基于Maxwell&Simplorer的盤式外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

華 敏，莫岳平，徐 迪，劉志偉

（揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州225127）

隨著科技的進(jìn)步，全球的環(huán)境問(wèn)題也愈加嚴(yán)重。石油與煤炭?jī)?chǔ)量大幅降低，同時(shí)化石燃料產(chǎn)生了大量的空氣污染與溫室氣體。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，蘊(yùn)含巨大的能量，取之不盡用之不竭，開發(fā)投入低、技術(shù)要求不高、應(yīng)用方便，在全球能源日益枯竭的情況下越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視[1]。而開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（Switched Reluctance Generator，SRG）作為一種新型特種電機(jī)，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域有著其他電機(jī)無(wú)法取代的優(yōu)點(diǎn)。

（1）SRG構(gòu)造簡(jiǎn)單，與其他常見電機(jī)不同的是本類型發(fā)電機(jī)繞組只存在于定子極，降低了銅損，提高了發(fā)電效率。盤式外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（Disc Outer-rotor Switched Reluctance Generator，DOSRG）可以直接將轉(zhuǎn)子與風(fēng)力機(jī)聯(lián)接，用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，提高了傳動(dòng)效率。（2）SRG勵(lì)磁與發(fā)電共用一套繞組，通過(guò)功率變換器導(dǎo)通與關(guān)短的配合實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁與發(fā)電的分時(shí)控制。控制方便，容錯(cuò)性強(qiáng)。（3）SRG直接通過(guò)功率變換器輸出直流，無(wú)需逆變即可進(jìn)行遠(yuǎn)距離直流輸電減小能量損耗[2]。（4）SRG發(fā)出的電能可以通過(guò)電能變換后直接并網(wǎng)，也可以儲(chǔ)存在蓄電池中。如果蓄電池與SRG構(gòu)成同一個(gè)系統(tǒng)，在風(fēng)能充足時(shí)，SRG發(fā)出的電能給負(fù)載供電，多余的電能由蓄電池儲(chǔ)存，而電機(jī)的勵(lì)磁電源由蓄電池提供。風(fēng)力不足的情況下，若SRG不足以給負(fù)載供電時(shí)，則由蓄電池給負(fù)載供電。這體現(xiàn)出了SRG分時(shí)控制的優(yōu)勢(shì)。（5）SRG按照定、轉(zhuǎn)子位置可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，按照外觀可分為柱體式與盤式。DOSRG軸向尺寸短而徑向尺寸大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用是近些年來(lái)的新發(fā)展方向。

本文對(duì)電機(jī)及功率變換器進(jìn)行Maxwell&Simplorer建模并聯(lián)合仿真，通過(guò)改變轉(zhuǎn)速來(lái)模擬風(fēng)速變化，觀察電機(jī)在變轉(zhuǎn)速下的性能。

1 基于Maxwell的DOSRG電機(jī)建模及靜態(tài)特性分析

本文采用Maxwell有限元分析軟件對(duì)三相16/12極結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模，主要包含電機(jī)及功率變換器，如圖1所示。表1所示為電機(jī)的基本參數(shù)。

將電機(jī)2D模型用AutoCAD按上述要求繪制后導(dǎo)入Maxwell中進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)分析，功率變換器中采用他勵(lì)模式給電機(jī)提供勵(lì)磁。圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）、圖1（d）分別給出了電機(jī)四個(gè)主要位置的磁力線分布圖：轉(zhuǎn)子極前沿與定子極前沿重合位置；定、轉(zhuǎn)子極中心線重合位置；最小電感位置，即轉(zhuǎn)子極間中心線與定子磁極中心線重合位置；轉(zhuǎn)子極前沿與定子極中心線重合位置。

圖1 磁力線分布圖

當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子磁極處于對(duì)齊位置（即最大電感位置）時(shí)磁力線分布較為合理，漏磁很少，隨著定、轉(zhuǎn)子極逐漸分開，漏磁逐漸增多，轉(zhuǎn)子極與定子極間對(duì)齊時(shí)漏磁很多。

2 DOSRG系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模與仿真

利用Maxwell&Simplorer構(gòu)建DOSRG系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，其中電機(jī)本體采用Maxwell所搭建模型。功率變換器中開關(guān)管選用IGBT，續(xù)流二極管采用二極管模塊Diode，負(fù)載選用純電阻，取值19.36Ω[3]。如圖2所示。

圖2 SRG功率變換器模型

SRG的控制是基于對(duì)IGBT的開通關(guān)斷，是對(duì)電機(jī)不同相進(jìn)行觸發(fā)實(shí)現(xiàn)的。將功率變換器各路按照給定的順序不斷開通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)各相正常運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電[4]。一個(gè)轉(zhuǎn)子極距為22.5度，本文3相12/16結(jié)構(gòu)電機(jī)功率變換電路使用單相導(dǎo)通的方式，分別按照A-B-C-A的順序?qū)ā?/p>

為了防止電流過(guò)大導(dǎo)致電機(jī)損壞，這里采用電流斬波控制。斬波上下限分別為30A、29A。如圖3所示。

圖3 SRG換相及斬波電路

3 DOSRG系統(tǒng)仿真與分析

利用Maxwell&Simplorer構(gòu)建的DOSRG系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，對(duì)電機(jī)相電流、負(fù)載電壓以及銅損、鐵損進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4至圖7所示。

圖4 相電流波形圖

圖7 鐵損波形圖

以上仿真結(jié)果表明電機(jī)的發(fā)電功率約在2.6kW左右，而發(fā)電效率在85%。整體發(fā)電功率密度以及效率較高。

為了更準(zhǔn)確地模擬電機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，本文將風(fēng)速輸入設(shè)定為周期性函數(shù)n=250+100sin（0.8πt），仿真周期設(shè)定為5s，采樣兩個(gè)周期。轉(zhuǎn)速-時(shí)間波形以及電機(jī)功率-時(shí)間波形見圖8、圖9。

從圖8、圖9可以看出電機(jī)的輸出功率變化走勢(shì)基本與轉(zhuǎn)速波形吻合。且電機(jī)在150rpm～350rpm之間發(fā)電功率整體較高，可看出本次電機(jī)設(shè)計(jì)較為成功。

圖8 轉(zhuǎn)速-時(shí)間波形圖

圖9 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速輸出功率波形圖

4 結(jié)論

本文運(yùn)用Maxwell&Simplorer聯(lián)合仿真的形式對(duì)已設(shè)計(jì)電機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)角度位置控制和斬波控制對(duì)電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁和限流，仿真結(jié)果顯示電機(jī)性能良好。考慮到風(fēng)速的突變性，對(duì)電機(jī)進(jìn)行變轉(zhuǎn)速聯(lián)合仿真分析，電機(jī)在150rpm～350rpm間發(fā)電狀況較好。

圖5 負(fù)載電壓波形圖

圖6 銅損波形圖