雙通道開關(guān)磁阻起動/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)建模與仿真

丁文， 梁得亮

(西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049)

雙通道開關(guān)磁阻起動/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)建模與仿真

丁文， 梁得亮

(西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049)

針對雙通道開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行時兩個通道存在強(qiáng)烈電磁耦合的特點(diǎn)，提出一種雙通道開關(guān)磁阻電機(jī)的建模方法。基于有限元模型，對雙通道開關(guān)磁阻電機(jī)的磁場進(jìn)行有限元分析，建立考慮互感耦合影響的雙通道開關(guān)磁阻電機(jī)的非線性數(shù)學(xué)模型，對電機(jī)在不同工作模式下的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性進(jìn)行對比仿真分析。搭建以功率變換器和DSP為核心的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，分別在單通道和雙通道工作模式下進(jìn)行電動和發(fā)電運(yùn)行實(shí)驗(yàn)以及閉環(huán)建壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)雙通道開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的兩個通道的同步穩(wěn)定運(yùn)行和控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了建模方法和理論分析的正確性。

雙通道開關(guān)磁阻電機(jī);互感耦合;雙通道起動/發(fā)電系統(tǒng);數(shù)學(xué)模型

0 引言

隨著新一代多電飛機(jī)和全電飛機(jī)概念的提出，電能將普遍或完全取代飛機(jī)上的液壓、氣壓等二次能源，因此，飛機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)將成為飛機(jī)最重要的生命保障系統(tǒng)，這對飛機(jī)電源系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，而余度技術(shù)是提高航空電源系統(tǒng)可靠性的重要手段。目前，電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)余度供電的通常做法是一套電源作為一路通道，多余度意味著多套電源系統(tǒng)并聯(lián)供電或者分別供電，因此，余度電源系統(tǒng)需要配置多臺發(fā)電機(jī)或者在一臺電機(jī)上配置多套繞組［1－4］，這樣將導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性降低。開關(guān)磁阻(switched reluctance，SR)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)子上無繞組、易于調(diào)速、維護(hù)方便，非常適合于在高溫和惡劣的工作環(huán)境中運(yùn)行［5－6］，尤其在飛機(jī)和汽車的起動/發(fā)電系統(tǒng)等方面有獨(dú)特的應(yīng)用價值，同時由于其定子采用集中繞組，通過對繞組二次接線方式進(jìn)行合理的設(shè)計，SR電機(jī)很容易構(gòu)成多余度的系統(tǒng)并將其用于航空余度起動/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中。

雙通道SR起動/發(fā)電機(jī)是20世紀(jì)90年代末國外研究學(xué)者為了提高航空電源系統(tǒng)的安全性與可靠性而發(fā)展起來的一種國際先進(jìn)技術(shù)。所謂的雙通道SR電機(jī)是由兩套獨(dú)立的功率電路驅(qū)動構(gòu)成的雙通道控制系統(tǒng)，由于SR電機(jī)本身的磁路不僅存在著復(fù)雜的非線性，而且兩個通道之間還存在著強(qiáng)烈的互感耦合和彼此的干擾，這樣使得雙通道SR起動/發(fā)電系統(tǒng)成為一個多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，他的性能分析和系統(tǒng)設(shè)計相比普通的單通道SR電機(jī)來說更加復(fù)雜。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，目前針對雙通道SR起動/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的研究，只有美國航空航天管理局的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者初步掌握了雙通道SR起動/發(fā)電機(jī)的技術(shù)［7］。進(jìn)入21世紀(jì)后，美國已把多余度SR起動/發(fā)電系統(tǒng)作為未來多電飛機(jī)和全電飛機(jī)電源的首選方案，Lockheed Martin公司研制的聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)F－35將成為歐美下一代的主戰(zhàn)機(jī)型，其電源系統(tǒng)將選用Sundstrand公司研制的雙通道雙余度270 V、250 kW磁懸浮SR起動/發(fā)電系統(tǒng)，并計劃于2015年上天。由于雙通道SR起動/發(fā)電機(jī)技術(shù)涉及到國防和軍事工業(yè)，尤其是軍用飛機(jī)、航空電源技術(shù)，因此，國外一直對技術(shù)資料和實(shí)施細(xì)節(jié)進(jìn)行保密，而國內(nèi)的研究工作才剛剛起步［8－10］。

本文以一臺12/8結(jié)構(gòu)的雙通道SR電機(jī)系統(tǒng)為研究對象，對電機(jī)進(jìn)行有限元分析;建立考慮互感耦合影響的雙通道SR電機(jī)系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，在Matlab環(huán)境中對電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性進(jìn)行仿真研究;搭建了以功率變換器和DSP為核心的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，分別在單通道和雙通道工作模式下進(jìn)行電動和發(fā)電運(yùn)行實(shí)驗(yàn)以及閉環(huán)建壓實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證本文提出的雙通道SR電機(jī)系統(tǒng)的建模方法和理論分析的正確性。

1 雙通道SR電機(jī)及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的12/8極雙通道SR電機(jī)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。對于普通的12/8極SR電機(jī)來說一般為單通道、單三相，其中互相垂直的4個齒極繞組A11、A12、A21、A22串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成A相，其他兩相結(jié)構(gòu)相似。而雙通道SR電機(jī)是在普通的12/8極SR電機(jī)基礎(chǔ)上，將電機(jī)互相垂直的4個齒極繞組兩兩串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成兩個互相并聯(lián)、獨(dú)立輸出的通道，即通道1和通道2，每個通道互相串聯(lián)的一對極繞組極性相反。以A相為例，圖1中，A11和A12串聯(lián)構(gòu)成通道1的A1相，A21和A22串聯(lián)構(gòu)成通道2的A2相。其他幾相的結(jié)構(gòu)與A相相同，B11和B12串聯(lián)構(gòu)成B相通道1，B21和B22串聯(lián)構(gòu)成B相通道2，C11和C12串聯(lián)構(gòu)成C相通道1，C21和C22串聯(lián)構(gòu)成C相通道2。

圖1 12/8極雙通道SR電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 12/8 dual-channel SRM

雙通道SR電機(jī)將一個12/8結(jié)構(gòu)SR電機(jī)內(nèi)的繞組分成兩部分，分別組成一個通道并配以各自獨(dú)立的控制器和功率變換器，兩個通道相互獨(dú)立工作又互為備份，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D2所示。他可以看作由兩個三相6/4結(jié)構(gòu)的SR電機(jī)、兩個相互獨(dú)立的功率變換器和兩個相互獨(dú)立的控制器組成，當(dāng)其中一個通道發(fā)生故障時能夠構(gòu)成單通道控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)的容錯工作模式。由電力電子裝置、電機(jī)和傳動裝置構(gòu)成的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，電力電子裝置的故障率較高，是可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，圖2所示的雙通道系統(tǒng)在可靠性薄弱的環(huán)節(jié)采用了余度結(jié)構(gòu)，因此增加了系統(tǒng)的容錯性，對器件容量也適當(dāng)減小了。

圖2 雙通道SR起動/發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)銯ig.2 Structure of dual-channel SR starter/generator system

2 雙通道SR電機(jī)數(shù)學(xué)模型及靜態(tài)電磁特性

2.1 電機(jī)磁場分布

本節(jié)首先利用Ansoft/Maxwell 2D軟件對雙通道SR電機(jī)進(jìn)行磁場的仿真計算，電機(jī)按照所用的原理樣機(jī)實(shí)際尺寸進(jìn)行建模。圖3為SR電機(jī)單通道激勵條件下A1相繞組電流IA1=2A時，不同轉(zhuǎn)子位置下的磁場分布圖。圖4為SR電機(jī)雙通道激勵條件下A1相和A2相繞組電流IA1=IA2=2A時，不同轉(zhuǎn)子位置下的磁場分布圖。

通過比較圖3和圖4中所示的磁場分布可以看出:1)雙通道SR電機(jī)與普通的6/4或8/6極SR電機(jī)磁場分布情況不一樣，一般的SR電機(jī)磁場都是長磁路，磁極為一對極型，而雙通道SR電機(jī)無論是在單通道勵磁還是雙通道勵磁情況下的磁場均為短磁路，磁極為兩對極型;2)雙通道SR電機(jī)一個通道工作與兩個通道同時工作時的磁通路徑也不完全相同，單通道工作時，導(dǎo)通相對相鄰相會產(chǎn)生互感，而雙通道導(dǎo)通時，磁通路徑主要經(jīng)過激勵相，對相鄰相的互感幾乎為零，由于兩個通道的磁通共用一部分磁路而產(chǎn)生匝鏈，磁路在定轉(zhuǎn)子軛中的部分由兩段軛部并聯(lián)而成，使得軛部磁密不至于過飽和，這樣就能減小電機(jī)軛部的厚度，從而有利于減輕電機(jī)的重量。

2.2 雙通道運(yùn)行數(shù)學(xué)模型

從圖4中可以看出，SR電機(jī)雙通道運(yùn)行時，除了兩個通道的導(dǎo)通相以外，對其他相的互感幾乎為零，因此，在雙通道運(yùn)行模式下，可只考慮兩個通道同一相之間的互感，即當(dāng)A1相和A2相同時導(dǎo)通時，其數(shù)學(xué)模型［11－15］為

式中:uA1、uA2為繞組兩端電壓;iA1、iA2為繞組相電流;r為相電阻，λA1、λA2為繞組的總磁鏈;λA1A1、λA2A2為繞組的自感磁鏈;λA2A1、λA1A2為繞組間的互感磁鏈;LA1A1、LA2A2為繞組的自電感;MA2A1、MA1A2為繞組間的互電感;θ為轉(zhuǎn)子位置角。

雙通道SR電機(jī)兩個通道同時運(yùn)行時，在考慮互感耦合的情況下，各相繞組的數(shù)學(xué)模型可以統(tǒng)一寫為

由于雙通道SR電機(jī)具有周期性結(jié)構(gòu)對稱的特點(diǎn)，A1相繞組和A2相繞組在電角度上沒有差別，并且各相繞組電感以45°機(jī)械角為周期，則有

式中，c為常數(shù)。B1、B2、C1、C2相的電感特性與式(6)類似。

A1相和A2相同時導(dǎo)通，在某一位置角θ0時的電磁轉(zhuǎn)矩為

2.3 雙通道SR電機(jī)電感與轉(zhuǎn)矩特性

對于磁鏈特性，通常通過有限元和實(shí)測法獲得，本文采用間接測量方法對雙通道SR電機(jī)的自感與互感磁鏈特性進(jìn)行測量，試驗(yàn)原理如圖5所示。

圖5 雙通道SR電機(jī)電感測量原理圖Fig.5 Measurement setup for flux linkage of DCSRM

利用電壓平衡方程(1)的變換形式積分獲得磁鏈，其中A1相自感磁鏈方程為

式中，λ(0)為時間t=0時的磁鏈初始值。

由于其他相繞組處于開路狀態(tài)，因此其他相的互感磁鏈為

式中:λx為其他相互感磁鏈;ux為其他相互感電壓。

根據(jù)磁鏈與電感關(guān)系可得

式中:LA1A1為A1相的自感;MA1x為A1相對其他相的互感。

對電機(jī)轉(zhuǎn)子每隔1.5°分別進(jìn)行測量，根據(jù)式(9)～式(12)利用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求得繞組A1相的自感以及A1相對其他相的互感特性。圖6為A1相自感曲線，圖7為與A1相對A2相的互感曲線。

通過圖6的自感特性與圖7的互感特性比較可知，當(dāng)SR電機(jī)雙通道運(yùn)行時，對于兩個通道的同一相(A1、A2相)之間，互感與自感的變化規(guī)律是不一樣的，互感變化速度高于自感變化速度。在0°＜θ＜7.5°和37.5°＜θ＜45°的區(qū)域，兩相之間的互感幾乎為零，在7.5°＜θ＜22.5°的區(qū)域，互感迅速增大，然后在22.5°＜θ＜37.5°的區(qū)域，互感又迅速減小，在定、轉(zhuǎn)子極對齊位置(θ=22.5°)互感達(dá)到最大，自感與互感曲線在整個相周期內(nèi)呈對稱性分布，最大互感與最大自感之比約為48%，在計算電機(jī)性能時不能忽略互感的影響。

根據(jù)SR電機(jī)的電感特性，當(dāng)SR電機(jī)單通道勵磁時，其一相靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性可直接利用虛位移原理計算獲得。當(dāng)SR電機(jī)雙通道A1相和A2相同時勵磁時，由于電流iA1=iA2=c，其電磁轉(zhuǎn)矩特性可由式(6)～式(8)簡化為下式計算獲得，即

式中，每一部分轉(zhuǎn)矩可利用虛位移原理計算獲得。

圖8為SR電機(jī)單通道激勵與雙通道同時激勵時的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性比較。從圖8中可以看出，當(dāng)SR電機(jī)雙通道同時激勵時，由于兩個通道之間的互感耦合，其電磁轉(zhuǎn)矩大大增加，在相同電流激勵條件下，A1相和A2相同時導(dǎo)通時的電磁轉(zhuǎn)矩并不是簡單的A1相和A2相單獨(dú)導(dǎo)通時的電磁轉(zhuǎn)矩之和，兩種情況下的波形有很大的差別，兩通道同時導(dǎo)通時的最大電磁轉(zhuǎn)矩能達(dá)到A1相單獨(dú)導(dǎo)通時的2.6倍左右。

圖8 單通道激勵與雙通道同時激勵時的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性比較Fig.8 Comparison of static torque characterisitics under single channel excitation and dual channel excitation modes

3 雙通道SR電機(jī)系統(tǒng)模型與仿真分析

通過2.2節(jié)、2.3節(jié)分析，根據(jù)式(1)～式(11)可以建立雙通道SR電機(jī)的模型，圖9為A1相和A2相繞組的模型示意圖，其他相模型與圖9相似。其中，每相繞組的磁鏈由式(1)、式(2)通過積分實(shí)現(xiàn)，然后減去另一通道同相之間的互感磁鏈λx'x(ix'，θ)，再根據(jù)磁鏈和電感的關(guān)系求出相電流ix。

圖9 雙通道SR電機(jī)A1相與A2相仿真模型示意圖Fig.9 Simulation block diagram of phase-A1and phase-A2

當(dāng)作用在SR電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL時，根據(jù)力學(xué)原理，轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動方程為

式中:Ttotal為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動慣量;f為摩擦系數(shù);TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速。按照圖9和式(13)利用Matlab軟件即可搭建雙通道SR電機(jī)起動/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的整體仿真模型，利用以上模型對SR電機(jī)單通道運(yùn)行和雙通道運(yùn)行的特性進(jìn)行比較分析，考察兩個通道之間的互感對其性能的影響。

圖10為直流母線電壓U=270 V，給定轉(zhuǎn)速n=1000 r/min，TL=1.5 N·m時，電機(jī)單通道閉環(huán)起動運(yùn)行模式下的A相電壓、相電流、相磁鏈、總轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的動態(tài)波形。圖11為直流母線電壓U=270 V，給定轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，TL=1.5 N·m時，電機(jī)雙通道閉環(huán)起動運(yùn)行模式下的A1相電流、相磁鏈、總轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的動態(tài)波形。

通過圖10和圖11的對比可以看出，SR雙通道運(yùn)行時比單通道運(yùn)行具有更快的響應(yīng)速度，其響應(yīng)時間分別為0.162 s和0.334 s。

圖12為轉(zhuǎn)速n=200 r/min，開通角為零，關(guān)斷角為14°，U=270 V條件下的SR電機(jī)雙通道和單通道電動運(yùn)行時的相電流、相磁鏈以及總轉(zhuǎn)矩的仿真波形，兩種情況下平均轉(zhuǎn)矩分別為31.5 N·m和74.1 N·m。圖13為轉(zhuǎn)速n=800 r/min，開通角為零，關(guān)斷角為14°，U=270 V條件下SR電機(jī)雙通道和單通道電動運(yùn)行時的相電流、相磁鏈以及總轉(zhuǎn)矩的仿真波形，兩種情況下平均轉(zhuǎn)矩分別為2.74 N·m和6.17 N·m，可以看出系統(tǒng)雙通道運(yùn)行時輸出轉(zhuǎn)矩大于單通道運(yùn)行時輸出轉(zhuǎn)矩的2倍。

圖14為給定直流母線電壓U=350 V，轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，電機(jī)單通道閉環(huán)建壓過程的直流母線電壓、A相電流的動態(tài)波形。圖15為給定直流母線電壓U=350 V，轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，電機(jī)雙通道閉環(huán)建壓過程的直流母線電壓、A1相和A2相電流的動態(tài)波形。

通過圖14和圖15的對比可以看出，SR雙通道發(fā)電運(yùn)行時比單通道發(fā)電運(yùn)行具有更快的響應(yīng)速度，其響應(yīng)時間分別為0.075 s和0.132 s。

圖16為轉(zhuǎn)速n=800 r/min，開通角為12°，關(guān)斷角為33°，U=270 V條件下SR電機(jī)單通道和雙通道穩(wěn)態(tài)發(fā)電運(yùn)行時的相電流、相自感磁鏈以及相與相之間的互感磁鏈的仿真波形。

通過對SR電機(jī)單通道和雙通道工作時的性能進(jìn)行比較分析，可以看出:1)SR雙通道運(yùn)行比單通道運(yùn)行具有更快的響應(yīng)速度(圖10、圖11所示);2)當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，雙通道工作與單通道工作的相電流有很大差別(圖12所示)，在關(guān)斷時刻單通道運(yùn)行的相電流要大于雙通道運(yùn)行的相電流，其最大差距可達(dá)45%左右，單通道工作和雙通道同時工作時相電流到達(dá)峰值的時刻基本相同，雙通道工作時的輸出轉(zhuǎn)矩大于單通道工作時轉(zhuǎn)矩的2倍;3)電動運(yùn)行時，在相電流達(dá)到峰值以前，兩種工作模式下電流的上升速率基本相等，在峰值過后，雙通道運(yùn)行時的相電流下降速率要大于單通道運(yùn)行時的電流下降速率(圖12、圖13所示)，發(fā)電運(yùn)行時，在相電流達(dá)到峰值以前，雙通道工作時的相電流上升率要小于單通道運(yùn)行時相電流相電流上升率，在峰值過后，兩者的相電流下降速率基本相等(圖16所示)。

圖16 發(fā)電運(yùn)行時電流、磁鏈與互感磁鏈波形比較Fig.16 Comparison of phase current，self and mutual flux linkage under generating mode

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文建模方法的正確性，本節(jié)在構(gòu)造的雙通道SR起動/發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺上，對所研究的樣機(jī)系統(tǒng)分別在單通道和雙通道控制下進(jìn)行電動和發(fā)電運(yùn)行實(shí)驗(yàn)以及閉環(huán)建壓實(shí)驗(yàn)。

4.1 雙通道SR起動/發(fā)電系統(tǒng)硬件構(gòu)成

雙通道SR起動/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)硬件主要包括一臺雙通道SR電機(jī)、一臺直流電機(jī)、兩套不對稱半橋功率變換器、起動直流電源、起動模擬負(fù)載、發(fā)電負(fù)載電阻箱等。控制器的硬件部分包括以DSP芯片為核心的控制單元、位置信號輸入電路、電流和電壓檢測電路、保護(hù)電路、CPLD邏輯綜合電路等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中，雙通道SR電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)為:定轉(zhuǎn)子為12/8結(jié)構(gòu);定子鐵心外徑為260 mm;定子軛厚為15 mm;轉(zhuǎn)子外徑為169.2 mm;轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為70 mm;轉(zhuǎn)子軛厚為25 mm;定、轉(zhuǎn)子極弧分別為 15°、17°;氣隙為 0.4 mm;軸向長度為156 mm;每極繞組匝數(shù)為280匝;電機(jī)電磁參數(shù)(磁鏈與轉(zhuǎn)矩特性參數(shù))與仿真模型中所用的電機(jī)電磁參數(shù)相同。當(dāng)電機(jī)處于起動狀態(tài)下時，由起動電源給SR電機(jī)供電，接到DSP的起動指令后，SR電機(jī)便進(jìn)入起動運(yùn)轉(zhuǎn)，拖動直流電機(jī)運(yùn)行［16－17］。起動過程結(jié)束后，SR電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，此時直流電機(jī)作為原動機(jī)運(yùn)行，當(dāng)SR電機(jī)雙通道發(fā)電運(yùn)行時，兩個通道并聯(lián)對負(fù)載供電，每個通道均分負(fù)載。

4.2 電動實(shí)驗(yàn)

圖17和圖18分別為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制下給定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，系統(tǒng)在單通道工作和雙通道工作模式下電機(jī)起動時的轉(zhuǎn)速波形比較，其電壓等參數(shù)給定條件與仿真時圖10和圖11的條件相同，實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)時間分別為0.402 s和0.186 s。

圖19為SR電機(jī)單通道運(yùn)行時直流母線電壓為270 V，電機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min時的仿真和實(shí)測三相電流波形。圖20為SR電機(jī)雙通道運(yùn)行時直流母線電壓為270 V，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時的A1相和A2相的仿真和實(shí)測電壓、電流波形。

圖19 單通道電動穩(wěn)態(tài)電流對比(n=700 r/min)Fig.19 Comparison of steady state currents under single channel motoring mode(n=700 r/min)

圖20 雙通道電動穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果對比(n=1 000 r/min)Fig.20 Comparison of steady state currents under dual channel motoring mode(n=1 000 r/min)

圖21為利用本文的仿真模型得到的SR電機(jī)在不同運(yùn)行模式下平均轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線和實(shí)測轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線的比較，其中兩條曲線分別對應(yīng)雙通道和單通道運(yùn)行的結(jié)果，從圖21中可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本吻合，其最大誤差不超過8%。

圖21 電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩－速度曲線Fig.21 Average torque versus speed

4.3 穩(wěn)態(tài)發(fā)電實(shí)驗(yàn)

圖22為SR電機(jī)單通道發(fā)電運(yùn)行時，開通角為13.5°，關(guān)斷角為 30°，發(fā)電電壓為 230 V，電機(jī)轉(zhuǎn)速為650 r/min時的仿真和實(shí)測驅(qū)動信號以及相電流波形。圖23為SR電機(jī)雙通道發(fā)電運(yùn)行時，開通角為14.5°，關(guān)斷角為30°，發(fā)電電壓為270 V，電機(jī)轉(zhuǎn)速為750 r/min時的仿真、實(shí)測A1相和A2相的電壓和電流波形。

圖22 單通道發(fā)電穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果對比(n=650 r/min)Fig.22 Comparison of steady state currents under single channel generating mode(n=650 r/min)

圖23 雙通道發(fā)電穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果對比(n=750 r/min－1)Fig.23 Comparison of steady state currents under dual channel generating mode(n=750 r/min－1)

從圖19～圖23中可以看出，仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果基本吻合，說明本文基于互感耦合的雙通道SR電機(jī)的建模和仿真方法的正確性和有效性，仿真結(jié)果如實(shí)地反映了SR電機(jī)的實(shí)際工作狀況。當(dāng)SR電機(jī)單通道運(yùn)行時，三相電流對稱，大小幅值基本相同;當(dāng)SR電機(jī)雙通道運(yùn)行時，兩個通道同一相的電流、電壓同步性極好，波形的形狀和瞬時大小也一致，實(shí)現(xiàn)了雙通道系統(tǒng)的同步控制，電機(jī)穩(wěn)態(tài)特性良好。

4.4 閉環(huán)建壓實(shí)驗(yàn)

在驗(yàn)證了基本的起動和發(fā)電性能之后，控制環(huán)節(jié)加上電壓PI閉環(huán)控制，設(shè)置電壓給定值為270 V，并設(shè)置好相應(yīng)的過壓過流保護(hù)環(huán)節(jié)，進(jìn)行雙通道電壓閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時固定負(fù)載，原動機(jī)從零加速到額定轉(zhuǎn)速即1 000 r/min，圖24為發(fā)電狀態(tài)下的閉環(huán)建壓波形。通過觀察電壓波形可知，在經(jīng)過上升、超調(diào)之后，發(fā)電電壓于0.5 s左右穩(wěn)定在270 V，其超調(diào)量約為2.5%，穩(wěn)定后電壓波動比較小，其紋波約為1.8%。

圖24 雙通道閉環(huán)建壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.24 Dual channel closed loop generation results

5 結(jié)論

1)在普通的12/8極SR電機(jī)基礎(chǔ)上通過對繞組連接方式的合理設(shè)計，可以很容易地構(gòu)成雙通道的SR起動/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

2)建立雙通道SR電機(jī)不同工作模式下的數(shù)學(xué)模型，分析不同工作模式下的電機(jī)特性。雙通道工作與單通道工作時的相電流波形有很大差別，最大差距可達(dá)50%左右，雙通道工作時的輸出轉(zhuǎn)矩大于單通道工作時轉(zhuǎn)矩的2倍，具有更快的響應(yīng)速度。

3)搭建了以功率變換器和DSP為核心的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，分別在單通道和雙通道工作模式下進(jìn)行起動、起動轉(zhuǎn)發(fā)電、電動和發(fā)電運(yùn)行以及閉環(huán)建壓實(shí)驗(yàn)等，實(shí)現(xiàn)雙通道SR電機(jī)系統(tǒng)兩個通道的同步穩(wěn)定運(yùn)行和控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了建模方法和理論分析的正確性。

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(編輯:于雙)

Modeling and simulation of dual-channel switched reluctance starter/generator system

DING Wen，LIANG De-liang
(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

Due to the electromagnetic mutual coupling between each channel in the dual channel switched reluctance machine(DCSRM)，a modeling method for DCSRM is proposed in this paper.The magnetic field of dual-channel switched reluctance machine(SRM)was analyzed by using finite element method，and the nonlinear mathematic models of DCSRM including mutual coupling for both channels was developed.The steady state performances under different operation modes were simulated and compared.An experimental platform of digital control system was designed based on power converters and DSP.The experimental results such as motoring，generating and closed-loop generation were tested.Test results show the good performance of DCSRM system and verified the theory analysis and simulation results.

dual-channel switched reluctance machine;mutual coupling;dual-channel starter/generator system;mathematic model

TM 352

A

1007－449X(2011)05－0007－09

2010－11－17

國家自然科學(xué)基金(51007071);中國博士后基金(20100481325);電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中青年創(chuàng)新基金(EIPE11302)

丁 文(1981—)，男，博士，講師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制系統(tǒng)。

梁得亮(1967—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制及運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計及數(shù)字控制技術(shù)，電源及其變換技術(shù)。