開關磁通起動發電機控制電路仿真及試驗分析

曹琦 潘晶 陳盼

摘要：文章主要闡述開關磁通電機的組成結構，分析其運行原理，討論發電機運行時的無功補償策略，提出將能恢復開關串聯補櫝的方式應用到開關磁通電機運行控制系統中，通過數據建模，在仿真系統中，對其運行方式和穩態特性進行研究。

關鍵詞：開關磁通啟動發電機；控制電路；模擬試驗

根據調查數據顯示，我國居民汽車的覆蓋率已經達到76.2%，汽車已經成為居民日常出行的重要代步工具。但汽車數量越來越多的時候，汽車的啟動和行駛都需要石油資源，而我國石油資源本身就比較稀缺，為了解決人們的生活需求，盡快研制電動汽車、混合動力汽車成為當前迫在眉睫的任務。隨著現代科技的不斷提升，越來越多的汽車技術被應用到實踐生產中，例如，太陽能汽車就是世紀新能源汽車的代表。然后電機技術是汽車制動系統中的核心部分，是重要的構件，在汽車結構中發揮著重要的作用。開關磁通是新型的電機技術工藝，能起動發電機控制電路，為后期蓄電。開關磁通具有體積小、效率高等特點，在汽車系統中的應用優勢明顯。下面對工藝的實現和仿真進行簡要的分析。

1 開關磁通電機結構及原理

1.1 開關磁通電機結構及特點

磁通開關電機的結構類似于雙凸永磁電機，均屬于定轉子齒槽結構，其中定轉子是構件的核心，主要是由鐵芯硅鋼片制作而成。定轉子上面不僅裝有電樞繞組，還有勵磁繞組，這種電機結構相對簡單、穩固。在運行過程中，對產生的熱能可以很快地進行散熱，還有很強的魯棒性能，適用于高速領域，按照級數、相數分，開關磁通電機有單相結構及三相結構。本文以單相開關磁通電機為例，對其結構和工作原理進行簡要闡述。

1.2 開關磁通電機工作原理

開關磁通電機定子繞組接通電源時，轉子能讓繞組轉到與定子磁阻最小的位置，從而產生一種磁阻轉矩。設定轉子逆時針旋轉的發電狀態，通過繞組通有單極性電流產生單相的磁通向量，以電樞繞組槽中心線為中心對齊，此時點數繞組產生負電流，讓轉子能順時針旋轉，然后產生一種定子級對齊的趨勢，此時就處于一種發電狀態，此時的轉矩匯轉變為阻力矩。在整個電機系統工作時，勵磁繞組是重要的合成磁通向量，這種向量在定子級之間相互切換，轉子極將磁通工作產生的轉子向量達到最大。電樞繞組中電流的反向將導致定子合成磁，這種能量在相鄰的定子級之間相互切換，并產生振蕩。整個系統接通電源處于發電狀態，電磁繞組處于通電狀態，然后結合機械自身產生的一種原動力，推動轉子旋轉，產生不斷的感應電流，結構簡圖如圖1所示。

2 基于MATLAB的仿真模型

2.1 開關磁通發電機數學模型及參數設定

開關磁通的電機結構簡單，以單邊勵磁方式進行工作。在數字模型建立前，設定好變量和定量，首先假設勵磁電源電壓保持不變，繞組漏磁忽略不計。在運行中，系統中的其他器件和開關不會出現故障問題，也不會出現斷電情況。設定的恒定電轉速下，電機的電流電壓參考標準，可得燃燒安全保護裝置（Flame Safeguard System，FSG）磁鏈方程，即

上述公式中，ψa表示電樞繞組和勵磁繞組的磁鏈；Ua和Uf分別表示電樞繞組和勵磁繞組中的電壓；ia和if是電流；La和Lf是自感； Laf是互感；θr是轉子角度；J是轉動的慣量； w是角速度；Tdev是瞬時轉矩；Tload是負載轉矩。

2.2 MATLAB電機系統建模與試驗

根據上述參數的設定，為了對系統的性能和參數設定方案的可行性進行驗證，必須在元器件投入生產之前，進行建模，然后在仿真模型中進行試驗。研究采用MATLAB軟件進行仿真建模，使用仿真工具SIMULINK，這個工具的功能齊全，是最容易使用的一種。雖然這個工具不能直接進行電路仿真，但是在開關電磁中發電機系統中，這個工具能為系統運行提供串聯補償器，是仿真試驗中的重要環節。根據MATLAB的電氣系統模塊庫功能系統，利用它解決開關磁通系統建模試驗研究問題。根據SIMULINK工具中的PSB模塊，最終對電氣系統和控制系統的混合仿真，并建立模型[1]。

開關磁通發電機本體是核心部分，也是整個系統的初步模型，直接影響著系統中的電感和電流及電樞繞組等功能。仿真中一定要保證該部分的精準度，特別注意非線性電感的處理。根據開關磁通發電機電壓方程式（2），在MATLAB軟件中，使用SIMULINK工具建立微積分、積分、加減乘除等模塊，建立開關磁通發電機的勵磁繞組和電樞繞組模塊（見圖2）。

電機中的非線性電感特性是影響整個仿真模型建立精準度的關鍵，也是仿真模型構建的重要基礎。在建模中，一定要考慮中電流的非線性變化。根據MATLAB軟件中的語言編程，在構建的模型中使用Look-up的功能插值實現，對電感特性進行測試，采用雙凸極的結構，確定電感和轉子的相對位置，在電流通過時，電感位置角度和電流的函數得出之后，實現開關磁通發電機的準確建模[2-3]。通過上述參數設定和模型構建，在仿真模型中，應該考慮電機軸向長度的變化，設定定子和轉子鐵芯無窮大，此時的軸向端部產生效應，從而產生磁場，得到二維靜磁場的最終參數，確定數值。

3 開關磁通啟動發電機控制電路的優勢

開關磁通電機最先開始是應用在交流調速系統中，主要是對汽車的運行系統進行調速苦控制。該技術作為一種新型的電機，它集中開關磁阻電機和直流電機的特點，采用結構雙凸極機構，具有機械強度高、運行速度快、大轉矩及高功率等特點。該技術還是一種電子換向無刷電機，在使用中故障問題少，壽命使用時間久，且轉矩控制的靈活度和精準度極高，能實現速度控制，從而在汽車生產實踐中被廣泛應用，如電器、電動工具和電動車領域方面[4-5]。同時，根據電機運行的可逆性原理，開關磁通電機還可以工作于發電狀態。該技術與傳統的永磁無刷發電機結構原理不同，這種開關磁通可以對勵磁進行獨立控制，這是開關磁通具有的獨特優勢。對開關磁通發電機運行的研究具有重要的現實意義，并逐漸引起了學術界的重視。

4 結語

上述通過剖析開關磁通電機的系統構成，對工作原理進行闡述，掌握了其運行原理之后，借助MATLAB軟件建立了非線性的仿真模型，并確定開關磁通發電機的數學參數，通過有限元計算方法，驗證了設定參數的可行性和正確性。通過仿真模擬試驗，最后在單片機的開關磁通發電機控制系統軟件中了解了硬件設計，最終在仿真試驗的結果參考下，順利設計并制作了電路控制器，并對其進行控制和調試，對開關磁通對電路控制的智能性和可行性進行了驗證，最終取得理想的結果。試驗表明，開關磁通啟動發電機控制電路的設計方案，能滿足汽車制動的需求，還能提高系統運行效率，降低發動機運行的震動和噪音，是一種值得大力推廣的技術和新型的工藝。

[參考文獻]

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[2]鄭萍，梁光照.新型橫向磁通永磁直線發電機單位內功率因數控制[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016.

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[4]袁立，劉汝慧.主變分接開關調檔對發電機無功的影響[J].電世界，2016（11）：55-55.

[5]王雙嶺，陳會鴿.應用恒磁通匹配發電機直流母線電壓控制分析[J].機械設計與制造，2017（4）：236-239.