开关磁阻发电机控制的特性分析与设计

李丽 袁婷

（广东科技学院机电工程系 广东 东莞 523083）

开关磁阻发电机控制的特性分析与设计

李丽 袁婷

（广东科技学院机电工程系 广东 东莞 523083）

本文主要对开关磁阻调速发电机控制方式的特性进行分析，并采用其非线性数学模型，在求得其非线性磁场数据的前提下，利用数值计算方法求解开关磁阻发电机的动态和稳态特性，分析各种控制方法和控制参数下的电机特性，为开关磁阻发电机的高性能控制提供依据。

开关磁阻调速发电机；调角度控制；励磁

1.开关磁阻发电机基本特性分析

1.1 转速影响

在一定范围内转速提高，电机输出功率加大，这时运动电势随转速提高而加大，有利于机械能量的转换。但转速进一步提高，励磁时间缩短，即在固定情况下，励磁时间与成反比，由此会导致显著下降，使发电功率反而随转速提高而减小。对工作转速范围宽的系统，按不同转速段优选控制参数是开关磁阻发电机合理控制的重要手段。

1.2 稳态性能

表1-1给出了6/4结构3kW开关磁阻发电机并励稳态运行特性试验结果。试验是输出270V的直流电源系统，它采用优选及斩波方案实现电压闭环控制，保持了系统电压基本稳定。从表1-1可以看出，空载时电压纹波很小，随着负载增加，绕组输出电流脉冲增大，因此纹波也加大。

表1-1 6/4结构3KW SRG稳态特性

1.3 动态特性

发电系统用突加和突减负载试验来衡量其动态特性，不同转速、满载突加和突卸试验结果列在表1-2。开关磁阻发电机仅有单一绕组，励磁和发电分时工作，本身时间常数小，并能在每一换相周期改变控制参数甚至改变工作状态，特别是电流闭环响应很快。转速高、励磁电流小，但负载变化时励磁电流相对调整量大些，所以超调量及过渡时间略大。

表1-2 6/4结构6KW SRG动态特性

1.4 过载与缺相运行

过载状态出现相电流不过零的现象是正常的，这是因为开关磁阻发电机具有串励特性，较大 致使续流过程延伸至励磁阶段，这样励磁电流起始值就不为零，从而获得更大 ，使输出电流和功率强增。如表1-3。电机是三相制，相间耦合甚少，断一相不会对系统有多大影响，调节器自动控制可以确保系统电压稳定，并靠其它相过载运行维持系统额定输出。

表1-3 缺一相发电运行实验

2.开关磁阻发电机集成设计

集成设计是融电磁结构参数预估、相磁链空间数值分析和稳、动态性能仿真于一体的交互设计过程。开关磁阻发电机与传统发电机在电磁关系上有突出的本质差别，表现以下三方面：

（1）能量转换需要的大磁阻变化率等效于气隙磁场或相磁链的剧烈变化，导致开关磁阻发电机无稳定磁工作点，而是动态、往复的磁链空间；

（2）集中式相绕组综合了储能（励磁）和变换能量（续流发电）双重功能，且相电流的大小和导通、截止位置均与定转子参数及控制器密切相关；

（3）不同控制策略的发电品质与磁阻电机参数及功率变换器拓扑密切相关。基于磁阻电机、变换器和控制器间的强耦合关系，本文提出开关磁阻发电机集成设计方法。

2.1 电磁参数预估

开关磁阻电机的主要电磁结构参数有定转子内外径、齿高及齿极弧系数和绕组匝数；其中关键参数为电枢内径Da和绕组匝数Nφ。基于磁路不饱和线性模型的结构参数预估方法，存在过程繁杂、经验系数多且范围大等缺点。本文针对开关磁阻发电机的电磁特征，给出Da和Nφ估算公式如下：

式中Pi为计算功率；As为电负荷；Bδ为磁负荷；αsr为定子齿宽相对极弧系数；θcon为导通区间；nmin，ωmin为最低发电转速及角速度；为额定发电电压；a为电枢支路数；βs为定子齿距角。

2.2 磁链空间数值分析

初步确定电枢内径Da和绕组匝数Nφ后，依据槽满率、电流密度以及导磁材料磁密等常规电机设计经验参数，逐一确定齿高、内外径等参数。为求解由相电流ik和转子位置角θL二元变量张成的相磁链空间［ψik，θL］，必须构造能对场源ik和任意转子位置角θL进行自适应处理的有限元数据前处理程序，然后通过对预估相电流最大值imax的N等分和转子齿距周期θZ＝360／Z以M步旋转并进行N×（M＋1）次有限元计算，就可得到开关磁阻发电机的离散相磁链空间［ψik，θL］（N＋1）×（M＋1），式中ik＝K。imax／N，K＝1，N；θL＝L。θZ／M，L＝0，M。

3.系统建模

开关磁阻发电机是磁阻电机、功率变换器及控制器的高度综合体，这是系统建模的关键。在已获得电机磁特征的相磁链空间基础上，结合功率变换器主电路结构，考虑到三相绕组的实时控制策略不完全对称等情况，开关磁阻发电机的非线性数学模型如下：

式中sφ是表征相绕组处于励磁或发电状态的标识符；iφ和rφ分别表示开关磁阻发电机之某相绕组电流和相电阻；ψφ和θφ分别表示相磁链和转子位置角；ΔUT、ΔUD表示主功率电路中开关管和续流管的饱和压降；RL、C表示系统的负载电阻及滤波电容；θon、θoff分别表示开通角和关断角；U表示母线实时电压；iφHi和iφLOW表示与控制策略相关的相控参数。

4.结论

本文阐述了开关磁阻发电机的基本工作原理，分析4开关磁阻发电机具有串励特性，过载能力强；通常要用转子位置检测器，这使结构和工作可靠性受损。开关磁阻发电机是一非线性系统，双凸极结构、非线性磁特性加上开关器件及控制的非线性，使得分析、设计、研究都有许多难处和模糊性，特别是优化的电机及控制系统设计还待深入探索。

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[5]朱学忠.开关磁阻发电机运行的角度位置控制[J].南京航空航天大学学报，2001.

Characteristic analysis and design of switched reluctance generator control

Li Li, Yuan Ting. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong Institute of Technology, Guangdong, Dongguan 523083, China

This paper the characteristics of switched reluctance speed generator control mode are analyzed, and a nonlinear mathematical model, under the premise that the data obtained by the nonlinear magnetic field, using the method of numerical calculation, the solution of the dynamic and steady-state characteristics of switched reluctance generator. Analysis of motor characteristics under various control methods and control parameters. To provide basis for the high performance control of switched reluctance generator.

Switched reluctance speed generator; Adjustable Angle control;Excitation

TP17

A

1009-5624（2016）05-0034-03