李麗 袁婷

（廣東科技學院機電工程系 廣東 東莞 523083）

開關磁阻發(fā)電機控制的特性分析與設計

李麗 袁婷

（廣東科技學院機電工程系 廣東 東莞 523083）

本文主要對開關磁阻調速發(fā)電機控制方式的特性進行分析，并采用其非線性數(shù)學模型，在求得其非線性磁場數(shù)據(jù)的前提下，利用數(shù)值計算方法求解開關磁阻發(fā)電機的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，分析各種控制方法和控制參數(shù)下的電機特性，為開關磁阻發(fā)電機的高性能控制提供依據(jù)。

開關磁阻調速發(fā)電機；調角度控制；勵磁

1.開關磁阻發(fā)電機基本特性分析

1.1 轉速影響

在一定范圍內轉速提高，電機輸出功率加大，這時運動電勢隨轉速提高而加大，有利于機械能量的轉換。但轉速進一步提高，勵磁時間縮短，即在固定情況下，勵磁時間與成反比，由此會導致顯著下降，使發(fā)電功率反而隨轉速提高而減小。對工作轉速范圍寬的系統(tǒng)，按不同轉速段優(yōu)選控制參數(shù)是開關磁阻發(fā)電機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結構3kW開關磁阻發(fā)電機并勵穩(wěn)態(tài)運行特性試驗結果。試驗是輸出270V的直流電源系統(tǒng)，它采用優(yōu)選及斬波方案實現(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，空載時電壓紋波很小，隨著負載增加，繞組輸出電流脈沖增大，因此紋波也加大。

表1-1 6/4結構3KW SRG穩(wěn)態(tài)特性

1.3 動態(tài)特性

發(fā)電系統(tǒng)用突加和突減負載試驗來衡量其動態(tài)特性，不同轉速、滿載突加和突卸試驗結果列在表1-2。開關磁阻發(fā)電機僅有單一繞組，勵磁和發(fā)電分時工作，本身時間常數(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)響應很快。轉速高、勵磁電流小，但負載變化時勵磁電流相對調整量大些，所以超調量及過渡時間略大。

表1-2 6/4結構6KW SRG動態(tài)特性

1.4 過載與缺相運行

過載狀態(tài)出現(xiàn)相電流不過零的現(xiàn)象是正常的，這是因為開關磁阻發(fā)電機具有串勵特性，較大 致使續(xù)流過程延伸至勵磁階段，這樣勵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增。如表1-3。電機是三相制，相間耦合甚少，斷一相不會對系統(tǒng)有多大影響，調節(jié)器自動控制可以確保系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，并靠其它相過載運行維持系統(tǒng)額定輸出。

表1-3 缺一相發(fā)電運行實驗

2.開關磁阻發(fā)電機集成設計

集成設計是融電磁結構參數(shù)預估、相磁鏈空間數(shù)值分析和穩(wěn)、動態(tài)性能仿真于一體的交互設計過程。開關磁阻發(fā)電機與傳統(tǒng)發(fā)電機在電磁關系上有突出的本質差別，表現(xiàn)以下三方面：

（1）能量轉換需要的大磁阻變化率等效于氣隙磁場或相磁鏈的劇烈變化，導致開關磁阻發(fā)電機無穩(wěn)定磁工作點，而是動態(tài)、往復的磁鏈空間；

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

（3）不同控制策略的發(fā)電品質與磁阻電機參數(shù)及功率變換器拓撲密切相關?；诖抛桦姍C、變換器和控制器間的強耦合關系，本文提出開關磁阻發(fā)電機集成設計方法。

2.1 電磁參數(shù)預估

開關磁阻電機的主要電磁結構參數(shù)有定轉子內外徑、齒高及齒極弧系數(shù)和繞組匝數(shù)；其中關鍵參數(shù)為電樞內徑Da和繞組匝數(shù)Nφ。基于磁路不飽和線性模型的結構參數(shù)預估方法，存在過程繁雜、經驗系數(shù)多且范圍大等缺點。本文針對開關磁阻發(fā)電機的電磁特征，給出Da和Nφ估算公式如下：

式中Pi為計算功率；As為電負荷；Bδ為磁負荷；αsr為定子齒寬相對極弧系數(shù)；θcon為導通區(qū)間；nmin，ωmin為最低發(fā)電轉速及角速度；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

初步確定電樞內徑Da和繞組匝數(shù)Nφ后，依據(jù)槽滿率、電流密度以及導磁材料磁密等常規(guī)電機設計經驗參數(shù)，逐一確定齒高、內外徑等參數(shù)。為求解由相電流ik和轉子位置角θL二元變量張成的相磁鏈空間［ψik，θL］，必須構造能對場源ik和任意轉子位置角θL進行自適應處理的有限元數(shù)據(jù)前處理程序，然后通過對預估相電流最大值imax的N等分和轉子齒距周期θZ＝360／Z以M步旋轉并進行N×（M＋1）次有限元計算，就可得到開關磁阻發(fā)電機的離散相磁鏈空間［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

開關磁阻發(fā)電機是磁阻電機、功率變換器及控制器的高度綜合體，這是系統(tǒng)建模的關鍵。在已獲得電機磁特征的相磁鏈空間基礎上，結合功率變換器主電路結構，考慮到三相繞組的實時控制策略不完全對稱等情況，開關磁阻發(fā)電機的非線性數(shù)學模型如下：

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

4.結論

本文闡述了開關磁阻發(fā)電機的基本工作原理，分析4開關磁阻發(fā)電機具有串勵特性，過載能力強；通常要用轉子位置檢測器，這使結構和工作可靠性受損。開關磁阻發(fā)電機是一非線性系統(tǒng)，雙凸極結構、非線性磁特性加上開關器件及控制的非線性，使得分析、設計、研究都有許多難處和模糊性，特別是優(yōu)化的電機及控制系統(tǒng)設計還待深入探索。

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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