永磁式開關(guān)磁阻電機(jī)在電力推進(jìn)中的應(yīng)用研究

羅 磊，胡 旭

應(yīng)用研究

永磁式開關(guān)磁阻電機(jī)在電力推進(jìn)中的應(yīng)用研究

羅 磊1，胡 旭2

（1. 海裝駐武漢地區(qū)第六軍事代表室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

新型永磁式開關(guān)磁阻電機(jī)在保留傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)點的同時克服換流相對較慢、能量利用率較低等缺點，本文在此基礎(chǔ)上針對永磁式開關(guān)磁阻電機(jī)的特點提出了一種基于PMSRM的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模糊PI的控制方法。通過Simulink仿真建模，驗證了該系統(tǒng)具有跟蹤速度快、控制精度高的性能。

永磁式開關(guān)磁阻電機(jī) 船舶電力推進(jìn) 模糊PI控制方法

0 引言

近年來，隨著大功率電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的不斷進(jìn)步，全電力推進(jìn)船舶憑借其靈活的空間布局、安靜高效的機(jī)動性能、更低的燃油消耗率，成為現(xiàn)代船舶推進(jìn)技術(shù)的重要發(fā)展方向。目前應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)的電機(jī)主要有直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）是一種基于定轉(zhuǎn)子具有可變磁導(dǎo)原理回路設(shè)計的電動機(jī)，采用雙凸極結(jié)構(gòu)，僅定子上有集中繞組。傳統(tǒng)SRM的轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，與其它電機(jī)相比具有以下特點：1）結(jié)構(gòu)簡單堅固，能適用于惡劣環(huán)境；2）損耗主要產(chǎn)生在定子，電機(jī)易于冷卻；3）效率高，起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，低速性能好?，F(xiàn)如今，開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展取得了明顯的進(jìn)步，已成功地應(yīng)用于電動汽車、紡織機(jī)械和家用電器等各個領(lǐng)域，功率范圍從10 W到5 MW，最大速度高達(dá)100,000 r/min。

1 傳統(tǒng)SRM在船舶電力推進(jìn)應(yīng)用中存在的問題

由于開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，傳統(tǒng)的SRM在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用存在以下問題：

1）SRM采用雙凸極結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)矩輸出與電流方向無關(guān)，僅與相繞組的電感變化率有關(guān)，轉(zhuǎn)矩僅在電感增加區(qū)域產(chǎn)生，一個工作周期中繞組最多只能導(dǎo)通半個周期，導(dǎo)致電機(jī)繞組利用率較低，限制了SRM的出力能力。

2）大功率電機(jī)的最大電感通常設(shè)計較大，而繞組換流一般發(fā)生在最大電感區(qū)附近。功率開關(guān)管長期在大電感下關(guān)斷容易導(dǎo)致其故障率上升，隨著電機(jī)功率提高該問題尤為突出。

3）SRM工作在脈沖供電方式中，瞬時轉(zhuǎn)矩脈動大，轉(zhuǎn)速很低時，步進(jìn)狀態(tài)明顯，而且由于其本身的非線性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩控制困難。

4）SRM實質(zhì)上屬于單勵電機(jī)，由于繞組的電流中有一部分激磁分量，勵磁損耗不僅影響能量利用率，還會額外增加電機(jī)及功率變換器的容量。

隨著稀土永磁材料的研究和發(fā)展，引入永久磁鋼的新型開關(guān)磁阻電機(jī)不斷涌現(xiàn)，這類電機(jī)在保留傳統(tǒng)SRM優(yōu)點的同時克服換流相對較慢、能量利用率較低等缺點，增加了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于永磁式開關(guān)磁阻電機(jī)（PMSRM）的電力推進(jìn)系統(tǒng)，下面將詳細(xì)論述其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方法。

2 一種基于PMSRM的電力推進(jìn)系統(tǒng)

1）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于PMSRM的電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由永磁式開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、控制器、電流傳感器和位置傳感器構(gòu)成。

圖1 PMSRM電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)為雙閉環(huán)調(diào)速，采用電流斬波控制方法，轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)使PMSRM的轉(zhuǎn)速能夠精準(zhǔn)快速地跟隨速度給定，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)主要在電機(jī)啟動和低速運(yùn)行時抑制電流峰值不超過允許范圍，同時確保電機(jī)產(chǎn)生平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩。

2）速度控制器的設(shè)計

由于PMSRM具有良好的動態(tài)性能，因此速度控制器采用PI控制。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

PI控制作為工程中最常用的一種控制方式，能夠有效的實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速響應(yīng)，但比例積分系數(shù)的整定是實現(xiàn)PI速度控制器精確穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。為了更好地控制PMSRM，可采用分層控制，在不同的速度區(qū)設(shè)置不同的PI參數(shù)。

3）模糊PI控制

表1 模糊語言表

表2 隸屬度表格

3 Simulink仿真驗證

本文通過Simulink建模對該系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗證，分別建立了永磁式開關(guān)磁阻電機(jī)的模型以及模糊PI控制方法模型，模型如下：

圖2 模糊PI控制模型

圖3 永磁式開關(guān)磁阻電機(jī)單相繞組模型

仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 PMSRM單相電流波形

圖5 PMSRM轉(zhuǎn)速波形

通過仿真波形可以看出，相電流波形比較理想，轉(zhuǎn)速上升過程比較平滑。電機(jī)各相電流相互疊加，從而降低轉(zhuǎn)矩脈動。試驗結(jié)果證明了該電力推進(jìn)系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)束語

永磁式開關(guān)磁阻電機(jī)保留了傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和集中繞組的形式，在具備傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)勢的同時還具有永磁電機(jī)高轉(zhuǎn)矩密度和高運(yùn)行效率的優(yōu)點。但開關(guān)磁阻電機(jī)固有的轉(zhuǎn)矩脈動大、振動噪聲等問題依然存在，這是限制其推廣的主要瓶頸。隨著對減噪減振、轉(zhuǎn)矩脈動抑制和無位置傳感器等方向的進(jìn)一步研究，基于新型永磁式開關(guān)磁阻電機(jī)的電力推進(jìn)系統(tǒng)將在航海領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Application study of permanent magnet switched reluctance motor in electric propulsion

Luo Lei1, Hu Xu2

(1. Naval Representative Office in Wuhan, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM352

A

1003-4862（2022）01-0056-03

2021-06-28

羅磊（1987-），男，工程師，主要從事武器裝備質(zhì)量監(jiān)督工作，專業(yè)方向電氣工程與自動化。Email：451024834@qq.com