開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行及其數(shù)字仿真研究
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1 引言
開關(guān)磁阻電機(jī)SRM(Switched Reluctance Motor)技術(shù)從80年代以來取得了迅猛的發(fā)展。作為電動(dòng)機(jī)，由其構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)——開關(guān)磁阻電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)(SRD)的運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比普通的交流調(diào)速系統(tǒng)好，具有很大的應(yīng)用潛力。作為發(fā)電機(jī)，因?yàn)镾RM結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、工作可靠的特點(diǎn)也得到越來越多的關(guān)注。美國將SRM用作航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)S/G(Starter/Generator)［1，2］，已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。S/G不僅為發(fā)動(dòng)機(jī)提供啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，也是航空器的主要發(fā)電電源。隨著航空器電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的普及，其電負(fù)載也越來越大。這樣就對發(fā)電機(jī)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(gè)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(dòng)機(jī)的軸上；SRM沒有極易產(chǎn)生故障的轉(zhuǎn)子繞組，大大降低了維護(hù)難度和成本；熱損耗大部分在定子上，易于冷卻；在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能維持一定的功率輸出等。
本文首先從開關(guān)磁阻電機(jī)電動(dòng)、發(fā)電運(yùn)行性質(zhì)對稱的特點(diǎn)出發(fā)，分析了其發(fā)電機(jī)理。給出了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)原理框架，討論了其閉環(huán)控制方式。并應(yīng)用Matlab的Simulink仿真軟件，建立了SRG的整體數(shù)字仿真模型，從而可以為開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
2 SRM的發(fā)電運(yùn)行分析
8/6極4相SRM結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。為簡化計(jì)，圖中只畫出一相繞組及其供電電路。與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似，SRM系雙凸極可變磁阻電動(dòng)機(jī)。其定子、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)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(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成1個(gè)2極磁極，稱為“一相”。由電機(jī)統(tǒng)一理論，SRM的電動(dòng)運(yùn)行和發(fā)電運(yùn)行是對稱的［3］。SRM的轉(zhuǎn)矩由磁路選擇最小磁阻結(jié)構(gòu)的趨勢而產(chǎn)生，由于磁路的非線性，通常SRM的轉(zhuǎn)矩根據(jù)磁共能來計(jì)算，即式中θ為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置，也決定于繞組電流的瞬時(shí)值。忽略磁路飽和與邊緣效應(yīng)，假定電感同電流無關(guān)。這時(shí)，一對定子極下電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化曲線如圖2(a)所示�；诖撕喕�性模型，式(1)可以化簡為式(2)，即矩，若有機(jī)械力矩維持電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，SRM即工作于發(fā)電模式。
圖3為SRM電動(dòng)、發(fā)電運(yùn)行時(shí)相電流與電感變化曲線的位置關(guān)系圖［4］。理論分析可以證明，若繞組電阻為零，SRM電動(dòng)、發(fā)電運(yùn)行時(shí)的相電流波形以定子、轉(zhuǎn)子重合的中軸線完全左右鏡像對應(yīng)。實(shí)際電機(jī)即使有合理的銅損，這種對應(yīng)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(jī)恒功率運(yùn)行，功率變換器工作在方波模式。每個(gè)主開關(guān)在1個(gè)電周期中只開關(guān)1次，并且一相中的2個(gè)開關(guān)同時(shí)開通和關(guān)斷。每相繞組中的電流波形如圖3“發(fā)電狀態(tài)”所示。轉(zhuǎn)子位置在處于θexc區(qū)間時(shí)，電機(jī)從激勵(lì)回路吸收能量，此時(shí)開關(guān)是閉合的；轉(zhuǎn)子處于θgen區(qū)間時(shí)，電機(jī)通過續(xù)流二極管向負(fù)載回路輸送能量，此時(shí)開關(guān)是斷開的。電機(jī)通過續(xù)流二極管輸送的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過開關(guān)閉合時(shí)從激勵(lì)回路吸收的能量，這2者之差就是發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能。
SRG的物理系統(tǒng)一般如圖5所示，由以下幾個(gè)部分組成，分別為：開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、控制器、外加激勵(lì)電源、負(fù)載和傳感器等。
3.2 控制方式
控制器的控制目標(biāo)是高效率地產(chǎn)生輸出電流以維持額定的輸出電壓。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是變化的，負(fù)載也可能發(fā)生變化，控制算法應(yīng)該在速度和負(fù)載的一定變化范圍內(nèi)，維持輸出電壓在可接受的值域。在SRM的發(fā)電運(yùn)行模式，即使2個(gè)功率開關(guān)都斷開，電磁感應(yīng)反電勢也可能使相電流超越額定的上限值。仿真試驗(yàn)表明：只使用角度控制，輸出電流對開通和關(guān)斷角很小的變化也很敏感，這會(huì)導(dǎo)致輸出電壓控制性能很差。固定開、關(guān)角，把SRM和功率變換器看作電流源，采用電流控制調(diào)整輸出電流是一種簡單而有效的方?
�。�?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(gè)功率開關(guān)，相繞組中開始產(chǎn)生電流。當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子凸極從中心完全重合的狀態(tài)逐漸分離時(shí)，電磁感應(yīng)反電勢和激勵(lì)電壓方向相同，相電流增大。若相電流到達(dá)Icom，2個(gè)功率開關(guān)都關(guān)斷，電磁感應(yīng)反電勢和負(fù)載電壓方向相反，發(fā)電機(jī)向負(fù)載提供電功率。如果相電流變小，2個(gè)功率開關(guān)重新閉合，使相電流增加到控制電流Icom。一旦定子和轉(zhuǎn)子極之間不再有重疊，磁阻不再發(fā)生變化，電磁感應(yīng)反電勢為零，相電流也迅速減小到零。
4 仿真試驗(yàn)
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(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的數(shù)字仿真，開發(fā)周期短、手段靈活，構(gòu)建的系統(tǒng)功能強(qiáng)并且開放性好，修改起來也很方便。
仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)為：6/4極三相SRM；轉(zhuǎn)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(yàn)采用圖5所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其Simulink圖(圖7)與物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致對應(yīng)，其中ICU模塊對應(yīng)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(gè)短暫的暫態(tài)過程以后，其穩(wěn)態(tài)輸出值正是控制目標(biāo)：270V直流，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)的相電流沒有斬波，主開關(guān)管在1個(gè)周期里只開關(guān)1次，其波形和圖3所作的分析是一致的。
5 幾個(gè)問題的討論
5.1 功率變換器開關(guān)器件的選用
SRG功率變換器主開關(guān)器件的選擇與電機(jī)的功率等級(jí)、供電電壓、峰值電流、成本等有關(guān)。還與主開關(guān)器件本身的開關(guān)速度、觸發(fā)難易程度、開關(guān)損耗、抗沖擊性、耐用性等有關(guān)。SRG的工作速度一般是很高的，這決定了功率變換器主開關(guān)的工作頻率也很高。IGBT、MCT的開關(guān)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(gè)解決方法是把二極管和MCT串聯(lián)起來做成1個(gè)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(fù)合開關(guān)的可控性。
5.2 SRG的效率
SRG的效率與很多因素有關(guān)，但主要取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載的大小。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，SRM的摩擦和風(fēng)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(guān)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?yàn)榇讼碎L，大致維持1個(gè)恒定的水準(zhǔn)。若負(fù)載恒定，轉(zhuǎn)動(dòng)速度增加，功率變換器開關(guān)部件的工作頻率增大，損耗增加，效率降低；同時(shí)，SRM因?yàn)槟Σ梁惋L(fēng)阻損耗增加，效率也降低。仿真試驗(yàn)可以驗(yàn)證，SRG的效率在負(fù)載恒定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)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(guān)斷角的電流控制方式，對于1個(gè)給定的輸出電壓，輸出功率和平均輸出電流也確定了。這時(shí)如果有擾動(dòng)使輸出電壓有1個(gè)正向增量，因?yàn)殡妷荷仙�，開關(guān)閉合時(shí)相電流繞組中的電流也增大，開關(guān)斷開時(shí)產(chǎn)生的電流也會(huì)隨之增大。發(fā)電電流的增大進(jìn)一步使電壓上升，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。角度控制和電流控制相結(jié)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(jìn)行進(jìn)一步的研究。
6 結(jié)論
開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有諸多傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)所不具有的特點(diǎn)。本文針對這種特殊性著重討論了其發(fā)電運(yùn)行機(jī)理、系統(tǒng)組成和控制方式，并通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了1個(gè)實(shí)際的SRG系統(tǒng)。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的應(yīng)用正處于方興未艾的階段，隨著研究的進(jìn)一步深入，系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，SRG會(huì)得到越來越多的應(yīng)用。
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