开关磁阻发电机控制模式研究

段树华, 李华柏

(湖南铁道职业技术学院轨道交通系,湖南株洲 412001)

开关磁阻发电机控制模式研究

段树华, 李华柏

(湖南铁道职业技术学院轨道交通系,湖南株洲 412001)

提出了开关磁阻发电机低速起动电流斩波控制、高速发电运行角度位置控制的模式,建立了开关磁阻发电机的数值仿真模型,在此基础上重点对角度位置控制方式进行了理论与仿真研究.结果表明,这种控制模式能使系统在宽广速度范围内实现高效发电的目标.

开关磁阻发电机; 电流斩波控制; 角度位置控制; 数值仿真

0 引 言

开关磁阻发电机 (Switched Reluctance Generator,以下简称SRG)是典型的机电一体化系统,主要控制目标是保持输出电压的稳定性,输出电压的稳定主要是相电流对滤波电容充放电平衡的结果.由于相电流在发电区域无法直接控制,所以只能通过控制励磁电流实现控制相电流的目标,进而控制输出电压与功率[2]. SRG的控制模式可分为:角度位置控制 (APC)、电流斩波控制 (CCC)、脉宽调制控制 (PWM)、全导通斩波控制 (FCCC).四种控制方式虽控制变量不同,但最终都是通过调节励磁电流实现对发电运行的控制.本文根据SRG的特性,提出了低速起动定角度斩波控制、高速发电运行角度位置控制的模式,重点对高速发电运行时角度位置控制模式进行了详细研究.

1 SRG结构及发电原理

三相SRG的结构如图1所示 (图中仅画出功率变换器的一相,它由控制器、位置传感器、功率变换器及开关磁阻电机本体构成[1].C为滤波电容,RL为负载,UC为直流励磁电源.在θ=θon(开通角)时刻主开关开始导通,在θ=θoff(关断角)时刻主开关关断.θon～θoff阶段为绕组的励磁阶段,SRG从原动机吸收电能,绕组储存能量;θ＞θoff阶段为绕组续流发电阶段,电机将机械能转换为电能向外输出,SRG一相的发电功率为发电阶段输出功率和励磁阶段吸收功率之差.

发电运行的控制目标是高效率地产生输出电流以维持额定的输出电压,稳定的输出电压是相电流对滤波电容C充放电平衡的结果.设Ic为θ=θoff时相电流值,它的大小反映了绕组励磁的强度,即反映了绕组储存磁场能量的大小,定义为励磁电流.开关磁阻发电机在续流发电阶段时的电流是不可控的,因此只能通过控制励磁电流Ic来实现对发电过程控制[2].

图1 SRG的结构

2 SRG的控制模式

SRG起动时运行于较低的转速,运动电势i(∂L/∂θ)ω较小,所以对相电流影响也较小,这时-UC-i(∂L/∂θ)ω＜0.感应电势ωL(∂L/∂θ)在低速时较大,使得相电流上升很快[2].为避免过大的电流脉冲峰值对主开关器件及绕组的冲击,可以采用电流斩波控制方式,其控制方法是固定θon与θoff,让相电流i与电流斩波限ichop进行比较,在电流导通区间,即θon＜θ＜θoff期间时,若 i＜ichop,主开关导通,相电流上升并逐渐到达电流斩波限;若 i≥ichop则主开关关断,电流下降,如此反复,相电流将维持在斩波限附近,并伴有较小的波动.图2是低速起动时电流控制斩控制方式下相电流的波形.

随着SRG的转速越来越高,尤其是高速运行进入发电区后,电枢反电势阻止了相电流的过快上升率,运动电势对相电流的影响越来越明显,这时的相电流主要取决于运动电势的大小.相电流的峰值达不到电流斩波限,电流斩波控制已起不到调节输出功率的作用.由于运动电势大于反电动势,开关管关断后,相电流仍然快速上升,继续有效地对绕组进行励磁[4].只有在励磁阶段绕组储存足够大的能量才能有效发电,因此在发电区的开始处应满足:-UC-i(∂L/∂θ)ω＞0.

图2 电流斩波方式下SRG相电流的波形

发电运行时相电流的波形如图3所示.

在一定范围内转速提高,运动电势随转速的提高而加大,有利于机械能转换为电能向外输出,输出功率增大.但是在固定开关角度的情况下,励磁时间和转速成反比,转速越高,励磁时间就越短,励磁时间缩短将会导致励磁电流显著下降,使发电功率反随转速的提高而减小[3].为了解决这一矛盾,必须配合转速变化合理调整开关角度,如将开通角提前,将关断角推后,增大励磁电流,以抵消励磁时间缩短而导致的相电流下降,这就是角度位置控制的思想.角度位置控制是在励磁电压和占空比确定时,通过调节SRG的主开关器件的导通角度,即开通角和关断角的值,调节励磁电流进而控制输出功率.

图3 角度控制方式下SRG相电流波形

3 SRG角度控制模式数值仿真

根据SRG的数学模型,利用数值仿真方法,可以建立三相12/8极SRG的数值仿真模型,如图4.模型中SRG的参数为:定子极数Ns=12;转子极数Nr=8;相数m=3;励磁电压Ue=200 V;

系统仿真模型由以下子模块构成:角度控制模块,控制器模块,PID调节器,起动与发电状态判断模块, SRG本体模块,负载模块.所有的子模块都是根据其数学模型与控制方式,利用MAT LAB语言编写相应的程序,然后封装产生一个与S函数或者M函数文件相对应的对话框和模块图标,产生自定义子模块.

图4 SRG系统仿真模型

角度控制模块:开关角调整的子函数.根据系统的转速、运行状态与输出电压的变化,及时调整开通角与关断角来调节励磁电流,实现对输出功率的控制.

控制器模块:根据转速来判断系统处于起动或者发电状态,并根据运行状态确定系统的控制模式.输出主开关通断信号及电流斩波限值来控制三相绕组的通断.

PID调节模块:接受起动/发电状态子模块来的逻辑信号及实际输出电压与给定电压的反馈信号,并将PID调节后的信号送到控制器.

起动与发电状态判断子模块:根据转子的实际转速来判断系统处于起动或发电状态,其输出信号提供给PID调节器.

开关磁阻发电机本体模块 (SRG.m):电机及主电路的微分方程是由Matlab/Simulink库中的S函数模块来实现.遵循S函数的基本规则,可以将SRG系统描述为一个数学方程,然后根据方程确定算法,编写S函数后,可以在模块库中的S-Function模块中通过名称来调用编写好的S函数,并进行封装,封装后的SRG.m可以在SRG系统中做为子模块直接使用.

使用Matlab语言来编写S函数称为M文件S函数,每一个M文件S函数包含一个如下形式的M函数:

SRG为S函数的名称,t为当前仿真时间,x为S函数模块的状态向量,flag用以标示S-函数当前所处的仿真阶段,以便执行相应的子函数,sys用以向Simulink返回仿真结果的变量,x0用以向Simulink返回初始状态值

本文采用数值方法进行仿真.针对SRG系统的时变、非线性、变结构、偏微分状态方程,应用四阶龙格库塔法进行仿真.

图5 不同的开关角组合时的相电流波形

图5是利用图4的仿真模型,在恒定转速时三种不同的开关角组合时的相电流仿真波形,这三种不同的开关角配置产生的相电流波形却几乎重合.仿真研究表明,有多种开通角与关断角的组合可以产生大致同样大小的相电流,与文献 [5]的研究结论相同.

SRG运行于高速发电区,原动机转速发生变化,或者负载突变与外界干扰导致转速发生较大的变化时,转速的变化会导致相电流与励磁电流发生明显的变化,使得原来滤波电容上充放电的平衡状态被打破,输出电压因此会发生较大的波动.从图5的仿真可以得到启发,当转速发生变化时,可以通过调整开关角的大小,使得相电流的有效值能保持在相对恒定的范围内.

图6是利用建立的数值仿真模型,得出的不同转速下相电流的仿真波形,由图可知,SRG运行于三种不同的转速,通过PID控制,调节了开关角的大小来调节励磁电流与相电流,从而使充放电达到新的平衡状态,保证输出电压的稳定.波形还表明:转速越高,相绕组处于电流导通的区间就越宽,相绕组发电电流有效值也就越大,而较大的相电流正是我们发电所要求的.

图6 不同转速时相电流仿真波形

4 角度控制方式的实现与优化

θon与θoff可以单独作控制变量,也可以同时作为控制变量,但同时作控制变量将使系统变得复杂,降低运行的可靠性.大量研究表明,相电流对关断角的变化很敏感,θoff较小的角度变化会引起相电流峰值较大的变化,所以可控性较差,且开通角在一定范围内与输出功率呈较好的线性关系[5].综合这两个因素,本文采用θon作控制变量的角度位置控制模式,先优化固定θoff,根据转速变化PID调节θon来调节输出功率,其控制框图如图7[2].

图7 角度控制方式框图

为了选取关断角的最优值,以SRG在恒定转速下,通过对关断角的仿真进行最优取值.

图8是在n=24 000 r/min,θon=8°时,改变关断角的相电流仿真波形.从这5个波形可以看出,当关断角从25°增大时,相电流的峰值增加,波形变宽.当关断角在30°＜θoff＜45°变化时,相电流波形几乎不发生变化.当θoff＞30°时,虽然相电流峰值有所增加,但是在续流发电阶段相电流未能下降到零,且出现了较大的脉动,将会导致电机震动与噪声加大,降低电机的发电功率的输出.综上分析,可知发电运行时关断角的最优取值范围为30°＜θoff＜45°,在系统设计时,还应该综合考虑关断角对输出电压的影响,以选取最优值.

图8 改变关断角时的相电流波形

图9 不同的关断角时输出电压建压过程

图10 不同的关断角时输出电压的波形

图9是不同的关通角时SRG输出电压的建压过程.可见关断角越小,输出电压建压所需的时间就越长,影响系统的动态特性.θoff＞30°后,建压比较迅速,且进入稳态运行的时间基本不变,但是将波形3与波形4进行比较,结合图10不同关断角时输出电压的纹波情况,虽然建压时间基本上保持不变,但是随着开通角的继续增大,电压纹波也在增大.综合以上因素,θoff=30°是比较理想的取值.

采用同样的方法,可以对开通角进行仿真优化.通过对不同开通角时相电流的仿真及输出电压纹波的分析,可以得出结论,θon=8°是比较理想的取值.

综上分析,在SRG低速起动运行时,采用8°-30°定角度电流控制方式.在SRG进入高速发电运行后,采用固定θoff=30°,根据负载及转速变化PID调节开通角的角度控制模式.

5 结 论

发电运行的控制目标是维持额定的输出电压.运行过程中发动机转速与负载都是变化的,控制模式应该使系统在速度和负载的一定变化范围内,维持输出电压的基本稳定.很多文献往往局限于对单一的控制模式的研究,但是SRG在起动与发电运行的整个过程中,其运行的速度范围很宽,单一的控制尺略很难达到控制的目标,满足系统的要求.本文提出的低速电流斩波控制、高速发电运行角度位置控制的模式能使系统在宽广速度范围内实现高效发电的目标.两种控制模式虽然增加了控制的复杂性,但是大大提高了SRG运行的可靠性.如何实现两种控制模式的转换、降低模式转换对系统的冲击有待进一步研究.

[1]吴建华.开关磁阻电机设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2]刘闯.开关磁阻电机起动/发电系统理论研究与工程实践[D].南京航空航天大学博士学位论文,2000,62-66.

[3]钱燕娟.7.5KW开关磁阻起动/发电平台研发.2006年南京航空航天大学硕士学位论文,2006,15-16.

[4]张慧.开关磁阻发电机系统的研究.浙江大学学位论文, 2003,75-80.

[5]Martin Liptak,Valeria Hrabovcova,Equivalent Circuit of Switched Reluctance Generator Based on Series Generator,Journal of Electrical Engineering.VOL 59.NO.12008 23-28.

Abstract:Current chopping control model in low speed and angle position control model in high speed generating running state of switched reluctance generator(short for SRG)is put forward.,and a mathematical simulation model of SRGis built,then angle position control model is deeply studied in detailed on the basis of these model.The results show that the generation systems can achieve the goal of outputting high quality voltage over a wide speed range.

Key words:switched reluctance generator; current chopping control; angle position control; mathematical simulation

Study of Control Model for Switched Reluctance Generator

DUAN Shu-hua, LI Hua-bo
(Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou,Hunan 412001)

TM352

A

1671-9743(2010)05-0051-04

2010-05-13

段树华 (1977-),男,湖南郴州人,湖南铁道职业技术学院讲师,工程师,高级技师,主要研究电气控制;

李华柏 (1973-),男,湖南邵阳人,湖南铁道职业技术学院讲师,硕士,主要研究新型电机及其控制.