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(fā)展。作為電動機，由其構成的調速系統(tǒng)——開關磁阻電動調速系統(tǒng)(SRD)的運行性能和經濟指標比普通的交流調速系統(tǒng)好，具有很大的應用潛力。作為發(fā)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(fā)動機的啟動電動機/發(fā)電機S/G(Starter/Generator)［1，2］，已經取得了一定的進展。S/G不僅為發(fā)動機提供啟動轉矩，也是航空器的主要發(fā)電電源。隨著航空器電動執(zhí)行機構的普及，其電負載也越來越大。這樣就對發(fā)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(fā)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(fā)電運行性質對稱的特點出發(fā)，分析了其發(fā)電機理。給出了開關磁阻發(fā)電機的系統(tǒng)原理框架，討論了其閉環(huán)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(fā)電機系統(tǒng)的設計提供依據。 2 SRM的發(fā)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(lián)構成1個2極磁極，稱為“一相”。由電機統(tǒng)一理論，SRM的電動運行和發(fā)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(fā)電模式。
圖3為SRM電動、發(fā)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(fā)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(tǒng)組成與控制方式
3.1 系統(tǒng)組成 基本的SRG系統(tǒng)的電氣原理圖如圖4所示［5］。假定發(fā)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(fā)電狀態(tài)”所示。轉子位置在處于θexc區(qū)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(qū)間時，電機通過續(xù)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(xù)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(fā)電機產生的電能。 SRG的物理系統(tǒng)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(fā)動機轉速是變化的，負載也可能發(fā)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(fā)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(tǒng)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(tài)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(fā)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(fā)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(tǒng)仿真工具軟件，利用它來做開關磁阻發(fā)電機的數字仿真，開發(fā)周期短、手段靈活，構建的系統(tǒng)功能強并且開放性好，修改起來也很方便。 仿真系統(tǒng)的主要參數為：6/4極三相SRM；轉速15 000 r/min；正常發(fā)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(tǒng)結構。其Simulink圖(圖7)與物理系統(tǒng)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(jié)所述的電流PI控制方案。 由圖8可以看出，系統(tǒng)的輸出電壓在一個短暫的暫態(tài)過程以后，其穩(wěn)態(tài)輸出值正是控制目標：270V直流，驗證了系統(tǒng)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(fā)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(fā)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(lián)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(tǒng)穩(wěn)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(fā)電電流的增大進一步使電壓上升，導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。角度控制和電流控制相結合有可能對系統(tǒng)的穩(wěn)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(fā)電機具有諸多傳統(tǒng)發(fā)電機系統(tǒng)所不具有的特點。本文針對這種特殊性著重討論了其發(fā)電運行機理、系統(tǒng)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(tǒng)。開關磁阻發(fā)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(tǒng)設計技術的進一步成熟，SRG會得到越來越多的應用。 |
