3 发电运行原理
3.1 开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator)简介
开关磁阻发电机(SRG)的研究始于20世纪80年代末。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[4][5][6]。由于开关磁阻电机在航天飞机中的广阔应用前景,引起了一些国家政府部门和航天企业的高度重视。1990年美国空军(USAF)、Wright实验室、WPAFB联合与通用电气飞机发动机公司(General Electric aircraft Engine)签约,共同资助GE公司开展开关磁阻组合起动/发电机的研究。Lucas航空公司(Lucas Aerospace)也开展了SR起动/发电机的研究,认为SR起动/发电机可以在飞机发动机熄火的紧急情况下,由风力发动机(Windmilling engine)驱动为众多的机载设备提供更加可靠的应急电源。
我国在SR发电机的领域也开展了相关的研究活动。其中西北工业大学、西安交通大学在国家“九五”预研基金和国家教委博士点基金的资助下进行SR起动/发电机的相关研究,研制了4kW的SR起动/发电机[3]。南京航天航空大学也开展了SR发电机的研究工作。与其它发电机相比,开关磁阻发电机具有独特的结构特点:
(1) 结构简单
其定、转子均为简单的叠片式双凸极结构,定子上绕有集中绕组,转子上无绕组及永磁体;
(2) 容错能力强
无论从物理方面还是从电磁方面来讲,电机定子各相绕组间都是相互独立的,因而在一相甚至两相故障的情况下,仍然能有一定功率的电能输出;
(3) 可以作成很高转速的发电装置,从而达到很高的能流密度。
3.2 转矩产生原理
如图4所示,与电动运行时不同,绕组在转子转离“极对极”位置(即电感下降区)时通电,产生的磁阻性电磁转矩趋使电机回到“极对极”位置,但原动机驱动转子克服电磁转矩继续逆时针旋转。此时电磁转矩与转子运动方向相反,阻碍转子运动,是阻转转矩性质。
当转子转到下一相的“极对极”位置时,控制器根据新的位置信息向功率变换器发出命令,关断当前相的主开关元件,而导通下一相,则下一相绕组会在转子转离“极对极”位置通电。这样,控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关,就可产生连续的阻转转矩,在原动机的拖动下发电。
3.3 电路分析 根据法拉第电磁感应定律“运动导体在磁场中会产生电势”,而SRG转子仅由叠片构成,没有任何带磁性的磁体。这就需要在SRG发电前有电源提供给SRG励磁,使其内部产生磁场。所以,SRG的特点是首先要通过定子绕组对电机励磁。这一点和其它发电机有着很明显的区别。SRG的工作原理如下:
图5中电源Vcc是一直流电源,既可以是电池,也可以是直流电机。三个电感分别表示SRG的三相绕组,IGBT1~IGBT6为与绕组相连的可控开关元件,6个二极管为对应相的续流二极管。当第一相绕组的开关管导通时(即励磁阶段),电源给第一相励磁,电流的回路是由电源正极→上开关管→绕组→下开关管→电源负极,如图5(a)所示。开关管关断时,由于绕组是一个电感,根据电工理论,电感的电流不允许突变,电流的续流回路(即发电阶段)是绕组→上续流二极管→电源→下续流二极管→绕组,如图5(b)所示。
3.4 能量转换关系
当忽略铁耗和各种附加损耗时,SRG工作时的能量转换过程为:通电相绕组的电感处在电感下降区域内(转子转离“极对极”位置),当开关管导通时,输入的净电能转化为磁场储能,同时原动机拖动转子克服SRG产生的与旋转方向相反的转矩对SRG做功使机械能也转化为磁场储能;当开关管关断时,SRG绕组电流续流,磁场储能转化为电能回馈电源,并且机械能也转化为电能给电源充电。
SR发电机的运行特性 SR发电机的运行特性与SR电动机的运行特性类似,将曲线沿速度轴翻转到转矩为负的第四象限。