開關(guān)磁阻電機(jī)高效運(yùn)行的控制模式研究

李岳峰 蔡燕

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2101-5640-9004

摘? 要：本文針對開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）的效率優(yōu)化控制問題，進(jìn)行了開通角關(guān)斷角的角度優(yōu)化和角度位置控制模式的優(yōu)化研究，提出了一種新型角度位置控制模式，在實(shí)現(xiàn)電機(jī)恒功率運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可以在不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下得到使轉(zhuǎn)矩安培比最大的角度組合，從而實(shí)現(xiàn)SRM高效運(yùn)行。本文以一臺1.1kW的三相12/8極SRM為樣機(jī)，搭建了新型角度位置控制仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文方法可以有效提高電機(jī)運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)? 角度優(yōu)化? 角度位置控制? 轉(zhuǎn)矩安培比

中圖分類號：TM352? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0001-3

Research on the Control Mode of High-efficiency Operation of Switched Reluctance Motor

LI Yuefeng1? CAI Yan1

（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University， Tianjin， 300000 China）

Abstract： In this paper， for the efficiency optimization control problem of Switched reluctance motor（SRM）， the angle optimization of turn-on and turn-off angle and the optimization of angle position control mode are studied， and a new type of angle position control mode is proposed. On the basis of realizing the constant power operation of the motor， the angle combination that maximizes the torque ampere ratio can be obtained at different speeds and torques， so as to realize the high-efficient operation of the SRM. This paper uses a 1.1kW three-phase 12/8 pole SRM as a prototype to build a new type of angle position control simulation model. The simulation results verify that the method in this paper can effectively improve the efficiency of the motor.

Key Words： Switched reluctance motor; Angle optimization; Angle position control; Torque ampere ratio

開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）作為一種無稀土低成本的雙凸極電機(jī)，定子上采用集中繞組，轉(zhuǎn)子上無繞組也無永磁體，它依靠結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)、調(diào)速范圍寬和動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于新能源汽車和工業(yè)傳動領(lǐng)域[1-3]。但由于SRM的“單邊勵磁”工作模式，繞組和鐵芯利用率低，使得SRM在功率密度和效率方面略顯不足，因此提高電機(jī)運(yùn)行效率對SRM的研究很有必要。對于角度位置控制方式，開通角和關(guān)斷角是主要控制參數(shù)，合理選擇角度不光可以擴(kuò)大轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍還可以提高驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行效率[4-6]。本文通過對開通角與關(guān)斷角的分析研究和角度位置控制模式的研究，以效率的表征指標(biāo)轉(zhuǎn)矩安培比為優(yōu)化目標(biāo)，提出了一種新的角度位置控制模式，使用開通角調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和遍歷關(guān)斷角的方式，在一定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下得到了最優(yōu)的開關(guān)角組合，從而實(shí)現(xiàn)SRM的高效運(yùn)行。

1? SRM的控制模式研究

角度位置控制模式是在繞組兩端電壓一定的情況下，通過控制相繞組開通角和關(guān)斷角改變相電流的有效值大小和波形形狀，從而改變電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制模式。為了實(shí)現(xiàn)SRM的恒功率運(yùn)行，需要調(diào)整開通角和關(guān)斷角使導(dǎo)通時間合適地增大，做到輸出轉(zhuǎn)矩受控地隨轉(zhuǎn)速的負(fù)一次方下降，但由于SRM高度飽和特性與非線性特性，開通角和關(guān)斷角是許多參數(shù)的復(fù)雜函數(shù)，無法用顯示解析式來表示。同時對于一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，有無數(shù)種開通角和關(guān)斷角的組合，因此存在最優(yōu)角度選擇的問題。為了確定恒功率運(yùn)行點(diǎn)的最優(yōu)開關(guān)角，需要對開通角和關(guān)斷角進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1 開通關(guān)斷角對SRM性能的影響

角度位置控制方式的電感和相電流波形示意圖如圖1所示，其中非對齊位置為0°，為對齊位置，為電感開始上升處，為電流衰減到零的轉(zhuǎn)子位置，低電感區(qū)間的電感為，最大電感區(qū)間的電感值為，為開通角，為關(guān)斷角。繞組電流可以在低電感區(qū)間迅速建立，由于開通角處于低電感區(qū)間，所以電流對開通角的變化非常敏感，改變開通角可以改變電流有效值大小和波形形狀，從而改變正向轉(zhuǎn)矩的大小和作用時間。在一定范圍內(nèi)開通角越靠前，電流峰值越大，如果開通角過于靠前，由于此時電感變化率幾乎為零，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也幾乎為零，導(dǎo)致電能利用率不高，會降低SRM的運(yùn)行效率;如果開通角過于靠后，會使電流峰值變小從而影響電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

改變關(guān)斷角一般對電流的峰值沒有影響，但可以改變續(xù)流階段的電流大小和電流延續(xù)到零的持續(xù)時間，進(jìn)而改變電流的有效值，實(shí)現(xiàn)對輸出轉(zhuǎn)矩的控制。固定開通角，如果關(guān)斷角過大，相繞組電流勵磁的時間變長，相電流的波形寬度隨之變寬，但電流拖尾到電感下降區(qū)，會導(dǎo)致負(fù)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，使有效輸出轉(zhuǎn)矩降低;如果關(guān)斷角太小，會使相電流波形變窄，從而降低了電流有效值，使電機(jī)出力變小且效率不高。

因此開通角的變化對電流的影響更大，因此控制開通角是調(diào)節(jié)電流有效值大小和波形形狀的主要方法，也是調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行速度的常用方法。

1.2 新型角度位置控制模式

已知開通角或者關(guān)斷角的改變都會對SRM的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生影響，而對于一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，可以通過無數(shù)種開通角和關(guān)斷角的組合實(shí)現(xiàn)，最優(yōu)角度的選擇是研究難點(diǎn)。如果依次遍歷適當(dāng)范圍內(nèi)的所有開通角和關(guān)斷角，工作量將非常龐大，為了提高工作效率，本文提出了開通角調(diào)速的控制方式進(jìn)行角度尋優(yōu)。

新型角度位置控制框圖如圖2所示，由給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差通過速度控制器計(jì)算出參考電流，之后一方面參考電流和實(shí)際轉(zhuǎn)速作為開通角計(jì)算公式的輸入計(jì)算出開通角;另一方面參考電流與實(shí)際電流作比較并給出低速時所需的斬波信號，同時起電流保護(hù)作用。在一定轉(zhuǎn)速和負(fù)載的外界條件下，給定一個關(guān)斷角后，轉(zhuǎn)速閉環(huán)會通過調(diào)節(jié)開通角使電機(jī)穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速下，換而言之，開通角和關(guān)斷角有無數(shù)種組合，關(guān)斷角一旦確定，開通角會自發(fā)地與關(guān)斷角組成唯一的組合，使開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行在給定的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速運(yùn)行點(diǎn)。因此，在一個轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速運(yùn)行點(diǎn)下遍歷關(guān)斷角就相當(dāng)于遍歷了所有的開關(guān)角組合，再通過對比每組角度組合下的性能指標(biāo)，便可找到使電機(jī)轉(zhuǎn)矩安培比最大的開關(guān)角組合。

圖2中的開通角計(jì)算公式為：

（1）

公式（1）中：為電感開始上升處的轉(zhuǎn)子位置，為速度控制器計(jì)算得出的參考電流，為最小電感值，為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，為直流母線電壓。

2? 仿真驗(yàn)證

本文以一臺額定功率1.1Kw、額定轉(zhuǎn)速1500r/min的三相12/8極SRM作為樣機(jī)，搭建了滿足高性能研究需求的高精度SRM仿真模型，同時采用不對稱半橋式功率電路作為SRM調(diào)速系統(tǒng)的功率變換器，利用所搭建的新型角度位置控制模式仿真模型，在不同的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速運(yùn)行點(diǎn)選擇合適的關(guān)斷角進(jìn)行仿真，可以實(shí)現(xiàn)SRM的1.1kW恒功率運(yùn)行。

在轉(zhuǎn)速2000r/min負(fù)載5.25N·m的運(yùn)行點(diǎn)對SRM進(jìn)行仿真，關(guān)斷角在14°到16°的范圍內(nèi)，以0.25°為間隔進(jìn)行選取，由于轉(zhuǎn)速閉環(huán)通過速度控制器自動對開通角進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到的角度組合均可以使SRM運(yùn)行在相同的運(yùn)行點(diǎn)。不同關(guān)斷角下的轉(zhuǎn)矩安培比如圖3所示?？梢钥闯?，存在一個最優(yōu)的關(guān)斷角使轉(zhuǎn)矩安培比最高，值為1.566，意味著，該關(guān)斷角和當(dāng)前開通角是這個轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速運(yùn)行點(diǎn)下使電機(jī)效率最高的角度組合，此時開通角為-5.2°，關(guān)斷角為15°。對于恒功率區(qū)的其他轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速運(yùn)行點(diǎn)，可以采取相同的方法尋找使轉(zhuǎn)矩安培比最優(yōu)的角度組合。

3? 結(jié)語

本文提出的新型角度位置控制模式，一方面可以實(shí)現(xiàn)SRM的恒功率運(yùn)行，另一方面可以在不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下得到轉(zhuǎn)矩安培比最大的開關(guān)角組合，從而顯著提升SRM的運(yùn)行效率，仿真結(jié)果驗(yàn)證了此方法的有效性，實(shí)際的應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速和負(fù)載值確定最優(yōu)的開關(guān)角組合。另外，該方法可以大大降低SRM角度尋優(yōu)工作量，提高工作效率，同時轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)模式可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。

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