羅 磊,胡 旭
應(yīng)用研究
永磁式開關(guān)磁阻電機在電力推進中的應(yīng)用研究
羅 磊1,胡 旭2
(1. 海裝駐武漢地區(qū)第六軍事代表室,武漢 430064;2. 武漢船用電力推進裝置研究所,武漢 430064)
新型永磁式開關(guān)磁阻電機在保留傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機優(yōu)點的同時克服換流相對較慢、能量利用率較低等缺點,本文在此基礎(chǔ)上針對永磁式開關(guān)磁阻電機的特點提出了一種基于PMSRM的船舶電力推進系統(tǒng),該系統(tǒng)采用模糊PI的控制方法。通過Simulink仿真建模,驗證了該系統(tǒng)具有跟蹤速度快、控制精度高的性能。
永磁式開關(guān)磁阻電機 船舶電力推進 模糊PI控制方法
近年來,隨著大功率電動機變頻調(diào)速技術(shù)的不斷進步,全電力推進船舶憑借其靈活的空間布局、安靜高效的機動性能、更低的燃油消耗率,成為現(xiàn)代船舶推進技術(shù)的重要發(fā)展方向。目前應(yīng)用于船舶電力推進的電機主要有直流電機、感應(yīng)電機、永磁同步電機。開關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor,簡稱SRM)是一種基于定轉(zhuǎn)子具有可變磁導(dǎo)原理回路設(shè)計的電動機,采用雙凸極結(jié)構(gòu),僅定子上有集中繞組。傳統(tǒng)SRM的轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體,與其它電機相比具有以下特點:1)結(jié)構(gòu)簡單堅固,能適用于惡劣環(huán)境;2)損耗主要產(chǎn)生在定子,電機易于冷卻;3)效率高,起動轉(zhuǎn)矩大,調(diào)速范圍寬,低速性能好?,F(xiàn)如今,開關(guān)磁阻電機的應(yīng)用和發(fā)展取得了明顯的進步,已成功地應(yīng)用于電動汽車、紡織機械和家用電器等各個領(lǐng)域,功率范圍從10 W到5 MW,最大速度高達100,000 r/min。
由于開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)特點,傳統(tǒng)的SRM在船舶電力推進系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用存在以下問題:
1)SRM采用雙凸極結(jié)構(gòu),其轉(zhuǎn)矩輸出與電流方向無關(guān),僅與相繞組的電感變化率有關(guān),轉(zhuǎn)矩僅在電感增加區(qū)域產(chǎn)生,一個工作周期中繞組最多只能導(dǎo)通半個周期,導(dǎo)致電機繞組利用率較低,限制了SRM的出力能力。
2)大功率電機的最大電感通常設(shè)計較大,而繞組換流一般發(fā)生在最大電感區(qū)附近。功率開關(guān)管長期在大電感下關(guān)斷容易導(dǎo)致其故障率上升,隨著電機功率提高該問題尤為突出。
3)SRM工作在脈沖供電方式中,瞬時轉(zhuǎn)矩脈動大,轉(zhuǎn)速很低時,步進狀態(tài)明顯,而且由于其本身的非線性,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩控制困難。
4)SRM實質(zhì)上屬于單勵電機,由于繞組的電流中有一部分激磁分量,勵磁損耗不僅影響能量利用率,還會額外增加電機及功率變換器的容量。
隨著稀土永磁材料的研究和發(fā)展,引入永久磁鋼的新型開關(guān)磁阻電機不斷涌現(xiàn),這類電機在保留傳統(tǒng)SRM優(yōu)點的同時克服換流相對較慢、能量利用率較低等缺點,增加了電機的轉(zhuǎn)矩密度。在此基礎(chǔ)上,本文提出了一種基于永磁式開關(guān)磁阻電機(PMSRM)的電力推進系統(tǒng),下面將詳細論述其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方法。
基于PMSRM的電力推進系統(tǒng)主要由永磁式開關(guān)磁阻電機、功率變換器、控制器、電流傳感器和位置傳感器構(gòu)成。
圖1 PMSRM電力推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
該系統(tǒng)為雙閉環(huán)調(diào)速,采用電流斬波控制方法,轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)使PMSRM的轉(zhuǎn)速能夠精準(zhǔn)快速地跟隨速度給定,電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)主要在電機啟動和低速運行時抑制電流峰值不超過允許范圍,同時確保電機產(chǎn)生平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩。
由于PMSRM具有良好的動態(tài)性能,因此速度控制器采用PI控制。數(shù)學(xué)表達式如下:
PI控制作為工程中最常用的一種控制方式,能夠有效的實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的快速響應(yīng),但比例積分系數(shù)的整定是實現(xiàn)PI速度控制器精確穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。為了更好地控制PMSRM,可采用分層控制,在不同的速度區(qū)設(shè)置不同的PI參數(shù)。
表1 模糊語言表
表2 隸屬度表格
本文通過Simulink建模對該系統(tǒng)的可行性進行驗證,分別建立了永磁式開關(guān)磁阻電機的模型以及模糊PI控制方法模型,模型如下:
圖2 模糊PI控制模型
圖3 永磁式開關(guān)磁阻電機單相繞組模型
仿真結(jié)果如圖4所示。
圖4 PMSRM單相電流波形
圖5 PMSRM轉(zhuǎn)速波形
通過仿真波形可以看出,相電流波形比較理想,轉(zhuǎn)速上升過程比較平滑。電機各相電流相互疊加,從而降低轉(zhuǎn)矩脈動。試驗結(jié)果證明了該電力推進系統(tǒng)的有效性。
永磁式開關(guān)磁阻電機保留了傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機的雙凸極結(jié)構(gòu)和集中繞組的形式,在具備傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機優(yōu)勢的同時還具有永磁電機高轉(zhuǎn)矩密度和高運行效率的優(yōu)點。但開關(guān)磁阻電機固有的轉(zhuǎn)矩脈動大、振動噪聲等問題依然存在,這是限制其推廣的主要瓶頸。隨著對減噪減振、轉(zhuǎn)矩脈動抑制和無位置傳感器等方向的進一步研究,基于新型永磁式開關(guān)磁阻電機的電力推進系統(tǒng)將在航海領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
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Application study of permanent magnet switched reluctance motor in electric propulsion
Luo Lei1, Hu Xu2
(1. Naval Representative Office in Wuhan, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)
TM352
A
1003-4862(2022)01-0056-03
2021-06-28
羅磊(1987-),男,工程師,主要從事武器裝備質(zhì)量監(jiān)督工作,專業(yè)方向電氣工程與自動化。Email:451024834@qq.com