李麗 袁婷

（廣東科技學(xué)院機(jī)電工程系 廣東 東莞 523083）

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制的特性分析與設(shè)計(jì)

李麗 袁婷

（廣東科技學(xué)院機(jī)電工程系 廣東 東莞 523083）

本文主要對(duì)開關(guān)磁阻調(diào)速發(fā)電機(jī)控制方式的特性進(jìn)行分析，并采用其非線性數(shù)學(xué)模型，在求得其非線性磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的前提下，利用數(shù)值計(jì)算方法求解開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，分析各種控制方法和控制參數(shù)下的電機(jī)特性，為開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的高性能控制提供依據(jù)。

開關(guān)磁阻調(diào)速發(fā)電機(jī)；調(diào)角度控制；勵(lì)磁

1.開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)基本特性分析

1.1 轉(zhuǎn)速影響

在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速提高，電機(jī)輸出功率加大，這時(shí)運(yùn)動(dòng)電勢(shì)隨轉(zhuǎn)速提高而加大，有利于機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換。但轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，勵(lì)磁時(shí)間縮短，即在固定情況下，勵(lì)磁時(shí)間與成反比，由此會(huì)導(dǎo)致顯著下降，使發(fā)電功率反而隨轉(zhuǎn)速提高而減小。對(duì)工作轉(zhuǎn)速范圍寬的系統(tǒng)，按不同轉(zhuǎn)速段優(yōu)選控制參數(shù)是開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)合理控制的重要手段。

1.2 穩(wěn)態(tài)性能

表1-1給出了6/4結(jié)構(gòu)3kW開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)并勵(lì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)是輸出270V的直流電源系統(tǒng)，它采用優(yōu)選及斬波方案實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)控制，保持了系統(tǒng)電壓基本穩(wěn)定。從表1-1可以看出，空載時(shí)電壓紋波很小，隨著負(fù)載增加，繞組輸出電流脈沖增大，因此紋波也加大。

表1-1 6/4結(jié)構(gòu)3KW SRG穩(wěn)態(tài)特性

1.3 動(dòng)態(tài)特性

發(fā)電系統(tǒng)用突加和突減負(fù)載試驗(yàn)來衡量其動(dòng)態(tài)特性，不同轉(zhuǎn)速、滿載突加和突卸試驗(yàn)結(jié)果列在表1-2。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)僅有單一繞組，勵(lì)磁和發(fā)電分時(shí)工作，本身時(shí)間常數(shù)小，并能在每一換相周期改變控制參數(shù)甚至改變工作狀態(tài)，特別是電流閉環(huán)響應(yīng)很快。轉(zhuǎn)速高、勵(lì)磁電流小，但負(fù)載變化時(shí)勵(lì)磁電流相對(duì)調(diào)整量大些，所以超調(diào)量及過渡時(shí)間略大。

表1-2 6/4結(jié)構(gòu)6KW SRG動(dòng)態(tài)特性

1.4 過載與缺相運(yùn)行

過載狀態(tài)出現(xiàn)相電流不過零的現(xiàn)象是正常的，這是因?yàn)殚_關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有串勵(lì)特性，較大 致使續(xù)流過程延伸至勵(lì)磁階段，這樣勵(lì)磁電流起始值就不為零，從而獲得更大 ，使輸出電流和功率強(qiáng)增。如表1-3。電機(jī)是三相制，相間耦合甚少，斷一相不會(huì)對(duì)系統(tǒng)有多大影響，調(diào)節(jié)器自動(dòng)控制可以確保系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，并靠其它相過載運(yùn)行維持系統(tǒng)額定輸出。

表1-3 缺一相發(fā)電運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

2.開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)集成設(shè)計(jì)

集成設(shè)計(jì)是融電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)估、相磁鏈空間數(shù)值分析和穩(wěn)、動(dòng)態(tài)性能仿真于一體的交互設(shè)計(jì)過程。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)在電磁關(guān)系上有突出的本質(zhì)差別，表現(xiàn)以下三方面：

（1）能量轉(zhuǎn)換需要的大磁阻變化率等效于氣隙磁場(chǎng)或相磁鏈的劇烈變化，導(dǎo)致開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)無穩(wěn)定磁工作點(diǎn)，而是動(dòng)態(tài)、往復(fù)的磁鏈空間；

（2）集中式相繞組綜合了儲(chǔ)能（勵(lì)磁）和變換能量（續(xù)流發(fā)電）雙重功能，且相電流的大小和導(dǎo)通、截止位置均與定轉(zhuǎn)子參數(shù)及控制器密切相關(guān)；

（3）不同控制策略的發(fā)電品質(zhì)與磁阻電機(jī)參數(shù)及功率變換器拓?fù)涿芮邢嚓P(guān)?；诖抛桦姍C(jī)、變換器和控制器間的強(qiáng)耦合關(guān)系，本文提出開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)集成設(shè)計(jì)方法。

2.1 電磁參數(shù)預(yù)估

開關(guān)磁阻電機(jī)的主要電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)有定轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑、齒高及齒極弧系數(shù)和繞組匝數(shù)；其中關(guān)鍵參數(shù)為電樞內(nèi)徑Da和繞組匝數(shù)Nφ?；诖怕凡伙柡途€性模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)估方法，存在過程繁雜、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)多且范圍大等缺點(diǎn)。本文針對(duì)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的電磁特征，給出Da和Nφ估算公式如下：

式中Pi為計(jì)算功率；As為電負(fù)荷；Bδ為磁負(fù)荷；αsr為定子齒寬相對(duì)極弧系數(shù)；θcon為導(dǎo)通區(qū)間；nmin，ωmin為最低發(fā)電轉(zhuǎn)速及角速度；為額定發(fā)電電壓；a為電樞支路數(shù)；βs為定子齒距角。

2.2 磁鏈空間數(shù)值分析

初步確定電樞內(nèi)徑Da和繞組匝數(shù)Nφ后，依據(jù)槽滿率、電流密度以及導(dǎo)磁材料磁密等常規(guī)電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，逐一確定齒高、內(nèi)外徑等參數(shù)。為求解由相電流ik和轉(zhuǎn)子位置角θL二元變量張成的相磁鏈空間［ψik，θL］，必須構(gòu)造能對(duì)場(chǎng)源ik和任意轉(zhuǎn)子位置角θL進(jìn)行自適應(yīng)處理的有限元數(shù)據(jù)前處理程序，然后通過對(duì)預(yù)估相電流最大值imax的N等分和轉(zhuǎn)子齒距周期θZ＝360／Z以M步旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行N×（M＋1）次有限元計(jì)算，就可得到開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的離散相磁鏈空間［ψik，θL］（N＋1）×（M＋1），式中ik＝K。imax／N，K＝1，N；θL＝L。θZ／M，L＝0，M。

3.系統(tǒng)建模

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)是磁阻電機(jī)、功率變換器及控制器的高度綜合體，這是系統(tǒng)建模的關(guān)鍵。在已獲得電機(jī)磁特征的相磁鏈空間基礎(chǔ)上，結(jié)合功率變換器主電路結(jié)構(gòu)，考慮到三相繞組的實(shí)時(shí)控制策略不完全對(duì)稱等情況，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的非線性數(shù)學(xué)模型如下：

式中sφ是表征相繞組處于勵(lì)磁或發(fā)電狀態(tài)的標(biāo)識(shí)符；iφ和rφ分別表示開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)之某相繞組電流和相電阻；ψφ和θφ分別表示相磁鏈和轉(zhuǎn)子位置角；ΔUT、ΔUD表示主功率電路中開關(guān)管和續(xù)流管的飽和壓降；RL、C表示系統(tǒng)的負(fù)載電阻及濾波電容；θon、θoff分別表示開通角和關(guān)斷角；U表示母線實(shí)時(shí)電壓；iφHi和iφLOW表示與控制策略相關(guān)的相控參數(shù)。

4.結(jié)論

本文闡述了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的基本工作原理，分析4開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有串勵(lì)特性，過載能力強(qiáng)；通常要用轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，這使結(jié)構(gòu)和工作可靠性受損。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)是一非線性系統(tǒng)，雙凸極結(jié)構(gòu)、非線性磁特性加上開關(guān)器件及控制的非線性，使得分析、設(shè)計(jì)、研究都有許多難處和模糊性，特別是優(yōu)化的電機(jī)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)還待深入探索。

[1]任貴勇.王常虹.開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行及其數(shù)字仿真研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21（2）：29-30.

[2]張畸雪.開關(guān)磁阻鳳力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)研究與實(shí)踐[D].南京航空航天大學(xué)碩士論文，2000.

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Characteristic analysis and design of switched reluctance generator control

Li Li, Yuan Ting. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong Institute of Technology, Guangdong, Dongguan 523083, China

This paper the characteristics of switched reluctance speed generator control mode are analyzed, and a nonlinear mathematical model, under the premise that the data obtained by the nonlinear magnetic field, using the method of numerical calculation, the solution of the dynamic and steady-state characteristics of switched reluctance generator. Analysis of motor characteristics under various control methods and control parameters. To provide basis for the high performance control of switched reluctance generator.

Switched reluctance speed generator; Adjustable Angle control;Excitation

TP17

A

1009-5624（2016）05-0034-03