuǎn)時(shí)間控制懸浮力增加和減小，空轉(zhuǎn)過程依靠剩磁勵(lì)磁；
(4)空轉(zhuǎn)結(jié)束，所述轉(zhuǎn)子凸極中心線相對定子凸極中心線的位置角逐漸增大且為正值，第一相繞組的電感值進(jìn)入下降區(qū)，此時(shí)將第一相下橋臂開關(guān)管打開，第一相繞組通過DC鏈路續(xù)流；同時(shí)后一相繞組的電感值進(jìn)入上升區(qū)，閉合該相下橋臂開關(guān)管，該相繞組開始勵(lì)磁，其余各相繞組重復(fù)步驟(2)?(4)。
[0011]在電源母線電壓勵(lì)磁過程中繞組從母線吸收能量；零電壓勵(lì)磁過程中依靠剩磁勵(lì)磁；勵(lì)磁結(jié)束則通過DC鏈路續(xù)流。
[0012]整個(gè)勵(lì)磁過程主電路的母線為直流電源連接繞組的線路；DC鏈路為并聯(lián)各獨(dú)立繞組的續(xù)流回路；DC鏈路電容器在勵(lì)磁階段吸收母線電流，勵(lì)磁結(jié)束和并聯(lián)繞組一起為負(fù)載供電。
[0013]步驟(2)中，所述第一相繞組phsase-l、phsase-2、phsase-3、phsase_4 的勵(lì)磁時(shí)間相同，所吸收的勵(lì)磁能量也相同。
[0014]步驟(4)中，前、后相繞組同時(shí)勵(lì)磁的時(shí)間即為補(bǔ)償懸浮力和勵(lì)磁能量的時(shí)間。
[0015]本發(fā)明的勵(lì)磁方法可以在不對稱勵(lì)磁情況下，利用空轉(zhuǎn)狀態(tài)下繞組中的剩磁維持勵(lì)磁，空轉(zhuǎn)時(shí)間的長短取決于繞組中勵(lì)磁電流的大小，提高了勵(lì)磁、發(fā)電、懸浮的工作效率，降低了電流斬波頻率。
【附圖說明】
[0016]圖1是現(xiàn)有的單繞組多相磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是現(xiàn)有的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0018]圖3是本發(fā)明的單繞組多相磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的功率電路圖；
[0019]圖4是本發(fā)明的勵(lì)磁方式實(shí)施的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意。
[0020]圖5是母線電壓勵(lì)磁階段電循環(huán)過程；
[0021]圖6是空轉(zhuǎn)剩磁勵(lì)磁階段電循環(huán)過程；
[0022]圖7是續(xù)流反饋階段電循環(huán)過程；
[0023]圖8是二相換相?目號；
[0024]圖9是加入零電壓勵(lì)磁前后斬波和零電壓空轉(zhuǎn)過程，電感以及勵(lì)磁區(qū)間的波形；
[0025]圖10不同空轉(zhuǎn)位置角，輸出電壓波形。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0027]本發(fā)明為解決現(xiàn)有磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，每極繞組獨(dú)立勵(lì)磁效率低，高速斬波控制勵(lì)磁電流難度大問題。本發(fā)明勵(lì)磁階段采用一種母線電壓勵(lì)磁和剩磁勵(lì)磁相結(jié)合的勵(lì)磁策略。此策略允許懸浮相在勵(lì)磁階段斷開母線電壓，采用剩磁勵(lì)磁。勵(lì)磁方法可以在不對稱勵(lì)磁情況下，調(diào)節(jié)剩磁勵(lì)磁區(qū)間長度，控制勵(lì)磁電流，提高了勵(lì)磁、發(fā)電、懸浮的工作效率，降低了電流斬波頻率。
[0028]一種單繞組多相磁懸浮開關(guān)磁組發(fā)電機(jī)不對稱勵(lì)磁方法包括:激勵(lì)第一相；接著激勵(lì)第二相，適時(shí)斷開第一相母線電壓，允許第二相啟動(dòng)勵(lì)磁與第一相有部分重疊，勵(lì)磁的過程包括母線電壓勵(lì)磁和零電壓勵(lì)磁階段；母線勵(lì)磁階段，繞組從母線吸收能量，零電壓勵(lì)磁階段依靠剩磁勵(lì)磁；勵(lì)磁結(jié)束通過DC鏈路續(xù)流。
[0029]所用驅(qū)動(dòng)電路母線被描述為直流電源連接繞組的線路，變換器的DC鏈路作為連接并聯(lián)各獨(dú)立繞組的續(xù)流回路，DC鏈路電容器在勵(lì)磁階段吸收母線電流，勵(lì)磁結(jié)束和并聯(lián)繞組一起為負(fù)載供電。
[0030]啟動(dòng)階段轉(zhuǎn)子凸極相對定子凸極“進(jìn)入”位置角θ on，繞組電感則進(jìn)入上升區(qū)，一相上下開關(guān)均閉合。此過程適時(shí)打開上下開關(guān)管，電流斬波限幅避免峰值過大，一相繞組phsase-1、phsase-2、phsase_3、phsase-4勵(lì)磁時(shí)間相同，所吸收的勵(lì)磁能量也相同。建立穩(wěn)定的輸出電壓后，轉(zhuǎn)子進(jìn)入位置角Θ offl，上橋臂開關(guān)打開、繞組、二極管和下開關(guān)形成空轉(zhuǎn)回路；轉(zhuǎn)子“進(jìn)入”位置角Θ 0ff2，電感進(jìn)入下降區(qū)，下開關(guān)打開，繞組通過DC鏈路續(xù)流，