高 赟，賈星辰

(西安科技大學(xué)，西安 710054)

開關(guān)磁阻電機起動方案及關(guān)斷角優(yōu)化研究

高 赟，賈星辰

(西安科技大學(xué)，西安 710054)

針對開關(guān)磁阻電機帶載起動時易因關(guān)斷角選取不當以及通電控制策略不當引起的無法起動問題，對其進行起動關(guān)斷角優(yōu)化，并對12/8開關(guān)磁阻電機進行分析采用一種無反轉(zhuǎn)的起動策略。根據(jù)位置傳感器信息判斷轉(zhuǎn)子初始位置并制定相通電邏輯，使電機可以正常起動的基礎(chǔ)上采用一種單雙相結(jié)合起動方式以提高其帶載能力。最后通過實驗驗證起動策略及關(guān)斷角優(yōu)化的有效性，確定其最優(yōu)關(guān)斷角，并證實該單雙相起動方案的可行性。

開關(guān)磁阻電機；關(guān)斷角；起動轉(zhuǎn)矩；單雙相起動

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(以下簡稱SRM)是一種新型調(diào)速電機，調(diào)速系統(tǒng)兼具直流和交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)簡單，具有起動轉(zhuǎn)矩大、起動電流小，控制靈活的優(yōu)點。因此SRM被廣泛應(yīng)用在各種工業(yè)驅(qū)動場合[1-2]。

SRM轉(zhuǎn)子無繞組亦無永磁體，為雙凸極變磁阻電動機[3]。運行原理遵循“磁阻最小原理”。電磁轉(zhuǎn)矩作為電動機的指標之一，總希望大一點。但由于SRM的結(jié)構(gòu)以及運行原理，相電流僅在電感上升區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，而在電感下降區(qū)域則會產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。這導(dǎo)致SRM的輸出轉(zhuǎn)矩與開通角以及關(guān)斷角密切相關(guān)。由于起動時初始速度為零且轉(zhuǎn)速變化較快，轉(zhuǎn)速低旋轉(zhuǎn)電動勢較小，以及初始位置的檢測不正確，可能會使電流延伸到電感下降區(qū)，使電機產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩甚至反轉(zhuǎn)從而無法進入正常運行狀態(tài)。

本文在對關(guān)斷角進行優(yōu)化后所采取的起動方案避免了上述現(xiàn)象，有效減小了起動過程中的制動轉(zhuǎn)矩，提高系統(tǒng)起動過程中的平穩(wěn)性的同時提高了系統(tǒng)的起動帶載能力。

1 起動過程分析

1.1起動原理分析

假設(shè)相繞組的電感與相電流大小無關(guān)，只隨轉(zhuǎn)子位置角θ周期性變化，如圖1中曲線L所示，則可以寫出一相電路方程：

(1)

式中：Us為相繞組兩端電壓。電磁轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)磁共能進行準確計算：

(2)

圖1 SRM電流磁鏈與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系

由式(1)、式(2)及圖1可知，在相電感上升階段轉(zhuǎn)子獲得電動轉(zhuǎn)矩，反之則獲得制動轉(zhuǎn)矩。

SRM在運行過程中，當θ<θ1時，由于電感在最小值，電流快速上升，電磁轉(zhuǎn)矩為零。當θ1<θ<θoff時，電感處在上升階段， 此時產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩且為正。這兩個階段相繞組兩端電壓為US。而當θoff<θ<θ2時，加在繞組兩端電壓為-US，但此時處在電感上升區(qū)域，電流下降但仍產(chǎn)生正的電磁轉(zhuǎn)矩。θ>θ2時，繞組兩端電壓仍為-US，電流快速下降，若在電感下降區(qū)域前相電流沒有降為0，則該相會產(chǎn)生負的電磁轉(zhuǎn)矩即制動轉(zhuǎn)矩。

1.2開通關(guān)斷角對起動的影響

由上一節(jié)的分析可以知道，為了得到較大的起動轉(zhuǎn)矩，一方面應(yīng)盡量減少或避免制動轉(zhuǎn)矩，即在電感下降階段之前盡快使相電流衰減到零。另一方面，應(yīng)盡量提高電動轉(zhuǎn)矩，即在相電感隨轉(zhuǎn)子位置上升區(qū)域應(yīng)盡量流過較大的電流。為此關(guān)斷角通常設(shè)計在最大電感達到之前但又不能過于前移。

通過對電機特性分析可知，把開通角前移有助于使相電流快速上升，把關(guān)斷角后移以增大導(dǎo)通區(qū)間電流，從而產(chǎn)生很大電磁轉(zhuǎn)矩。但電流過大以及關(guān)斷角推后會使開關(guān)管關(guān)斷以后電流續(xù)流進入電感下降區(qū)域從而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。進而使得電機轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，使得瞬間電機方向不確定。同時使相電流適當進入電感下降區(qū)又可以提高導(dǎo)通區(qū)間的電流。所以如果開通關(guān)斷角選取不當，控制策略不得當，就會導(dǎo)致電機起動出現(xiàn)紊亂[5]。因此，電機起動階段，應(yīng)該對關(guān)斷角進行優(yōu)化，使電機平穩(wěn)快速起動的同時又可以兼顧電機的帶載能力。

2 一種單雙相結(jié)合起動方法的實施

本文研究對象為三相12/8結(jié)構(gòu)、7.5 kW的開關(guān)磁阻電機，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計控制電路以及主電路。電機的三相繞組參數(shù)為RA=0.4 Ω,RB=0.4 Ω，RC=0.4 Ω。轉(zhuǎn)子凸極、凹槽數(shù)均為8，凸極弧度數(shù)為17°，凹槽弧度數(shù)為28°。定子凸極、凹槽數(shù)均為12個，弧度數(shù)為15°。三個位置傳感器安裝在以轉(zhuǎn)子軸心為圓弧相隔15°，遮光盤共有8個圓弧，其弧度數(shù)為22.5°均勻分布在圓盤周圍。其中遮光盤將位置傳感器擋住時輸出0，未擋住時輸出1。

根據(jù)三光電對管輸出信號變化，測得每相電感的變化趨勢與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系如圖2所示。

圖2 位置信號與電感關(guān)系曲線

當電機正常運轉(zhuǎn)時，通過控制器的CAP模塊實時捕獲邊沿信號來計算速度從而計算轉(zhuǎn)子位置從而判斷通電邏輯，但是在電機起動前由于轉(zhuǎn)子靜止不會出現(xiàn)邊沿情況，這給初始位置判斷帶來困難。如果不能準確的判斷電機當前位置狀態(tài)就會使電機起動控制出現(xiàn)拒動甚至反轉(zhuǎn)。因此電機的初始位置檢測無法使用CAP模塊，必須要使用I/O口對其所處位置進行預(yù)估判斷。

由圖2可知，三相SRM在任一瞬間均存在電感上升相，因此三相電機具有自起動能力。可以看到一個周期內(nèi)共有6個狀態(tài)，每個狀態(tài)為7.5°，周期為45°。將6個狀態(tài)分別依次表示為S1～S6。由圖2可以知道狀態(tài)與電感增大相的關(guān)系如表1所示。

表1 位置狀態(tài)與電感增大相關(guān)系

結(jié)合圖2和表1可以清晰地確定起動控制策略。由于起動時的負載轉(zhuǎn)矩較大，在起動階段采取單相起動方式可能會在某些特殊初始位置出現(xiàn)起動轉(zhuǎn)矩不足等起動問題，且由于電機速度低，旋轉(zhuǎn)電動勢的壓降小，電流上升快，相電流容易過流。因此采取一種一相與兩相導(dǎo)通相結(jié)合的起動方式。

當檢測轉(zhuǎn)子位置處于S1位置時，A相電感在由最小值開始上升區(qū)域內(nèi)，因此若采取傳統(tǒng)的單相導(dǎo)通方式可能會使電機無法起動[6]，C相通電其電感較大又不利于電流的上升同時很快進入電感下降去會產(chǎn)生負的轉(zhuǎn)矩。故同時給A，C兩相通電的起動方式。起動過程的控制策略如下圖所示。

圖3 SRM的起動過程

起動過程如上圖所示，當系統(tǒng)收到起動信號后，首先讀取位置信號判斷當前所處區(qū)間，確定是否雙相同時通電起動，處于雙相起動區(qū)間時，相應(yīng)兩相同時通電，以提高起動轉(zhuǎn)矩，一定延時后根據(jù)邏輯判斷電感較大相并關(guān)斷此相，然后判斷通電相是否到了關(guān)斷角。到關(guān)斷角以后進入換相程序進行換相運行。

與單相起動相比，單雙相的帶載能力明顯加強，且若負載一定時兩相起動方式所需起動電流幅值亦明顯較小。單雙相起動方式更容易實現(xiàn)任意位置無反轉(zhuǎn)起動。同時起動時常采用電流斬波模式[7-8]以限制過流的情況。

3 硬件與軟件的設(shè)計

本文構(gòu)建的系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)框圖

由系統(tǒng)框圖可知系統(tǒng)由電源、輔助電源、功率變換器、IGBT驅(qū)動、主控制器、電流傳感器及開關(guān)磁阻電機等組成。

系統(tǒng)由三相AC380V經(jīng)整流后供電，其中單相經(jīng)KBP210整流后供給JS159為控制板提供5V，15V，24V。主電路由三相不控整流得到母線電壓，主電路拓撲采用三相不對稱半橋，選用IGBT作為開關(guān)器件，驅(qū)動模塊采用concept的驅(qū)動核進行二次設(shè)計并設(shè)計有源鉗位以及RCD吸收電路?？刂瓢搴诵牟捎肨MS320F28335。電流檢測采用霍爾電流傳感器檢測每相電流后經(jīng)低通濾波得到電流信號給控制器用作電流斬波。并使用磁粉制動器作為電機的負載。

軟件部分主要完成的工作為起動階段和運行階段的控制以及速度的跟蹤。其中程序的主循環(huán)主要完成按鍵查詢、速度顯示等工作。定時器0則主要完成當 前邏輯換相、電流檢測與限流控制、速度跟蹤控制等。定時器1只用來定時更新速度顯示。位置檢測由CAP模塊檢測，CAP只更新位置信息，而在定時器0里面完成邏輯換相等。定時器0的程序流程圖如圖5所示。

圖5 定時器0中斷服務(wù)程序流程圖

4 實驗驗證

在上述硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，將上述起動邏輯思想進行編程驗證，并同軸安裝光電編碼器，光電編碼器信號通過f/V電路轉(zhuǎn)換為電壓將速度信息顯示出來以方便觀測。通過在相同負載條件下不斷優(yōu)化關(guān)斷角，可以對比出在15°附近時系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)，相比7.5°時響應(yīng)速度更快，帶載能力更強。

圖6、圖7分別為為SRM在帶載時不同關(guān)斷角情況下的起動過程，可以看到起動過程較為平穩(wěn)但15°關(guān)斷角時響應(yīng)時間更短。且通過實驗證實在帶載情況下，單雙相的起動方式可以實現(xiàn)任意位置的帶載起動。

圖6 關(guān)斷角為7.5°時響應(yīng)曲線圖7 關(guān)斷角為15°時響應(yīng)曲線

5 結(jié) 語

通過數(shù)學(xué)定性分析以及實驗驗證，證實了關(guān)斷角對起動過程影響較大，關(guān)斷角選擇不合適會影響SRM的帶載能力以及起動響應(yīng)時間。實驗得出12/8SRM的關(guān)斷角在15°附近時起動能力最優(yōu)。同時驗證了提出的一種任意位置的無反轉(zhuǎn)起動邏輯，電機的起動以及起動后的運行控制都得到了實現(xiàn)，證實了方案的可行性。

[1] 范逸斐，朱學(xué)忠．開關(guān)磁阻電機恒加速度起動方案研究[J]．機電工程，2014，31(2)：208-212．

[2] 劉旭，潘再平．煤礦輸送機用開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)[J]．煤炭學(xué)報，2009，34(2)：280-283．

[3] 王宏華．開關(guān)磁阻電動機調(diào)速控制技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2014．

[4] 吳紅星．開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)理論與控制技術(shù)[M]．北京：中國電力出版社，2010．

[5] 石磊，王勉華．開關(guān)磁阻電機啟動過程分析[J]．電氣傳動，2010，40(2)：3-6．

[6] 黃向慧，方愿嶺，高鵬．開關(guān)磁阻電機任意初始位置無反轉(zhuǎn)啟動的研究[J]．微電機，2015，48(12)：88-91．

[7]NINGSun,CHOID,JIANLi.Theanglecontrolofswitchreluctancegeneratorformaximumoutputpower[C]//ElectromagneticFieldProblemsandApplications.2012:1-4.

[8] 王旭東，王喜蓮．開關(guān)磁阻電動機電流雙幅值斬波控制[J]．中國電機工程學(xué)報，2000，20(4)：83-86．

StudyonStartingSchemeandTurn-OffAngleImprovementforSwitchReluctanceMotor

GAOYun，JIAXing-chen

(Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China)

For the problem of the starting process of switch reluctance motor general could not starting problem caused by turn-off angle improper and the inappropriate strategy, to research the turn-off angle in starting process and analysis the 12/8 SRM to proposed a starting logic without inversion. In accordance with the position information to judge the initial position and develop electric logic to make sure the motor-start. Using a single-double way to ensure that the torque as large as possible. Finally, the strategy was verified through a experiment. Ascertain the turn-off angle is optimal and confirmed the feasibility of the scheme.

switch reluctance motor； turn-off angle； starting torque； single-double way start

2016-05-11

TM352

：A

：1004-7018(2016)11-0034-03