開關磁阻發電機控制模式研究

段樹華, 李華柏

(湖南鐵道職業技術學院軌道交通系,湖南株洲 412001)

開關磁阻發電機控制模式研究

段樹華, 李華柏

(湖南鐵道職業技術學院軌道交通系,湖南株洲 412001)

提出了開關磁阻發電機低速起動電流斬波控制、高速發電運行角度位置控制的模式,建立了開關磁阻發電機的數值仿真模型,在此基礎上重點對角度位置控制方式進行了理論與仿真研究.結果表明,這種控制模式能使系統在寬廣速度范圍內實現高效發電的目標.

開關磁阻發電機; 電流斬波控制; 角度位置控制; 數值仿真

0 引 言

開關磁阻發電機 (Switched Reluctance Generator,以下簡稱SRG)是典型的機電一體化系統,主要控制目標是保持輸出電壓的穩定性,輸出電壓的穩定主要是相電流對濾波電容充放電平衡的結果.由于相電流在發電區域無法直接控制,所以只能通過控制勵磁電流實現控制相電流的目標,進而控制輸出電壓與功率[2]. SRG的控制模式可分為:角度位置控制 (APC)、電流斬波控制 (CCC)、脈寬調制控制 (PWM)、全導通斬波控制 (FCCC).四種控制方式雖控制變量不同,但最終都是通過調節勵磁電流實現對發電運行的控制.本文根據SRG的特性,提出了低速起動定角度斬波控制、高速發電運行角度位置控制的模式,重點對高速發電運行時角度位置控制模式進行了詳細研究.

1 SRG結構及發電原理

三相SRG的結構如圖1所示 (圖中僅畫出功率變換器的一相,它由控制器、位置傳感器、功率變換器及開關磁阻電機本體構成[1].C為濾波電容,RL為負載,UC為直流勵磁電源.在θ=θon(開通角)時刻主開關開始導通,在θ=θoff(關斷角)時刻主開關關斷.θon～θoff階段為繞組的勵磁階段,SRG從原動機吸收電能,繞組儲存能量;θ＞θoff階段為繞組續流發電階段,電機將機械能轉換為電能向外輸出,SRG一相的發電功率為發電階段輸出功率和勵磁階段吸收功率之差.

發電運行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,穩定的輸出電壓是相電流對濾波電容C充放電平衡的結果.設Ic為θ=θoff時相電流值,它的大小反映了繞組勵磁的強度,即反映了繞組儲存磁場能量的大小,定義為勵磁電流.開關磁阻發電機在續流發電階段時的電流是不可控的,因此只能通過控制勵磁電流Ic來實現對發電過程控制[2].

圖1 SRG的結構

2 SRG的控制模式

SRG起動時運行于較低的轉速,運動電勢i(?L/?θ)ω較小,所以對相電流影響也較小,這時-UC-i(?L/?θ)ω＜0.感應電勢ωL(?L/?θ)在低速時較大,使得相電流上升很快[2].為避免過大的電流脈沖峰值對主開關器件及繞組的沖擊,可以采用電流斬波控制方式,其控制方法是固定θon與θoff,讓相電流i與電流斬波限ichop進行比較,在電流導通區間,即θon＜θ＜θoff期間時,若 i＜ichop,主開關導通,相電流上升并逐漸到達電流斬波限;若 i≥ichop則主開關關斷,電流下降,如此反復,相電流將維持在斬波限附近,并伴有較小的波動.圖2是低速起動時電流控制斬控制方式下相電流的波形.

隨著SRG的轉速越來越高,尤其是高速運行進入發電區后,電樞反電勢阻止了相電流的過快上升率,運動電勢對相電流的影響越來越明顯,這時的相電流主要取決于運動電勢的大小.相電流的峰值達不到電流斬波限,電流斬波控制已起不到調節輸出功率的作用.由于運動電勢大于反電動勢,開關管關斷后,相電流仍然快速上升,繼續有效地對繞組進行勵磁[4].只有在勵磁階段繞組儲存足夠大的能量才能有效發電,因此在發電區的開始處應滿足:-UC-i(?L/?θ)ω＞0.

圖2 電流斬波方式下SRG相電流的波形

發電運行時相電流的波形如圖3所示.

在一定范圍內轉速提高,運動電勢隨轉速的提高而加大,有利于機械能轉換為電能向外輸出,輸出功率增大.但是在固定開關角度的情況下,勵磁時間和轉速成反比,轉速越高,勵磁時間就越短,勵磁時間縮短將會導致勵磁電流顯著下降,使發電功率反隨轉速的提高而減小[3].為了解決這一矛盾,必須配合轉速變化合理調整開關角度,如將開通角提前,將關斷角推后,增大勵磁電流,以抵消勵磁時間縮短而導致的相電流下降,這就是角度位置控制的思想.角度位置控制是在勵磁電壓和占空比確定時,通過調節SRG的主開關器件的導通角度,即開通角和關斷角的值,調節勵磁電流進而控制輸出功率.

圖3 角度控制方式下SRG相電流波形

3 SRG角度控制模式數值仿真

根據SRG的數學模型,利用數值仿真方法,可以建立三相12/8極SRG的數值仿真模型,如圖4.模型中SRG的參數為:定子極數Ns=12;轉子極數Nr=8;相數m=3;勵磁電壓Ue=200 V;

系統仿真模型由以下子模塊構成:角度控制模塊,控制器模塊,PID調節器,起動與發電狀態判斷模塊, SRG本體模塊,負載模塊.所有的子模塊都是根據其數學模型與控制方式,利用MAT LAB語言編寫相應的程序,然后封裝產生一個與S函數或者M函數文件相對應的對話框和模塊圖標,產生自定義子模塊.

圖4 SRG系統仿真模型

角度控制模塊:開關角調整的子函數.根據系統的轉速、運行狀態與輸出電壓的變化,及時調整開通角與關斷角來調節勵磁電流,實現對輸出功率的控制.

控制器模塊:根據轉速來判斷系統處于起動或者發電狀態,并根據運行狀態確定系統的控制模式.輸出主開關通斷信號及電流斬波限值來控制三相繞組的通斷.

PID調節模塊:接受起動/發電狀態子模塊來的邏輯信號及實際輸出電壓與給定電壓的反饋信號,并將PID調節后的信號送到控制器.

起動與發電狀態判斷子模塊:根據轉子的實際轉速來判斷系統處于起動或發電狀態,其輸出信號提供給PID調節器.

開關磁阻發電機本體模塊 (SRG.m):電機及主電路的微分方程是由Matlab/Simulink庫中的S函數模塊來實現.遵循S函數的基本規則,可以將SRG系統描述為一個數學方程,然后根據方程確定算法,編寫S函數后,可以在模塊庫中的S-Function模塊中通過名稱來調用編寫好的S函數,并進行封裝,封裝后的SRG.m可以在SRG系統中做為子模塊直接使用.

使用Matlab語言來編寫S函數稱為M文件S函數,每一個M文件S函數包含一個如下形式的M函數:

SRG為S函數的名稱,t為當前仿真時間,x為S函數模塊的狀態向量,flag用以標示S-函數當前所處的仿真階段,以便執行相應的子函數,sys用以向Simulink返回仿真結果的變量,x0用以向Simulink返回初始狀態值

本文采用數值方法進行仿真.針對SRG系統的時變、非線性、變結構、偏微分狀態方程,應用四階龍格庫塔法進行仿真.

圖5 不同的開關角組合時的相電流波形

圖5是利用圖4的仿真模型,在恒定轉速時三種不同的開關角組合時的相電流仿真波形,這三種不同的開關角配置產生的相電流波形卻幾乎重合.仿真研究表明,有多種開通角與關斷角的組合可以產生大致同樣大小的相電流,與文獻 [5]的研究結論相同.

SRG運行于高速發電區,原動機轉速發生變化,或者負載突變與外界干擾導致轉速發生較大的變化時,轉速的變化會導致相電流與勵磁電流發生明顯的變化,使得原來濾波電容上充放電的平衡狀態被打破,輸出電壓因此會發生較大的波動.從圖5的仿真可以得到啟發,當轉速發生變化時,可以通過調整開關角的大小,使得相電流的有效值能保持在相對恒定的范圍內.

圖6是利用建立的數值仿真模型,得出的不同轉速下相電流的仿真波形,由圖可知,SRG運行于三種不同的轉速,通過PID控制,調節了開關角的大小來調節勵磁電流與相電流,從而使充放電達到新的平衡狀態,保證輸出電壓的穩定.波形還表明:轉速越高,相繞組處于電流導通的區間就越寬,相繞組發電電流有效值也就越大,而較大的相電流正是我們發電所要求的.

圖6 不同轉速時相電流仿真波形

4 角度控制方式的實現與優化

θon與θoff可以單獨作控制變量,也可以同時作為控制變量,但同時作控制變量將使系統變得復雜,降低運行的可靠性.大量研究表明,相電流對關斷角的變化很敏感,θoff較小的角度變化會引起相電流峰值較大的變化,所以可控性較差,且開通角在一定范圍內與輸出功率呈較好的線性關系[5].綜合這兩個因素,本文采用θon作控制變量的角度位置控制模式,先優化固定θoff,根據轉速變化PID調節θon來調節輸出功率,其控制框圖如圖7[2].

圖7 角度控制方式框圖

為了選取關斷角的最優值,以SRG在恒定轉速下,通過對關斷角的仿真進行最優取值.

圖8是在n=24 000 r/min,θon=8°時,改變關斷角的相電流仿真波形.從這5個波形可以看出,當關斷角從25°增大時,相電流的峰值增加,波形變寬.當關斷角在30°＜θoff＜45°變化時,相電流波形幾乎不發生變化.當θoff＞30°時,雖然相電流峰值有所增加,但是在續流發電階段相電流未能下降到零,且出現了較大的脈動,將會導致電機震動與噪聲加大,降低電機的發電功率的輸出.綜上分析,可知發電運行時關斷角的最優取值范圍為30°＜θoff＜45°,在系統設計時,還應該綜合考慮關斷角對輸出電壓的影響,以選取最優值.

圖8 改變關斷角時的相電流波形

圖9 不同的關斷角時輸出電壓建壓過程

圖10 不同的關斷角時輸出電壓的波形

圖9是不同的關通角時SRG輸出電壓的建壓過程.可見關斷角越小,輸出電壓建壓所需的時間就越長,影響系統的動態特性.θoff＞30°后,建壓比較迅速,且進入穩態運行的時間基本不變,但是將波形3與波形4進行比較,結合圖10不同關斷角時輸出電壓的紋波情況,雖然建壓時間基本上保持不變,但是隨著開通角的繼續增大,電壓紋波也在增大.綜合以上因素,θoff=30°是比較理想的取值.

采用同樣的方法,可以對開通角進行仿真優化.通過對不同開通角時相電流的仿真及輸出電壓紋波的分析,可以得出結論,θon=8°是比較理想的取值.

綜上分析,在SRG低速起動運行時,采用8°-30°定角度電流控制方式.在SRG進入高速發電運行后,采用固定θoff=30°,根據負載及轉速變化PID調節開通角的角度控制模式.

5 結 論

發電運行的控制目標是維持額定的輸出電壓.運行過程中發動機轉速與負載都是變化的,控制模式應該使系統在速度和負載的一定變化范圍內,維持輸出電壓的基本穩定.很多文獻往往局限于對單一的控制模式的研究,但是SRG在起動與發電運行的整個過程中,其運行的速度范圍很寬,單一的控制尺略很難達到控制的目標,滿足系統的要求.本文提出的低速電流斬波控制、高速發電運行角度位置控制的模式能使系統在寬廣速度范圍內實現高效發電的目標.兩種控制模式雖然增加了控制的復雜性,但是大大提高了SRG運行的可靠性.如何實現兩種控制模式的轉換、降低模式轉換對系統的沖擊有待進一步研究.

[1]吳建華.開關磁阻電機設計與應用[M].北京:機械工業出版社,2002.

[2]劉闖.開關磁阻電機起動/發電系統理論研究與工程實踐[D].南京航空航天大學博士學位論文,2000,62-66.

[3]錢燕娟.7.5KW開關磁阻起動/發電平臺研發.2006年南京航空航天大學碩士學位論文,2006,15-16.

[4]張慧.開關磁阻發電機系統的研究.浙江大學學位論文, 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

段樹華 (1977-),男,湖南郴州人,湖南鐵道職業技術學院講師,工程師,高級技師,主要研究電氣控制;

李華柏 (1973-),男,湖南邵陽人,湖南鐵道職業技術學院講師,碩士,主要研究新型電機及其控制.