提高開關(guān)磁阻發(fā)電機輸出功率的措施
鄧秋玲1，黃守道2，肖鋒1
(1湖南工程學(xué)院，湖南湘潭41110I；2.湖南大學(xué)，湖南長沙410082)
摘要：根據(jù)開關(guān)磁阻發(fā)電機(SRG)的發(fā)電原理，介紹了提高SRG輸出功率的兩種方法，重點介紹了一種新的開關(guān)策略，并對SRG在各種可能的開關(guān)角下進行了仿真。仿真結(jié)果表明：采用新的開關(guān)策略，適當(dāng)選擇開關(guān)角可以提高SRG的輸出功率。
關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻發(fā)電機；開關(guān)策略；輸出功率
中圖分類號：TM352 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)04-0009-03
O引 言
根據(jù)陸地、海洋以及航空中對用電需要的日益增加，研制高效、故障容錯和高密度發(fā)電機組已成為主要的目標(biāo)。由于開關(guān)磁阻發(fā)電機(以下簡稱SRG)采用了新穎的發(fā)電原理和靈活的控制方式，具有常規(guī)發(fā)電機所不具有的獨特優(yōu)勢，如發(fā)電品質(zhì)好、系統(tǒng)堅固、功率密度高、制造成本低等優(yōu)點。同時，由于它不采用永磁材料，在結(jié)構(gòu)上沒有易產(chǎn)生故障的轉(zhuǎn)子繞組，其熱損耗大部分集中在定子上，易于冷卻，適合在惡劣的環(huán)境下工作。因此，無論在民用還是航空領(lǐng)域，開關(guān)磁阻發(fā)電機都具有較高的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
研究發(fā)電機控制策略的主要目標(biāo)之一是提高發(fā)電機組的功率密度，增加發(fā)出的電功率與勵磁功率的比值，是增大SRG產(chǎn)率的一個措施，除了能降低直流側(cè)電容器的體積外，重要的是它能緩和直流側(cè)的電流脈動。
1開關(guān)磁阻發(fā)電機的工作原理
SRG驅(qū)動變換器應(yīng)能在一個周期內(nèi)完成為相繞組勵磁，回饋電功率，使繞組退磁。為實現(xiàn)這個目的，傳統(tǒng)的變換器電路結(jié)構(gòu)為半橋逆變器，一相電路圖如圖l所示。
SRG一相電壓方程為：
式中：Uj、ij，分別為j相電壓和，相電流，Rj，為j相繞組電阻，Ψj表示由電流ij產(chǎn)生的j相磁鏈，t是時間。由于結(jié)構(gòu)的雙凸極性和鐵心的磁飽和，相電感Lj是電流和位置的函數(shù)。假定相間無磁的耦合，根據(jù)磁鏈的定義可得到：
1．1 SRG能量轉(zhuǎn)換過程
典型的發(fā)電運行控制及相電流波形如圖2所示。定子齒極軸線與轉(zhuǎn)子槽軸線重合時θ=0，此時相電感最小；定子齒極軸線與轉(zhuǎn)子齒極軸線重合時θ=θm，此時相電感****。主開關(guān)的開通角和關(guān)斷角分別為θon和θoff。
從圖2可以看出，相電流可分為兩個階段：θon～θoff為第一階段，電源經(jīng)過主開關(guān)對繞組供電，電機吸收電能，稱為“勵磁階段”。根據(jù)圖l，可以導(dǎo)出這一階段的電流狀態(tài)方程：
勵磁階段電流從零開始增加，在θoff處相電流為ic。θoff～θc為第二階段，主開關(guān)s1、s2都關(guān)斷。此為續(xù)流發(fā)電階段，電流循續(xù)流二極管向電源回饋，此階段的電流狀態(tài)方程為：
1．2開關(guān)磁阻發(fā)電機的發(fā)電條件
根據(jù)式(5)可知：若運動電勢  那么相電流在i c的基礎(chǔ)上將繼續(xù)增大，而在一 之后開始下降。很顯然，SRG一相的輸出功率近似為發(fā)電功率和勵磁功率之差，當(dāng)ic較小時，磁場較弱，發(fā)電機輸出的電能比較小，甚至小于勵磁階段吸收的電能，系統(tǒng)無法發(fā)電。因此，充分加強勵磁，才是SRG有較大功率輸出的關(guān)鍵。為了進行更好的發(fā)電運行，****在發(fā)電區(qū)的開始θoff滿足以下條件：
勵磁電流ic越大，轉(zhuǎn)速越高，SRG的出力越大，發(fā)電運行的效率也越高。
2提高開關(guān)磁阻發(fā)電機輸出功率的措施
從以上分析可見，提高SRG發(fā)電輸出功率的關(guān)鍵是提高ic，增加運動電勢。提高ic的方法有：(1)增大導(dǎo)通時間，如在一定范圍內(nèi)減小θon或加大θoff。(2)提高勵磁電壓。分析表明：增大勵磁電壓對ic的提高有單調(diào)控制的作用。但是對于傳統(tǒng)的SRG拓撲結(jié)構(gòu)，續(xù)流電壓與勵磁電壓均由電壓源提供，給勵磁電壓的提高帶來一定困難，可以通過分離勵磁源與發(fā)電源的方法來實現(xiàn)對勵磁電壓的提高，但這樣做增加了主電路和控制的復(fù)雜性。下面提出一種新型的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示，使得SRG在同一個電源的系統(tǒng)中仍能實現(xiàn)強化勵磁的作用。
2．1新型主電路拓撲結(jié)構(gòu)
新型單相主電路拓撲結(jié)構(gòu)由主開關(guān)S1，s2和5個二極管D1～D5等元器件組成。從圖3中可以看出，在勵磁階段，開關(guān)管s1、s2導(dǎo)通，二極管D3、D5自然導(dǎo)通，D1、D2、D4阻斷，定子相對齒極上相繞組的線圈是并聯(lián)關(guān)系，每個齒極線圈上電流狀態(tài)方程由式(5)可得：
在發(fā)電(續(xù)流)階段，主開關(guān)s1、s2關(guān)斷，D3、D5阻斷，D1、D2、D4導(dǎo)通，定子徑向相對齒極上的線圈成為串聯(lián)關(guān)系，這個階段的電流狀態(tài)方程仍為式(4)，這樣勵磁階段的電壓是續(xù)流階段電壓的兩倍。
從式(7)可以看出，在薪型拓撲結(jié)構(gòu)下勵磁電流的增長率大于傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)勵磁電流的增長率，提高了ic值，加大了磁場儲能。
2．2開關(guān)策略
2．2．1新的開關(guān)策略
為了提高SRG的輸出功率，提出了一種新的開關(guān)策略。主電路圖如圖l所示。一旦進入電感下降部分，給定子相勵磁，通過接通兩個開關(guān)建立勵磁電流，開通瞬間選擇在對齊位置的附近。在這個區(qū)域，直流側(cè)電壓和運動反電動勢一起建立電流。需注意的是在高速運行時，為了有足夠的時間來建立勵磁電流，正如電動運行時要滿足高速運行也采用相繞組提前開通一樣，通常使相繞組的開通瞬間提前。
一旦勵磁電流達到其預(yù)期值，例如θoff1，一個開關(guān)將打開(圖1中的上管打開)，在由二極管和下面開關(guān)組成的短路回路里產(chǎn)生相電流。在這個區(qū)域，運動反電動勢將使電流進一步增加，既沒有從直流側(cè)汲取電流也沒有電流注入到直流側(cè)，部分轉(zhuǎn)換的機械能量將以硅損耗和銅損耗的形式消耗掉。直流側(cè)電壓沒有阻止電流的增加，因此，電流仍在增加。
一旦達到電流的第二個目標(biāo)值，例如θoff2，第二個晶體管打開，負的直流側(cè)電壓加在定子相上，這時，由轉(zhuǎn)子機械能轉(zhuǎn)換而來的電能回饋到直流側(cè)。由于相當(dāng)大反電動勢，電流繼續(xù)增加，因此進一步提高了運動反電動勢。這種趨勢一直持續(xù)到電感的坡度發(fā)生劇烈的變化，導(dǎo)致運動電動勢顯著減小。這時，負的直流側(cè)電壓將使相電流開始進入下降段。這個過程將很快清除各相繞組的剩余電流。必須注意的是：應(yīng)阻止相電流進入到電動運行區(qū)域，以避免SRG驅(qū)動系統(tǒng)的無效運行。通過對三個換向瞬間進行****選擇，能提高SRG的總輸出。
2．2．2新的控制方法與傳統(tǒng)控制方法下的輸出功率與勵磁功率之比
電感分布采用如圖4所示的理想線性模型。
(1)傳統(tǒng)控制法
忽略定子電阻的壓降，根據(jù)圖5可得到sRG關(guān)
斷時的磁鏈和勵磁電流：
一旦主開關(guān)斷開，發(fā)電過程開始，這個過程持續(xù)到相電流為零及相繞組中的剩余磁通全部清除。電流脈沖的持續(xù)時間可按下式計算：
K表示電感圖形的斜率，Lave(t1，t2)表示兩個連續(xù)時間內(nèi)電感的平均值。在分析SRG的性能時采用比值來衡量產(chǎn)率：
(2)新的控制策略
在上面的開關(guān)斷開期間n，相電流繼續(xù)增加，而電機中的磁鏈保持為常數(shù)，即：
下面將兩種方法得到的****電流值進行比較。值得注意的是：當(dāng)?shù)竭_電感最小區(qū)域時，電流急速線性下降，圖中θc是計算****電流的關(guān)鍵。
兩種開關(guān)策略下的****電流表達式：
Lu表示最小電感，在同樣的勵磁電流下，采用新的控制策略時****電流大于傳統(tǒng)控制方法中的****電流。
(3)仿真及仿真結(jié)果
為了證明新方案的可行性，在simulink環(huán)境下對SRG進行仿真。開關(guān)函數(shù)定義如下：
首先對傳統(tǒng)的開關(guān)策略進行仿真。為了滿足高速運行時勵磁的需要，在給相繞組勵磁時，時間稍微提前，讓θon=-3。，一旦勵磁電流達到期望值，如在θoff=10。時，斷開兩個開關(guān)管，電流則通過二極管流向直流側(cè)。在這個過程中產(chǎn)生的靜電功率可近似地用圖6中區(qū)域Ⅱ和區(qū)域I的面積之差表示。
然后，再對新的控制策略進行仿真。開通角和勵磁電流值與傳統(tǒng)的控制策略保持相同，即在θoff1=10。，斷開上面的開關(guān)，電流將在由二極管和下面開關(guān)組成的短路回路里流動。這個過程既沒有從電源吸取能量，也沒有能量回饋。如圖7中區(qū)域Ⅱ所示。在θoff2=15。，斷開下面的開關(guān)，這時，由轉(zhuǎn)子機械能轉(zhuǎn)換來的電能回饋到直流側(cè)。因此這個過程中產(chǎn)生的靜電功率可近似地用圖7中區(qū)域Ⅲ和區(qū)域I的面積之差表示。兩種情況下區(qū)域I的面積是相同的，可以看出：使用新的控制策略后，電流曲線下的區(qū)域Ⅲ的面積比區(qū)域Ⅱ的面積要大。使用慣性開關(guān)技術(shù)還有一個好處是電流脈動減小了。
為了使輸出電功率****，要正確選擇開關(guān)角θon、θoff1、θoff2。為此，對所有可能的θon、θoff1、θoff2進行仿真，在每種情況下計算出平均輸出功率，根據(jù)****輸出功率來決定****開關(guān)角。
3結(jié)語
提高SRG發(fā)電輸出功率的關(guān)鍵是提高ic，本文介紹的開關(guān)策略目的在于增大開關(guān)關(guān)斷時的相電流ic,提高發(fā)出的電功率與勵磁電功率的比值，從而降低直流側(cè)電流的脈動幅度。這也可以提高發(fā)電機組中SRG驅(qū)動的功率密度和效率。研究表明：適當(dāng)選擇開關(guān)角，采用新的開關(guān)策略可使輸出功率大大提高。
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