开关磁阻电机的发电运行及其数字仿真研究
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1 引言
开关磁阻电机SRM(Switched Reluctance Motor)技术从80年代以来取得了迅猛的发展。作为电动机，由其构成的调速系统——开关磁阻电动调速系统(SRD)的运行性能和经济指标比普通的交流调速系统好，具有很大的应用潜力。作为发电机，因为SRM结构简单、坚固、工作可靠的特点也得到越来越多的关注。美国将SRM用作航空涡轮发动机的启动电动机/发电机S/G(Starter/Generator)［1，2］，已经取得了一定的进展。S/G不仅为发动机提供启动转矩，也是航空器的主要发电电源。随着航空器电动执行机构的普及，其电负载也越来越大。这样就对发电机组的容量、体积、重量、可靠性等方面提出了越来越高的要求。SRM有几个特性决定了采用它作为航空器的S/G具有竞争力：SRM不采用永磁材料，可直接安装在发动机的轴上；SRM没有极易产生故障的转子绕组，大大降低了维护难度和成本；热损耗大部分在定子上，易于冷却；在宽广的转速范围内能维持一定的功率输出等。
本文首先从开关磁阻电机电动、发电运行性质对称的特点出发，分析了其发电机理。给出了开关磁阻发电机的系统原理框架，讨论了其闭环控制方式。并应用Matlab的Simulink仿真软件，建立了SRG的整体数字仿真模型，从而可以为开关磁阻发电机系统的设计提供依据。
2 SRM的发电运行分析
8/6极4相SRM结构原理如图1所示。为简化计，图中只画出一相绕组及其供电电路。与反应式步进电动机相似，SRM系双凸极可变磁阻电动机。其定子、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的2个绕组串联构成1个2极磁极，称为“一相”。由电机统一理论，SRM的电动运行和发电运行是对称的［3］。SRM的转矩由磁路选择最小磁阻结构的趋势而产生，由于磁路的非线性，通常SRM的转矩根据磁共能来计算，即式中θ为转子位置角；i为绕组电流。
显然，磁共能W′(θ，i)的改变既取决于转子位置，也决定于绕组电流的瞬时值。忽略磁路饱和与边缘效应，假定电感同电流无关。这时，一对定子极下电感随转子位置角的变化曲线如图2(a)所示。基于此简化线性模型，式(1)可以化简为式(2)，即矩，若有机械力矩维持电机转动，SRM即工作于发电模式。
图3为SRM电动、发电运行时相电流与电感变化曲线的位置关系图［4］。理论分析可以证明，若绕组电阻为零，SRM电动、发电运行时的相电流波形以定子、转子重合的中轴线完全左右镜像对应。实际电机即使有合理的铜损，这种对应也大致上成立。
3 SRG的系统组成与控制方式
3.1 系统组成
基本的SRG系统的电气原理图如图4所示［5］。假定发电机恒功率运行，功率变换器工作在方波模式。每个主开关在1个电周期中只开关1次，并且一相中的2个开关同时开通和关断。每相绕组中的电流波形如图3“发电状态”所示。转子位置在处于θexc区间时，电机从激励回路吸收能量，此时开关是闭合的；转子处于θgen区间时，电机通过续流二极管向负载回路输送能量，此时开关是断开的。电机通过续流二极管输送的能量远远超过开关闭合时从激励回路吸收的能量，这2者之差就是发电机产生的电能。
SRG的物理系统一般如图5所示，由以下几个部分组成，分别为：开关磁阻电机、功率变换器、控制器、外加激励电源、负载和传感器等。
3.2 控制方式
控制器的控制目标是高效率地产生输出电流以维持额定的输出电压。发动机转速是变化的，负载也可能发生变化，控制算法应该在速度和负载的一定变化范围内，维持输出电压在可接受的值域。在SRM的发电运行模式，即使2个功率开关都断开，电磁感应反电势也可能使相电流超越额定的上限值。仿真试验表明：只使用角度控制，输出电流对开通和关断角很小的变化也很敏感，这会导致输出电压控制性能很差。固定开、关角，把SRM和功率变换器看作电流源，采用电流控制调整输出电流是一种简单而有效的方?
āＭ?是这种控制方案的系统简化图，控制电流Icom是输出电压误差的比例加积分(PI)。闭合2个功率开关，相绕组中开始产生电流。当定子和转子凸极从中心完全重合的状态逐渐分离时，电磁感应反电势和激励电压方向相同，相电流增大。若相电流到达Icom，2个功率开关都关断，电磁感应反电势和负载电压方向相反，发电机向负载提供电功率。如果相电流变小，2个功率开关重新闭合，使相电流增加到控制电流Icom。一旦定子和转子极之间不再有重叠，磁阻不再发生变化，电磁感应反电势为零，相电流也迅速减小到零。
4 仿真试验
Simulink是Mathworks公司基于框图的系统仿真工具软件，利用它来做开关磁阻发电机的数字仿真，开发周期短、手段灵活，构建的系统功能强并且开放性好，修改起来也很方便。
仿真系统的主要参数为：6/4极三相SRM；转速15 000 r/min；正常发电功率为60 kW；输出电压为270 V。仿真试验采用图5所示的系统结构。其Simulink图(图7)与物理系统结构大致对应，其中ICU模块对应功率变换器，控制器采用第3节所述的电流PI控制方案。
由图8可以看出，系统的输出电压在一个短暂的暂态过程以后，其稳态输出值正是控制目标：270V直流，验证了系统设计和控制方案的选取是有效的。图9(a)、(b)分别为SRM一相的电压和电流波形。从电流波形可以看出：开关磁阻电机发电运行时的相电流没有斩波，主开关管在1个周期里只开关1次，其波形和图3所作的分析是一致的。
5 几个问题的讨论
5.1 功率变换器开关器件的选用
SRG功率变换器主开关器件的选择与电机的功率等级、供电电压、峰值电流、成本等有关。还与主开关器件本身的开关速度、触发难易程度、开关损耗、抗冲击性、耐用性等有关。SRG的工作速度一般是很高的，这决定了功率变换器主开关的工作频率也很高。IGBT、MCT的开关频率很高，可是他们承受反向电压的能力很差，晶闸管的情况则刚好相反。一个解决方法是把二极管和MCT串联起来做成1个类似晶闸管的装置，让二极管承受反向电压，MCT则提供这种复合开关的可控性。
5.2 SRG的效率
SRG的效率与很多因素有关，但主要取决于电机转速与负载的大小。当电机转速不变时，SRM的摩擦和风阻损耗不变，功率越大越有利于效率的提高；功率变大，电流也变大，功率变换器开关和阻抗损耗增加，SRM的铁损也增加，效率随之降低。但SRG的整体效率因为此消彼长，大致维持1个恒定的水准。若负载恒定，转动速度增加，功率变换器开关部件的工作频率增大，损耗增加，效率降低；同时，SRM因为摩擦和风阻损耗增加，效率也降低。仿真试验可以验证，SRG的效率在负载恒定时，随着转速的增加而减小。
5.3 系统稳定性
如果采用固定开通、关断角的电流控制方式，对于1个给定的输出电压，输出功率和平均输出电流也确定了。这时如果有扰动使输出电压有1个正向增量，因为电压上升，开关闭合时相电流绕组中的电流也增大，开关断开时产生的电流也会随之增大。发电电流的增大进一步使电压上升，导致系统的不稳定。角度控制和电流控制相结合有可能对系统的稳定性有改善，这种控制方案正在进行进一步的研究。
6 结论
开关磁阻发电机具有诸多传统发电机系统所不具有的特点。本文针对这种特殊性着重讨论了其发电运行机理、系统组成和控制方式，并通过仿真试验验证了1个实际的SRG系统。开关磁阻发电机的应用正处于方兴未艾的阶段，随着研究的进一步深入，系统设计技术的进一步成熟，SRG会得到越来越多的应用。
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