一種提高開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)輸出性能的改進(jìn)型他勵(lì)變換器

丁 文 陳 碩 李 可 宋凱迪

一種提高開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)輸出性能的改進(jìn)型他勵(lì)變換器

丁 文 陳 碩 李 可 宋凱迪

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049）

為了提高開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（SRG）系統(tǒng)的輸出性能，該文提出一種用于SRG的改進(jìn)型他勵(lì)變換器，以提高其直流發(fā)電應(yīng)用中的輸出電壓和功率等特性。該變換器前端插入一個(gè)輔助電路集成到常規(guī)的不對稱橋他勵(lì)變換器中，通過控制輔助電路中的輔助開關(guān)，可以提高勵(lì)磁電壓和發(fā)電電壓，加速勵(lì)磁和去磁過程，從而提高SRG系統(tǒng)的發(fā)電性能。該文分析了改進(jìn)型他勵(lì)變換器的工作模式，對比仿真分析了改進(jìn)型變換器和常規(guī)變換器的不同發(fā)電性能，研究了發(fā)電時(shí)主開關(guān)與輔助開關(guān)的導(dǎo)通角、輔助電容與負(fù)載電容大小對發(fā)電系統(tǒng)性能的影響。最后制作了改進(jìn)型變換器功率電路，搭建了基于dSPACE的實(shí)驗(yàn)平臺，對改進(jìn)型變換器和常規(guī)變換器的SRG系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變換器能顯著提高SRG系統(tǒng)的發(fā)電電壓和功率等性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性和所提改進(jìn)型他勵(lì)變換器的有效性。

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī) 改進(jìn)型他勵(lì)變換器 輔助電路 發(fā)電性能

0 引言

開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Machine, SRM）具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、成本低、可靠性高、調(diào)速范圍廣以及容錯(cuò)性較高等優(yōu)點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通角，SRM既可以做電動機(jī)，也可做發(fā)電機(jī)，因此，近年來在電動/混合動力汽車、航空起動/發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-7]。

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來看，為了提高SRM的性能，學(xué)者提出了很多新型的功率變換器，但是大多數(shù)研究都集中在電動機(jī)的新型變換器拓?fù)渖稀?/p>

文獻(xiàn)[8-10]通過在不對稱半橋變換器的前端增加額外的電路來提出一些先進(jìn)的變換器拓?fù)?，以提高SRM電動機(jī)的性能。文獻(xiàn)[8]提出一種新型的無源升壓變換器，其中直流電壓獲得提升，并且通過選擇合適的升壓電容器可以在退磁模式下獲得兩倍的負(fù)偏置。文獻(xiàn)[9-10]提出了一種在不對稱半橋轉(zhuǎn)換器的前端增加一個(gè)開關(guān)、一個(gè)二極管和一個(gè)電感的有源升壓電路。該轉(zhuǎn)換器在電動模式下用作DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，扭矩產(chǎn)生能力提高了10%。

文獻(xiàn)[11-18]提出了幾種多電平和多端口變換器來提高SRM性能的方法。文獻(xiàn)[11]提出了一種不對稱的三電平中性點(diǎn)二極管鉗位變換器，其中每個(gè)橋臂具有4個(gè)電源開關(guān)。雖然結(jié)果表明它減少了電流紋波和噪聲，并提高了效率，但控制起來很復(fù)雜，成本也很高。文獻(xiàn)[12]提出了一種用于SRM驅(qū)動的新型中點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，以提高交流電源的電能質(zhì)量并平衡直流鏈路電容器的電壓。中點(diǎn)轉(zhuǎn)換器需要使用并聯(lián)直流鏈路電容器類型的功率因數(shù)校正整流器，并且只有偶數(shù)相電機(jī)才能使用。文獻(xiàn)[13]提出了一個(gè)由前端電路饋電的集成多電平轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器加速了勵(lì)磁和退磁過程并保持了轉(zhuǎn)矩脈動。系統(tǒng)效率提高了2%～4%。然而，前端電路的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且成本也會增加。文獻(xiàn)[14-17]提出了兩種用于具有直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制的SRM四電平和五電平變換器，其中，回收的能量存儲在充電電容器中，提升了SRM驅(qū)動器的動態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)。文獻(xiàn)[18-20]提出了一種新型的集成多端口轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，以補(bǔ)償瞬態(tài)功率紋波并減少相移時(shí)間，減少了對電容的需求，并通過直流母線獲得了更高的電壓。但是，由于增加了電感和電阻，成本和體積都增加了。文獻(xiàn)[21]提出了一種用于基于混合動力電動汽車的級聯(lián)多端口轉(zhuǎn)換器，其中允許在電動機(jī)、電池組和發(fā)電機(jī)/交流電網(wǎng)之間進(jìn)行靈活的能量轉(zhuǎn)換。

為了降低成本，文獻(xiàn)[22-25]提出了一些具有較少功率器件的拓?fù)洹Ｔ谖墨I(xiàn)[22-23]中，為了達(dá)到高效率，提出了包括R-dump、C-dump，分離電容器的單相每相轉(zhuǎn)換器。但是，這些轉(zhuǎn)換器的控制方法都非常復(fù)雜。在文獻(xiàn)[24]中，提出了一種在每相中具有一個(gè)開關(guān)和兩個(gè)二極管的開關(guān)變換器，該轉(zhuǎn)換器比不對稱半橋轉(zhuǎn)換器具有更好的穩(wěn)定和瞬態(tài)性能。為了減小體積并提高SRM驅(qū)動器的容錯(cuò)能力，文獻(xiàn)[25]提出了一種用于SRM的模塊化功率轉(zhuǎn)換器，采用了具有六組IGBT的雙模塊，并且其Y相繞組被雙極激勵(lì)。然而，由于存在導(dǎo)通死區(qū)，導(dǎo)致較高的轉(zhuǎn)矩波動。文獻(xiàn)[26]提出了一種用于SRM的新型模塊化全橋變換器，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)六組開關(guān)模塊。模塊化全橋變換器對短路和開路故障具有有益的容錯(cuò)能力，但是開關(guān)的數(shù)量增加了一倍。

如上所述，對SRM的功率變換器進(jìn)行了許多研究，但是對于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（Switched Reluctance Generator, SRG），具有改善性能的新型變換器的研究卻很少。SRG的功率電路通常采用傳統(tǒng)的不對稱半橋電路，主要有自勵(lì)和他勵(lì)兩種勵(lì)磁方式。文獻(xiàn)[27]提出了一種用于8/6極SRG的抑制電阻變換器，該變換器只有不對稱半橋電路一半數(shù)量的功率開關(guān)和二極管。結(jié)果表明，SRG在較寬的速度范圍內(nèi)具有較高的效率。文獻(xiàn)[28]針對微電網(wǎng)應(yīng)用的風(fēng)電SRG提出了一種隔離的交錯(cuò)式電流饋送推挽式DC-DC變換器，可顯著提高輸出電壓，還具有良好的容錯(cuò)能力。文獻(xiàn)[29]提出了一種具有反激式拓?fù)涞男铍姵仉娙葑儞Q器，以改善SRG的勵(lì)磁過程，高速區(qū)具有較好的性能。但是，文獻(xiàn)[28-29]中SRG變換器的結(jié)構(gòu)和控制都很復(fù)雜，增加了成本。

為了提高SRG系統(tǒng)的輸出性能，本文提出了一種用于SRG的改進(jìn)型他勵(lì)變換器，以提高其直流發(fā)電應(yīng)用中的輸出電壓和功率等特性。通過控制輔助電路中的輔助開關(guān)，可以提高勵(lì)磁電壓和發(fā)電電壓，加速勵(lì)磁和去磁過程。本文分析了改進(jìn)型他勵(lì)變換器的工作模式，對比仿真了改進(jìn)型變換器和常規(guī)變換器的不同發(fā)電性能，研究了發(fā)電時(shí)主開關(guān)與輔助開關(guān)的導(dǎo)通角、輔助電容與負(fù)載電容大小對發(fā)電系統(tǒng)性能的影響。對改進(jìn)型變換器和常規(guī)變換器的SRG系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性和所提改進(jìn)型他勵(lì)變換器的有效性。

1 SRG改進(jìn)型他勵(lì)變換器及工作模式

圖1為提出的改進(jìn)型SRG他勵(lì)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在常規(guī)的不對稱他勵(lì)變換器基礎(chǔ)上，在前端添加了一個(gè)輔助電路。輔助電路由三個(gè)輔助元件組成：輔助開關(guān)Sb、輔助電容b和二極管VDb1。通過控制輔助電路開關(guān)Sb的開通和關(guān)斷可以控制變換器向相繞組中提供額外的電壓，發(fā)電時(shí)提高輸出電壓和輸出功率，且該輔助電路結(jié)構(gòu)簡單，可以做成單獨(dú)的模塊化結(jié)構(gòu)電路板，便于從不對稱半橋變換器上安裝和拆卸。本文根據(jù)SRG的發(fā)電運(yùn)行方式，分析了改進(jìn)型他勵(lì)勵(lì)磁變換器的工作原理，得到了普通勵(lì)磁模式、高壓勵(lì)磁模式、兩相重疊模式和發(fā)電（負(fù)高壓退磁）模式四種工作模式，如圖2所示，下面進(jìn)行具體分析。

圖1 改進(jìn)型他勵(lì)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1）普通勵(lì)磁模式

在這種模式下，當(dāng)輔助開關(guān)Sb斷開而主開關(guān)S1和S2導(dǎo)通時(shí)，僅勵(lì)磁電壓e施加到相繞組。該模式是常規(guī)勵(lì)磁模式，與常規(guī)不對稱半橋變換器的勵(lì)磁模式相同。這種模式下的電流路徑如圖2a所示，該模式下A相的電流和電壓可表示為

式中，A為A相繞組電壓；為相繞組電阻；e為勵(lì)磁電壓；A為A相繞組電流；為A相磁鏈；e為流過勵(lì)磁源電流。

2）高壓勵(lì)磁模式

在這種模式下，主開關(guān)S1、S2和輔助開關(guān)Sb同時(shí)導(dǎo)通，勵(lì)磁電源e和輔助電容器電壓bc串聯(lián)，然后和負(fù)載母線電容電壓d并聯(lián)，中間通過二極管VDb1隔離，二極管VDb1主要起反向隔離的作用，防止電源直接和負(fù)載相連。此時(shí)，由于輔助電容電壓bc的存在，負(fù)載電容電壓d被抬高，共同向A相繞組供電，該相被更高的正電壓（d≈ebc）激勵(lì)。這是一種高壓激勵(lì)模式，相電流將以很快的速度上升。圖2b為此模式下的電流路徑，電流方向定義為正方向。在此模式下，A相的電壓和電流可表示為

式中，bc為輔助電容的電壓；d為負(fù)載電容電壓；id為流過負(fù)載母線電容電流；e為流過勵(lì)磁源電流。

3）兩相重疊模式

對于改進(jìn)型他勵(lì)變換器電路來說，SRG會出現(xiàn)兩相重疊模式，即在關(guān)斷當(dāng)前相之前，下一相已經(jīng)開通，因此，兩相電流有重疊。在這種模式下，A相關(guān)斷之前，B相已開通，即S3S4和Sb都已閉合。輔助電容上的電壓bc和勵(lì)磁電源e也處于串聯(lián)狀態(tài)，仍然和負(fù)載母線電容電壓d并聯(lián)，因此較高的正電壓會同時(shí)施加到A相和B相。此時(shí)，它們的電壓都等于d≈ebc，A相和B相均處于快速高壓勵(lì)磁模式。在此模式下，A相和B相的電流和電壓可表示為

4）發(fā)電（負(fù)高壓退磁）模式

當(dāng)同時(shí)斷開開關(guān)S1、S2和輔助開關(guān)Sb時(shí)，輔助電容b和勵(lì)磁電壓e串聯(lián)，此時(shí)該電路電壓為負(fù)，-d≈-e-bc，A相電機(jī)繞組A中存儲的能量一部分被反饋到輔助電容b和勵(lì)磁電壓e以實(shí)現(xiàn)快速退磁，另一部分能量流向負(fù)載母線電容d和負(fù)載，提升輸出發(fā)電電壓，該電壓等于d≈e+bc。該模式下的電流路徑如圖2d所示。此時(shí)A相的電壓和電流表示為

式中，L為發(fā)電時(shí)流過負(fù)載的直流電流。

圖3 改進(jìn)型他勵(lì)變換器典型相電壓和電流曲線

2 與傳統(tǒng)他勵(lì)變換器的性能仿真對比分析

為了驗(yàn)證本文提出的改進(jìn)型他勵(lì)變換器的可行性和有效性，本節(jié)以一臺三相SRG為研究對象，基于改進(jìn)型變換器和常規(guī)他勵(lì)變換器對SRG的發(fā)電性能進(jìn)行對比分析，SRG樣機(jī)主要參數(shù)見表1。

圖4為基于改進(jìn)型他勵(lì)變換器和傳統(tǒng)變換器的發(fā)電建壓過程中的相電壓、相電流和輸出電壓波形。在本仿真中，SRG兩種變換器發(fā)電系統(tǒng)是在相同條件下運(yùn)行，激勵(lì)電壓為20V，負(fù)載電阻為60W，三相主開關(guān)（S1和S2、S3和S4、S5和S6）的開通和關(guān)斷角分別為11°和33°，輔助開關(guān)的開通和關(guān)斷角為11°和14°，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000r/min?？梢钥闯?，兩種系統(tǒng)都能迅速建壓，所提出的改進(jìn)型變換器的輸出電壓上升到98V的穩(wěn)定狀態(tài)，而在常規(guī)轉(zhuǎn)換器中僅上升到52V，提出的轉(zhuǎn)換器的相電壓和電流也比常規(guī)轉(zhuǎn)換器的相電壓和電流高得多。圖5為兩種變換器達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的發(fā)電波形，可以看出，改進(jìn)型變換器的相電壓在激勵(lì)階段具有兩個(gè)電壓跳變，一個(gè)位于高壓勵(lì)磁區(qū)域（模式2），其中主開關(guān)和輔助開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，另一個(gè)位于模式3的兩相重疊區(qū)域中，主開關(guān)和輔助開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。在負(fù)高壓退磁階段（模式4）中，所提出的改進(jìn)型變換器的相電壓比常規(guī)轉(zhuǎn)換器的相電壓高得多。

表1 SRG樣機(jī)主要參數(shù)

Tab.1 Main parameters of SRG prototype

圖4 兩種變換器的發(fā)電建壓過程

圖5 兩種變換器的發(fā)電穩(wěn)態(tài)仿真波形

圖6給出了改進(jìn)型變換器在1 200r/min、1 510r/min速度下的穩(wěn)態(tài)發(fā)電波形。在此仿真中，其他條件和圖5相同，可以看出，產(chǎn)生的發(fā)電電壓隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而降低，發(fā)電電壓分別為81V和63V。

3 輔助開關(guān)導(dǎo)通角及輔助電容對發(fā)電性能影響分析

導(dǎo)通角是SRG發(fā)電系統(tǒng)中的重要控制參數(shù)，對于所提出的變換器，由于附加電路，其控制策略與常規(guī)變換器不同，不僅需要控制主開關(guān)的開通和關(guān)斷角度，還需要控制輔助開關(guān)Sb的開通和關(guān)斷角度。為了研究輔助開關(guān)導(dǎo)通角對發(fā)電機(jī)性能的影響，本文選擇了兩個(gè)可變的控制參數(shù)作為研究對象考察對發(fā)電性能的影響：一個(gè)是主開關(guān)的關(guān)斷角，稱為off；另一個(gè)是輔助開關(guān)Sb的關(guān)斷角，稱為off_Sb。另外，輔助電容b和負(fù)載穩(wěn)壓電容d的大小對電機(jī)發(fā)電性能也會有影響。

圖7給出了不同的關(guān)斷角度off和off_Sb對發(fā)電電壓和功率的影響曲線。在本文中，主開關(guān)的開通角設(shè)置為11°，關(guān)斷角從31°～35°；輔助開關(guān)Sb的開通角也固定為11°，關(guān)斷角為12°～14°；轉(zhuǎn)速為1 000r/min，輔助電容器的激勵(lì)電壓為20V，負(fù)載電阻為60W?？梢钥闯觯?dāng)主開關(guān)關(guān)斷角off一定時(shí)，隨著輔助開關(guān)關(guān)斷角off_Sb的增大，輸出電壓和輸出功率逐漸增大。當(dāng)輔助開關(guān)關(guān)斷角off一定時(shí)，隨著主開關(guān)關(guān)斷角off的增大，輸出電壓和輸出功率也逐漸增大。但是，當(dāng)off_Sb14°時(shí)，輸出電壓和功率均在off=33°處達(dá)到最大值，接近額定電壓100V。這意味著在此條件下，達(dá)到了相對最高的輸出電壓和功率，因此，在實(shí)際系統(tǒng)中確定off=33°和off_Sb=14°是一個(gè)相對最優(yōu)的關(guān)斷角選擇。

從圖1所示的改進(jìn)型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來看，有兩個(gè)電容：一個(gè)是負(fù)載穩(wěn)壓電容d；另一個(gè)是輔助電路中的輔助電容b。其中，負(fù)載電容d主要用于保持輸出電壓穩(wěn)定和降低紋波，通常是一個(gè)比較大的電解電容器。圖8a給出了改進(jìn)型變換器不同輔助電容值b時(shí)的發(fā)電電壓建壓過程。仿真中，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000r/min，勵(lì)磁電壓和負(fù)載電阻同上?？梢钥闯?，不同的輔助電容b對輸出電壓的上升時(shí)間沒有顯著影響，穩(wěn)態(tài)電壓紋波也基本相同，輔助電容對其產(chǎn)生過程和輸出電壓的穩(wěn)態(tài)值影響不大。因此，可以在實(shí)際系統(tǒng)中選擇一個(gè)小的輔助電容，以減小變換器的體積和成本。相應(yīng)地，圖8b顯示了在不同負(fù)載電容值d的情況下，變換器輸出電壓的建立過程?？梢钥闯觯S著d電容的增大，輸出電壓的上升時(shí)間越來越長，但穩(wěn)態(tài)電壓的紋波變小，當(dāng)d的電容值大于680mF時(shí)，電壓紋波最小。經(jīng)過以上分析，選擇母線負(fù)載電容器d和輔助電容器b分別為680mF和68mF。

圖8 不同電容對改進(jìn)型變換器發(fā)電性能的影響

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提出的改進(jìn)型他勵(lì)變換器的有效性，搭建了如圖9所示的SRG系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，主要包括原動機(jī)直流電機(jī)、改進(jìn)型他勵(lì)變換器、dSPACE 1104、直流勵(lì)磁電源、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、SRG樣機(jī)和負(fù)載電阻等，其中負(fù)載電容和輔助電容均為標(biāo)準(zhǔn)電解電容器，其電容值為680mF和68mF。實(shí)驗(yàn)電機(jī)和仿真所用電機(jī)為同一臺電機(jī)，主要參數(shù)見表1。在此基礎(chǔ)上，對兩種變換器的性能進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。

首先，測試并比較了基于兩種變換器的SRG發(fā)電建壓過程和穩(wěn)態(tài)波形。圖10為采用常規(guī)變換器和改進(jìn)型變換器的發(fā)電建壓過程中的相電壓、電流和發(fā)電電壓的實(shí)驗(yàn)波形。圖11為兩種系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的實(shí)驗(yàn)波形。在以上對比實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)條件和第2節(jié)的仿真條件一致，激勵(lì)電壓均為20V，負(fù)載電阻為60W，主開關(guān)的開通和關(guān)斷角分別為11°和33°，輔助開關(guān)的開通和關(guān)斷角分別為11°和14°，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由直流電動機(jī)控制，保持為1 000r/min。可以看出，在兩種變換器驅(qū)動下SRG的穩(wěn)態(tài)發(fā)電電壓分別為53.5V和100V，無論是建壓過程還是穩(wěn)態(tài)發(fā)電波形（相電壓、相電流以及輸出電壓），實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果都吻合較好，驗(yàn)證了理論分析和仿真的正確性。

圖9 SRG系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺

圖10 基于兩種變換器的發(fā)電建壓過程（n=1 000r/min）

圖11 兩種變換器的發(fā)電穩(wěn)態(tài)波形（n=1 000r/min）

圖12和圖13分別是轉(zhuǎn)速為1 200r/min和1 510r/min時(shí)，基于兩種變換器的SRG系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)發(fā)電波形。可以看出，在1 200r/min轉(zhuǎn)速下，兩種變換器發(fā)電穩(wěn)態(tài)電壓分別為50.2V和81.5V；在1 510r/min轉(zhuǎn)速下，兩種變換器發(fā)電穩(wěn)態(tài)電壓分別為46.5V和64.3V。基于改進(jìn)型變換器的輸出電壓得到了大大提高，通過與圖6的仿真相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果（相電壓、相電流以及輸出電壓）吻合較好，再次驗(yàn)證了理論分析和仿真的正確性。

圖13 兩種變換器的發(fā)電穩(wěn)態(tài)波形（n=1 510r/min）

為了驗(yàn)證所提出的改進(jìn)型變換器在一定速度范圍內(nèi)對SRG發(fā)電性能的提升，對兩種變換器的發(fā)電電壓、功率特性進(jìn)行了測試，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1 000～1 510r/min，實(shí)測與仿真對比結(jié)果如圖14所示。在該比較中，兩種變換器的實(shí)驗(yàn)條件保持不變。從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在一定速度范圍內(nèi)，所提出的改進(jìn)型變換器的輸出電壓和功率比常規(guī)變換器的輸出電壓和功率高得多，兩種變換器的仿真結(jié)果也接近于實(shí)測數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證了理論分析和仿真分析的正確性。

圖14 兩種變換器發(fā)電電壓和功率的實(shí)測與仿真對比

此外，對兩種變換器的SRG系統(tǒng)效率進(jìn)行了測量，系統(tǒng)效率為

式中，Pm、Pe和Pout為機(jī)械輸入功率、勵(lì)磁功率和輸出功率；ud為發(fā)電電壓；R為負(fù)載電阻；T為原動機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩；n為轉(zhuǎn)速；ve和Ie分別為勵(lì)磁電壓和電流。實(shí)測系統(tǒng)效率曲線如圖15所示，可以看出，所提出的變換器的系統(tǒng)效率比常規(guī)變換器略低，兩者在較寬速度范圍內(nèi)接近80%。改進(jìn)型變換器效率偏低的原因包括以下兩方面：①開關(guān)損耗增加。改進(jìn)型變換器比普通的變換器多了一個(gè)開關(guān)和二極管，必然增加一部分開關(guān)損耗和二極管的導(dǎo)通與截止損耗。②電機(jī)的非線性與局部飽和。開關(guān)磁阻電機(jī)磁路具有強(qiáng)烈的非線性和局部飽和特征，采用改進(jìn)型變換器后，電機(jī)的電流增大，引起電機(jī)局部的飽和，電機(jī)的電流變化是非線性的，造成電機(jī)的輸出功率等也是非線性變化的。

5 結(jié)論

為了提高SRG的發(fā)電性能，本文提出一種用于SRG的改進(jìn)型他勵(lì)變換器，通過增加一個(gè)輔助電路，控制輔助電路中的開關(guān)器件，可以提高勵(lì)磁電壓和退磁電壓，加速勵(lì)磁和去磁過程，提高發(fā)電電壓。通過和常規(guī)變換器的發(fā)電性能對比，表明所提出的改進(jìn)型變換器具有發(fā)電電壓更高、功率更大等優(yōu)點(diǎn)，還研究了發(fā)電時(shí)主開關(guān)與輔助開關(guān)的導(dǎo)通角、輔助電容與負(fù)載電容大小對發(fā)電系統(tǒng)性能的影響。搭建了基于dSPACE的SRG系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，對改進(jìn)型變換器和常規(guī)變換器系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性和所提改進(jìn)型他勵(lì)變換器的有效性。

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An Improved Separately Excited Converter for Improving the Performance of Switched Reluctance Generator System

（School of Electrical Engineering Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

In order to improve the output performance of switched reluctance generator (SRG) system, an improved separately-excited converter for SRG is proposed in this paper to improve the output voltage and power in DC power generation application. An auxiliary circuit is inserted into the front end of the converter and integrated into the conventional asymmetrical bridge separately excited converter. By controlling the auxiliary switch in the auxiliary circuit, the excitation voltage and generation voltage can be increased, and the excitation and demagnetization process can be accelerated, thereby improving the power generation performance of SRG system. This paper analyzes the working mode of the improved separately excited converter, compares and simulates the different power generation performance of the improved converter and the conventional converter, and studies the influence of the conduction angle of the main switch and the auxiliary switch, the size of the auxiliary capacitance and the load capacitance on the performance of the power generation system. Finally, the power circuit of the improved converter is fabricated, and the experimental platform based on dSPACE is built. The simulation and experimental results show that the improved converter can significantly improve the generation voltage and power of the SRG system. The experimental results verify the correctness of the theoretical analysis and the effectiveness of the proposed improved separately excited converter.

Switched reluctance generator, improved separately excited converter, auxiliary circuit, power generation performance

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210047

TM315

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51777161）。

2021-01-12

2021-03-09

丁 文 男，1981年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)系統(tǒng)及其控制、無線電能傳輸。E-mail: wending@xjtu.edu.cn（通信作者）

陳 碩 男，1995年生，博士研究生，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸、電機(jī)系統(tǒng)控制。E-mail: ts17130047a3@cumt.edu.cn

（編輯 崔文靜）