開關磁阻電機的發電運行及其數字仿真研究
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1 引言
開關磁阻電機SRM(Switched Reluctance Motor)技術從80年代以來取得了迅猛的發展。作為電動機，由其構成的調速系統——開關磁阻電動調速系統(SRD)的運行性能和經濟指標比普通的交流調速系統好，具有很大的應用潛力。作為發電機，因為SRM結構簡單、堅固、工作可靠的特點也得到越來越多的關注。美國將SRM用作航空渦輪發動機的啟動電動機/發電機S/G(Starter/Generator)［1，2］，已經取得了一定的進展。S/G不僅為發動機提供啟動轉矩，也是航空器的主要發電電源。隨著航空器電動執行機構的普及，其電負載也越來越大。這樣就對發電機組的容量、體積、重量、可靠性等方面提出了越來越高的要求。SRM有幾個特性決定了采用它作為航空器的S/G具有競爭力：SRM不采用永磁材料，可直接安裝在發動機的軸上；SRM沒有極易產生故障的轉子繞組，大大降低了維護難度和成本；熱損耗大部分在定子上，易于冷卻；在寬廣的轉速范圍內能維持一定的功率輸出等。
本文首先從開關磁阻電機電動、發電運行性質對稱的特點出發，分析了其發電機理。給出了開關磁阻發電機的系統原理框架，討論了其閉環控制方式。并應用Matlab的Simulink仿真軟件，建立了SRG的整體數字仿真模型，從而可以為開關磁阻發電機系統的設計提供依據。
2 SRM的發電運行分析
8/6極4相SRM結構原理如圖1所示。為簡化計，圖中只畫出一相繞組及其供電電路。與反應式步進電動機相似，SRM系雙凸極可變磁阻電動機。其定子、轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對的2個繞組串聯構成1個2極磁極，稱為“一相”。由電機統一理論，SRM的電動運行和發電運行是對稱的［3］。SRM的轉矩由磁路選擇最小磁阻結構的趨勢而產生，由于磁路的非線性，通常SRM的轉矩根據磁共能來計算，即式中θ為轉子位置角；i為繞組電流。
顯然，磁共能W′(θ，i)的改變既取決于轉子位置，也決定于繞組電流的瞬時值。忽略磁路飽和與邊緣效應，假定電感同電流無關。這時，一對定子極下電感隨轉子位置角的變化曲線如圖2(a)所示。基于此簡化線性模型，式(1)可以化簡為式(2)，即矩，若有機械力矩維持電機轉動，SRM即工作于發電模式。
圖3為SRM電動、發電運行時相電流與電感變化曲線的位置關系圖［4］。理論分析可以證明，若繞組電阻為零，SRM電動、發電運行時的相電流波形以定子、轉子重合的中軸線完全左右鏡像對應。實際電機即使有合理的銅損，這種對應也大致上成立。
3 SRG的系統組成與控制方式
3.1 系統組成
基本的SRG系統的電氣原理圖如圖4所示［5］。假定發電機恒功率運行，功率變換器工作在方波模式。每個主開關在1個電周期中只開關1次，并且一相中的2個開關同時開通和關斷。每相繞組中的電流波形如圖3“發電狀態”所示。轉子位置在處于θexc區間時，電機從激勵回路吸收能量，此時開關是閉合的；轉子處于θgen區間時，電機通過續流二極管向負載回路輸送能量，此時開關是斷開的。電機通過續流二極管輸送的能量遠遠超過開關閉合時從激勵回路吸收的能量，這2者之差就是發電機產生的電能。
SRG的物理系統一般如圖5所示，由以下幾個部分組成，分別為：開關磁阻電機、功率變換器、控制器、外加激勵電源、負載和傳感器等。
3.2 控制方式
控制器的控制目標是高效率地產生輸出電流以維持額定的輸出電壓。發動機轉速是變化的，負載也可能發生變化，控制算法應該在速度和負載的一定變化范圍內，維持輸出電壓在可接受的值域。在SRM的發電運行模式，即使2個功率開關都斷開，電磁感應反電勢也可能使相電流超越額定的上限值。仿真試驗表明：只使用角度控制，輸出電流對開通和關斷角很小的變化也很敏感，這會導致輸出電壓控制性能很差。固定開、關角，把SRM和功率變換器看作電流源，采用電流控制調整輸出電流是一種簡單而有效的方?
āＭ?是這種控制方案的系統簡化圖，控制電流Icom是輸出電壓誤差的比例加積分(PI)。閉合2個功率開關，相繞組中開始產生電流。當定子和轉子凸極從中心完全重合的狀態逐漸分離時，電磁感應反電勢和激勵電壓方向相同，相電流增大。若相電流到達Icom，2個功率開關都關斷，電磁感應反電勢和負載電壓方向相反，發電機向負載提供電功率。如果相電流變小，2個功率開關重新閉合，使相電流增加到控制電流Icom。一旦定子和轉子極之間不再有重疊，磁阻不再發生變化，電磁感應反電勢為零，相電流也迅速減小到零。
4 仿真試驗
Simulink是Mathworks公司基于框圖的系統仿真工具軟件，利用它來做開關磁阻發電機的數字仿真，開發周期短、手段靈活，構建的系統功能強并且開放性好，修改起來也很方便。
仿真系統的主要參數為：6/4極三相SRM；轉速15 000 r/min；正常發電功率為60 kW；輸出電壓為270 V。仿真試驗采用圖5所示的系統結構。其Simulink圖(圖7)與物理系統結構大致對應，其中ICU模塊對應功率變換器，控制器采用第3節所述的電流PI控制方案。
由圖8可以看出，系統的輸出電壓在一個短暫的暫態過程以后，其穩態輸出值正是控制目標：270V直流，驗證了系統設計和控制方案的選取是有效的。圖9(a)、(b)分別為SRM一相的電壓和電流波形。從電流波形可以看出：開關磁阻電機發電運行時的相電流沒有斬波，主開關管在1個周期里只開關1次，其波形和圖3所作的分析是一致的。
5 幾個問題的討論
5.1 功率變換器開關器件的選用
SRG功率變換器主開關器件的選擇與電機的功率等級、供電電壓、峰值電流、成本等有關。還與主開關器件本身的開關速度、觸發難易程度、開關損耗、抗沖擊性、耐用性等有關。SRG的工作速度一般是很高的，這決定了功率變換器主開關的工作頻率也很高。IGBT、MCT的開關頻率很高，可是他們承受反向電壓的能力很差，晶閘管的情況則剛好相反。一個解決方法是把二極管和MCT串聯起來做成1個類似晶閘管的裝置，讓二極管承受反向電壓，MCT則提供這種復合開關的可控性。
5.2 SRG的效率
SRG的效率與很多因素有關，但主要取決于電機轉速與負載的大小。當電機轉速不變時，SRM的摩擦和風阻損耗不變，功率越大越有利于效率的提高；功率變大，電流也變大，功率變換器開關和阻抗損耗增加，SRM的鐵損也增加，效率隨之降低。但SRG的整體效率因為此消彼長，大致維持1個恒定的水準。若負載恒定，轉動速度增加，功率變換器開關部件的工作頻率增大，損耗增加，效率降低；同時，SRM因為摩擦和風阻損耗增加，效率也降低。仿真試驗可以驗證，SRG的效率在負載恒定時，隨著轉速的增加而減小。
5.3 系統穩定性
如果采用固定開通、關斷角的電流控制方式，對于1個給定的輸出電壓，輸出功率和平均輸出電流也確定了。這時如果有擾動使輸出電壓有1個正向增量，因為電壓上升，開關閉合時相電流繞組中的電流也增大，開關斷開時產生的電流也會隨之增大。發電電流的增大進一步使電壓上升，導致系統的不穩定。角度控制和電流控制相結合有可能對系統的穩定性有改善，這種控制方案正在進行進一步的研究。
6 結論
開關磁阻發電機具有諸多傳統發電機系統所不具有的特點。本文針對這種特殊性著重討論了其發電運行機理、系統組成和控制方式，并通過仿真試驗驗證了1個實際的SRG系統。開關磁阻發電機的應用正處于方興未艾的階段，隨著研究的進一步深入，系統設計技術的進一步成熟，SRG會得到越來越多的應用。
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