高速開關(guān)磁阻電機(jī)的變頻調(diào)速控制

何雅慧，韋忠朝

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

高速開關(guān)磁阻電機(jī)的變頻調(diào)速控制

何雅慧，韋忠朝

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

通過(guò)結(jié)合開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的兩種控制方式——電流斬波控制和角度位置控制，在Matlab／Simulink的環(huán)境下建立仿真模型，使得開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速能在0～10000r／min的寬范圍內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明，該仿真模型設(shè)計(jì)較為合理，對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)能夠達(dá)到預(yù)期效果。

開關(guān)磁阻電機(jī)寬范圍調(diào)速；電流斬波控制；角度位置控制

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為一種新型的調(diào)速系統(tǒng)，以其優(yōu)良的調(diào)速性能日益受到人們的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)代電氣傳動(dòng)發(fā)展的熱門話題之一［1］。它融新的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)——開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（Switched Reluctance Motor，簡(jiǎn)稱SRM）與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)為一體，兼有異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)［2］。近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展給予了高度關(guān)注，目前已在很多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。為了使開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)滿足不同的需求，電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須能在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)速。本文在Matlab／Simulink的環(huán)境下建立仿真模型，通過(guò)各個(gè)子模塊的配合作用，達(dá)到轉(zhuǎn)速在0～10 000r／min的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)的目的。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制方式

1.1 電流斬波控制CCC

對(duì)于給定的SRM，在最高外施電壓Usmax、允許的最大磁鏈ψmax與最大電流ip條件下，存在一個(gè)臨界角速度wb，它是SRM能得到最大轉(zhuǎn)矩的最高角速度，這一臨界角速度稱為“基速”［3］。

SRM在低于基速下運(yùn)行時(shí)，采用電流斬波控制。常見的電流斬波控制方式是保持開通角和關(guān)斷角不變，通過(guò)主開關(guān)器件的多次導(dǎo)通和關(guān)斷將電流限定在給定的上、下限值之間，并以此控制轉(zhuǎn)矩。典型的電流斬波方式的相電流波形見圖1［4］。

圖1 電流斬波波形圖

如圖1所示，當(dāng)θ＝θon時(shí)，主開關(guān)器件接通，相電流i從零開始上升，當(dāng)相電流上升到上限值iH時(shí)，開始斬波，即主開關(guān)器件關(guān)斷，相電流i下降；當(dāng)相電流下降到下限值iL時(shí)，主開關(guān)器件重新導(dǎo)通，相電流i便開始上升。如此主開關(guān)器件反復(fù)通斷，使相電流控制在上限值iH和下限值iL之間，直到θ＝θoff時(shí)，主開關(guān)器件關(guān)斷，相電流i一直下降到零。

1.2 角度位置控制APC

當(dāng)SRM在高于基速的速度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，采用角度位置控制。角度位置控制是指在加在繞組上的電壓一定的情況下，通過(guò)改變繞組上主開關(guān)的開通角和關(guān)斷角，來(lái)改變繞組的通電、斷電時(shí)刻，調(diào)節(jié)相電流的波形，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

角度位置控制有三種方式：保持開通角不變改變關(guān)斷角、保持關(guān)斷角不變改變開通角、同時(shí)改變開通角和關(guān)斷角。改變開通角，可以改變電流波形的寬度、峰值和有效值的大小，還可以改變電流波形與電感的相對(duì)位置，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；而關(guān)斷角一般不影響電流的峰值，但可改變電流波形的寬度及其與電感曲線的相對(duì)位置，進(jìn)而改變電流的有效值。在開關(guān)磁阻電機(jī)控制中一般采用固定關(guān)斷角，改變開通角的控制方法。

2 仿真模型的建立

調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型見附錄I，本調(diào)速系統(tǒng)的基本思路為在0～5 000r／min的低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)采用電流斬波控制（CCC），在5 000～10 000r／min的高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)采用角度位置控制（APC）。為了使轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)更加平滑有效，對(duì)轉(zhuǎn)速的分段進(jìn)行了細(xì)化。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，本調(diào)速系統(tǒng)最終將轉(zhuǎn)速范圍分成六段：0～500r／min、500～1500r／min、1 500～3 500 r／min、3 500～5 000r／min、5 000～8 000r／min、8 000～10 000r／min。根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速值的大小，選擇不同的子模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)合每個(gè)子模塊不同的PI環(huán)節(jié)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值。

3 仿真模型的分析

當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于5 000r／min時(shí)，采用的是電流斬波控制方式。以轉(zhuǎn)速為0～500r／min的子模塊為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖2所示。當(dāng)設(shè)定的轉(zhuǎn)速值小于500r／min時(shí)，該模塊工作。在這一模塊中，給定固定的開通角和關(guān)斷角，通過(guò)電流斬波的方式達(dá)到轉(zhuǎn)速控制的目的。電流上限值是由轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)過(guò)一個(gè)PI環(huán)節(jié)來(lái)整定的，當(dāng)轉(zhuǎn)速在設(shè)定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，轉(zhuǎn)速的差值Δn為正，則PI環(huán)節(jié)輸出的是一個(gè)一直增大的電流上限值。PI輸出的最大值為200，即設(shè)定的最大電流上限值為200A。

圖2 調(diào)速范圍為0～500r／min的子模塊

若實(shí)際測(cè)得的電流沒(méi)有達(dá)到PI環(huán)節(jié)輸出的電流上限值，則在開通角和關(guān)斷角的范圍內(nèi)，主開關(guān)器件一直導(dǎo)通，電壓加在繞組兩端，使得繞組中通過(guò)的相電流上升，電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，直到達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)定的轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速的差值Δn為負(fù)，PI環(huán)節(jié)輸出的電流上限值減小，當(dāng)實(shí)際測(cè)得的電流超過(guò)PI環(huán)節(jié)輸出的電流上限值時(shí)，主開關(guān)器件關(guān)斷，電流下降，迫使轉(zhuǎn)速降低；如此反復(fù)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可在設(shè)定的轉(zhuǎn)速值附近波動(dòng)，最終穩(wěn)定在轉(zhuǎn)速設(shè)定值。轉(zhuǎn)速0～5 000r／min的其他子模塊均采用相同的原理，為了滿足不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)需要，各個(gè)子模塊PI環(huán)節(jié)略有差異，使得超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間在合理范圍內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于5 000r／min時(shí)，采用角度位置控制方式，下面以5 000～8 000r／min的子模塊為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖3 調(diào)速范圍為5 000～8 000r／min的子模塊

在該子模塊的調(diào)節(jié)范圍中，轉(zhuǎn)速較高，電流斬波控制方式達(dá)不到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的要求，所以采用角度位置控制方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖3所示，設(shè)定關(guān)斷角為定值，對(duì)開通角的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。開通角的大小隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，引入一個(gè)PI環(huán)節(jié)，當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速大于實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)速的差值Δn＞0時(shí)，開通角提前，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升；當(dāng)轉(zhuǎn)速的差值Δn＜0時(shí)，PI環(huán)節(jié)輸出值適當(dāng)減小，使得開通角推后，如此反復(fù)，就能確定一個(gè)適當(dāng)?shù)拈_通角，使得轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值。轉(zhuǎn)速8 000～10 000r／min的子模塊也采用相同原理，不同的是其開通角的初始值為40°。

4 仿真結(jié)果

針對(duì)各個(gè)子模塊選取一個(gè)設(shè)定轉(zhuǎn)速，仿真結(jié)果如圖4～圖9。

圖4 設(shè)定轉(zhuǎn)速為200r／min控制仿真波形

圖5 設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 500r／min控制仿真波形

圖6 設(shè)定轉(zhuǎn)速為3 000r／min控制仿真波形

圖7 設(shè)定轉(zhuǎn)速為4 500r／min控制仿真波形

圖8 設(shè)定轉(zhuǎn)速為6 500r／min控制仿真波形

圖9 設(shè)定轉(zhuǎn)速為9 000r／min控制仿真波形

從仿真波形可以看出，該仿真模型能夠?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行較好的調(diào)節(jié)，最終將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)論

從仿真結(jié)果可以看到，該調(diào)速系統(tǒng)能夠在0～10 000r／min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，與預(yù)期的結(jié)果相符，說(shuō)明該模型設(shè)計(jì)合理。

［1］ 詹瓊?cè)A.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1992.

［2］ 吳紅星.開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)理論與控制技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2010：110－120.

［3］ 曹偉偉.開關(guān)磁阻電機(jī)寬范圍調(diào)速系統(tǒng)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)圖書館，2006：1－70.

［4］ 王 磊.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能研究［D］.西安：西安交通大學(xué)圖書館，2011：1－35.

［責(zé)任編校：張巖芳］

Variable Frequency Speed Control of the Switched Reluctance Motor

HE Ya－h(huán)ui，WEI Zhong－chao
（College of Electrical and Electronic Engin.of Huazhong Univ.of Science and Tech.，Wuhan 430074，China）

The switched reluctance motor drive has two control methods：CCC and APC.By combining the two control strategies，a simulation model was built under the environment of Matlab／Simulink.The model should adjust the speed of switched reluctance motors smoothly in the wide speed range.The result shows that this system is reliable and the drive system finally reaches the target requirements.

Switched Reluctance Motor large speed adjusting range；CCC；APC

TM3

A

1003－4684（2014）01－0045－04

2013－11－28

何雅慧（1991－），女，湖北天門人，華中科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器