磁悬浮开关磁阻电机共励磁控制方法研究

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开关磁阻电机(SRM)结构简单、耐高温、高速适应性强,在航空航天、军事和民用领域具有独特应用特色。电磁轴承磁通可调节、固有刚度大、承载能力大、且控制灵活,在高速电机应用范围广。电磁轴承与SRM构成的磁悬浮开关磁阻电机(MBSRM),不仅可有效解决高速电机的轴承支撑问题,还可进一步发挥SRM的高速优势。然而,传统的MBSRM系统中,磁轴承和电机通常是单独设计和独立控制,系统庞大,集成度低;另外,电磁轴承因需要较大偏置电流,导致悬浮功耗较大。因此,研究磁轴承、SRM、功率变换器和控制系统等方面的综合集成技术具有重要理论和实践意义。本文提出了一种由E型定子齿电磁轴承和12/8极SRM构成的新型MBSRM共励磁系统及其控制方法。为改善传统MBSRM系统集成度低、控制系统庞大等问题,采用电磁轴承和SRM联合励磁,提出了共励磁系统的思想。研究了以不同共励磁功率变换器和SRM实现共励磁控制,给出本文研究对象两自由度MBSRM共励磁的基本理论。在研究基于二极管整流功率变换器的磁悬浮电机共励磁系统时,其中四个二极管整流共励磁功率变换器偏置电流幅值小,增大了系统的悬浮损耗,为此研究了两个二极管整流共励磁功率变换器,该变换器利用电枢绕组续流阶段的电流增大偏置电流幅值。为进一步提高共励磁系统的集成度,减少控制系统硬件成本,对电磁轴承悬浮控制采用两相三桥臂开关功放,并以此研究了基于悬浮绕组预测模型选择开关状态的悬浮控制方法。不同于传统MBSRM系统悬浮旋转独立控制,共励磁系统中悬浮和旋转是协同控制相互联系的,为了使电机正常起浮旋转,依照SRM开环启动方法,以一相电枢绕组通入恒定电流,使转子和定子轴线重合,此时偏置电流恒定控制转子悬浮。共励磁系统轻载或则空载运行时偏置电流幅值较小,不利于转子悬浮,为了解决该问题提出了利用电感平顶区间平均转矩为零的特点,增大斩波电流限值从而提高偏置电流幅值,并且可以增大导通区间从而提高平均输出转矩。为打破母线电压限制,改变SRM输出转矩实现偏置电流主动控制,提出了将Boost电路和不对称半桥电路结合构成两级式升压共励磁功率变换器,其中偏置绕组复用为Boost电路的储能电感。仿真研究了低速和高速工况下MBSRM的输出转矩和偏置电流变化情况,证明了偏置电流可控。其他工况下,采用基于二极管整流共励磁功率变换器共励磁系统的控制方法仿真验证了共励磁控制的可行性。
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