一种单绕组多相磁悬浮开关磁组发电机不对称励磁方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种励磁方法，具体涉及一种单绕组多相磁悬浮开关磁组发电机不对称励磁方法。
【背景技术】
[0002]开关磁阻电机的定子和磁轴承定子结构的相似性，将磁轴承技术与开关磁阻电机相结合构成磁悬浮开关磁阻电机。这种磁悬浮开关磁阻电机结构坚固无摩擦，既可作为电动运行，又可以励磁发电，适用于高速储能电机领域。单绕组磁悬浮开关磁阻电机，其独立绕组较多，电机槽满率高，是继双绕组磁悬浮电机之后又一研宄热点。结构上该电机的励磁和悬浮为一套绕组，励磁过程与一般的开关磁阻电机相似，由于绕组同时担任悬浮和励磁两种功能，绕组不能串联只可以独立励磁，而且需要获得定转子相对位置以确定输出产生域。
[0003]2011年发表于《中国电机工程学报》的文献“全周期无轴承磁悬浮开关磁阻发电机的设计”提出了一种磁悬浮开关磁阻全周期发电机，其悬浮绕组同时担任悬浮和励磁两种功能，并且在悬浮绕组完成励磁关断后，主绕组续流发电。然而该电机励磁绕组与悬浮绕组磁路重叠，同时通电励磁电流对径向力有较大影响，悬浮力与发电电压存在非线性耦合关系，这使得悬浮和发电性能难以平衡。
[0004]对于任何开关磁阻电机驱动系统，其励磁和退磁都是周期性的，传统的工作模式有单脉冲和斩波励磁模式。通过位置传感器反馈的角度信号，低速时通过切换功率变换器，对绕组施加母线电压进行励磁，并对峰值电流斩波限幅。当过了定转子对齐位置，打开开关通过续流二极管施加负电压，电流衰减并将部分能量反馈给电源。高速时，经过控制器计算的开通关断位置角，分先后打开上下管，使得电流在二极管和闭合回路中循环，能量在绕组中储存并消耗。一般的采取低速斩波、中高速单脉冲角度位置控制相结合的方法降低励磁难度，但是励磁过程中电流要根据位移的反馈不断调整，电流难免偏离跟踪整定值，造成悬浮力失稳。在现有的励磁模式中，磁悬浮开关磁阻电机高速运行换相周期短，换相励磁斩波控制难度大，而且较高的斩波频率无疑增加了开关管的功率损耗。
[0005]目前，对于已知磁悬浮开关磁阻电机许多不同的功率变换布局技术，图2是一个最常用的开关磁阻发电机主电路，它可以多相多极的绕组，在附图2中，电机的绕组在直流母线和之间与两个MOS开关管串联。该电路可以工作在正母线电压励磁和零电压励磁三种模式，而且绕组与绕组之间相互独立，对多相多极并联没有限制。绕组两端的DC链路电容器，可以发出或吸收各绕组的续流电流，根据实际并联的绕组输出功率配置链路电容的容量和数目。
[0006]在此电路基础上，申请号为02118406.2的发明“开关磁阻电机的励磁”公布一种控制多相开关磁阻电机的方法，其通过一相完成其正常励磁时段之后进行空转过程以获得电机的输出转矩，两相启动之间增加的空转步骤不从电源引入电流，大大提高了励磁效率。但是这种励磁方式，采取一相绕组串联的方式，对极绕组的电流只能保持对称励磁，径向力平衡不能支持转子悬浮。另一方面，其励磁能量大部分转化为转矩输出，只有少部分在励磁结束反馈给母线电源。
【发明内容】
[0007]针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种单绕组多相磁悬浮开关磁组发电机不对称励磁方法，通过缩短和延长空转励磁区间实现一相内的不对称励磁，前一相励磁结束续流，后一相继续激励，允许励磁部分有重叠时间以补偿悬浮力和励磁能量。
[0008]为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现:
[0009]本发明的一种单绕组多相磁悬浮开关磁组发电机不对称励磁方法，包括以下几个步骤:
[0010](I)将开关磁阻发电机主电路的负载、续流二极管、MOS开关管、电容按照不对称半桥结构并联，DC母线一端组成励磁支路，DC链路一端组成续流支路；(2)启动阶段，转子凸极中心线相对定子凸极中心线的位置角逐渐减小且为负值，则第一相绕组phsase-1、phsase-2、phsase-3、phsase_4的电感值进入上升区，此时将第一相上桥臂开关管及第一相下桥臂开关管均闭合，电源与第一相绕组形成闭合回路；在电源母线电压励磁过程中，根据绕组电流的限幅宽度，若绕组电流超过限幅宽度上限，则打开第一相上桥臂开关管及第一相下桥臂开关管，若绕组电流低于限幅宽度下限，则关断第一相上桥臂开关管及第一相下桥臂开关管，避免绕组电流峰值过大；(3)建立稳定的输出电压后，所述转子凸极中心线相对定子凸极中心线的位置角接近零，将第一相上桥臂开关管打开，绕组与电源母线断开，第一相绕组、下桥臂续流二极管和第一相下桥臂开关管组成空转，绕组励磁电压为零；在零电压励磁过程中，通过缩短和延长空转时间控制悬浮力增加和减小，空转过程依靠剩磁励磁；
(4)空转结束，所述转子凸极中心线相对定子凸极中心线的位置角逐渐增大且为正值，第一相绕组的电感值进入下降区，此时将第一相下桥臂开关管打开，第一相绕组通过DC链路续流；同时后一相绕组的电感值进入上升区，闭合该相下桥臂开关管，该相绕组开始励磁，其余各相绕组重复步骤(2)?(4)。
[0011]在电源母线电压励磁过程中绕组从母线吸收能量；零电压励磁过程中依靠剩磁励磁；励磁结束则通过DC链路续流。
[0012]整个励磁过程主电路的母线为直流电源连接绕组的线路；DC链路为并联各独立绕组的续流回路；DC链路电容器在励磁阶段吸收母线电流，励磁结束和并联绕组一起为负载供电。
[0013]步骤(2)中，所述第一相绕组phsase-l、phsase-2、phsase-3、phsase_4 的励磁时间相同，所吸收的励磁能量也相同。
[0014]步骤(4)中，前、后相绕组同时励磁的时间即为补偿悬浮力和励磁能量的时间。
[0015]本发明的励磁方法可以在不对称励磁情况下，利用空转状态下绕组中的剩磁维持励磁，空转时间的长短取决于绕组中励磁电流的大小，提高了励磁、发电、悬浮的工作效率，降低了电流斩波频率。
【附图说明】
[0016]图1是现有的单绕组多相磁悬浮开关磁阻发电机结构示意图；
[0017]图2是现有的开关磁阻发电机主电路拓扑结构；
[0018]图3是本发明的单绕组多相磁悬浮开关磁阻发电机的功率电路图；
[0019]图4是本发明的励磁方式实施的拓扑结构示意。
[0020]图5是母线电压励磁阶段电循环过程；
[0021]图6是空转剩磁励磁阶段电循环过程；
[0022]图7是续流反馈阶段电循环过程；
[0023]图8是二相换相?目号；
[0024]图9是加入零电压励磁前后斩波和零电压空转过程，电感以及励磁区间的波形；
[0025]图10不同空转位置角，输出电压波形。
【具体实施方式】
[0026]为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合【具体实施方式】，进一步阐述本发明。
[0027]本发明为解决现有磁悬浮开关磁阻发电机，每极绕组独立励磁效率低，高速斩波控制励磁电流难度大问题。本发明励磁阶段采用一种母线电压励磁和剩磁励磁相结合的励磁策略。此策略允许悬浮相在励磁阶段断开母线电压，采用剩磁励磁。励磁方法可以在不对称励磁情况下，调节剩磁励磁区间长度，控制励磁电流，提高了励磁、发电、悬浮的工作效率，降低了电流斩波频率。
[0028]一种单绕组多相磁悬浮开关磁组发电机不对称励磁方法包括:激励第一相；接着激励第二相，适时断开第一相母线电压，允许第二相启动励磁与第一相有部分重叠，励磁的过程包括母线电压励磁和零电压励磁阶段；母线励磁阶段，绕组从母线吸收能量，零电压励磁阶段依靠剩磁励磁；励磁结束通过DC链路续流。
[0029]所用驱动电路母线被描述为直流电源连接绕组的线路，变换器的DC链路作为连接并联各独立绕组的续流回路，DC链路电容器在励磁阶段吸收母线电流，励磁结束和并联绕组一起为负载供电。
[0030]启动阶段转子凸极相对定子凸极“进入”位置角θ on，绕组电感则进入上升区，一相上下开关均闭合。此过程适时打开上下开关管，电流斩波限幅避免峰值过大，一相绕组phsase-1、phsase-2、phsase_3、phsase-4励磁时间相同，所吸收的励磁能量也相同。建立稳定的输出电压后，转子进入位置角Θ offl，上桥臂开关打开、绕组、二极管和下开关形成空转回路；转子“进入”位置角Θ 0ff2，电感进入下降区，下开关打开，绕组通过DC链路续流，