劉烈焜+易靈芝+徐斌+羅百敏+朱廣輝+吳煒楠

收稿日期：2013-06-17

基金項目：國家能源局項目（JG2011A012）；湖南省自科基金項目（11JJ8004）

作者簡介：劉烈焜（1986—），男，湖南郴州人，碩士研究生，研究方向：開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

通訊聯(lián)系人，E-mail：450337856@qq.com

文章編號：1003-6199（2014）03-0047-05

摘 要：基于Ansoft/RMxprt 和 Maxwell的仿真環(huán)境，建立開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)仿真模型，采用有限元分析，研究其靜態(tài)和動態(tài)特性； 研究旋轉(zhuǎn)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計方法，指導(dǎo)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。采用低速段電流斬波控制，得到最佳開通角、關(guān)斷角、轉(zhuǎn)速、和電流滯環(huán)控制寬度等參數(shù)，指導(dǎo)樣機(jī)發(fā)電實(shí)驗，增加發(fā)電輸出功率，提高SRG發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)；電流斬波控制；有限元分析；旋轉(zhuǎn)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Study of Low Velocity Current Chopping

Control for SRG Based on RMxprt Maxwell

LIU Lie-Kun1，YI Ling-zhi1，XU Bing1， LUO Bai-mi2，ZHU Guang-hui2，WU Wei-nan1

（1. Key Laboratory of Intelligent Computing & Information Processing， Ministry of Education，Xiangtan，Hunan 411105，China；

2.Xiangtan electric drawing equipment research laboratory Co Ltd，Xiangtan， Hunan 411101，China）

Abstract：The module of 8/6 phase switched reluctance generator was built under Ansoft / RMxprt and Maxwell. The basic static performance and dynamic performance of SRG were analyzed based on the model by finite element analysis； The results of optimization design of rotating electrical machines can be available used to design and optimize the new type machine and its control system. In low velocity， a new type current chopping controller is adopted， the control parameters can be got， such as θon， θoff， velocity and current chop control width， so the prototype machine can be achieved， and the output power can be enlarge， and the stability of SRG power system can be increased.

Key words：SRG； Current Chopping Control （CCC）； Finite Element Analysis（FEA）；optimization design of rotating electrical machines

1 引 言

作為一種新型特種電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、啟動電流小、啟動力矩大、成本低、調(diào)速性能好、效率較高、可靠性較好，只需改變勵磁時間即可在四象限內(nèi)工作，頻繁切換于電動/發(fā)電狀態(tài)[1]。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（Switched Reluctance Generator，SRG）的變速運(yùn)行范圍寬，低速性能好，輸出為直流電，易于實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用背景。

Ansoft12是一款強(qiáng)大的有限元分析軟件，其中旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計軟件包Rmxprt，包含許多電機(jī)模型。Maxwell是一種功能強(qiáng)大、結(jié)果準(zhǔn)確、易于使用電磁場有限元分析軟件，包括電場、靜磁場、渦流場、瞬態(tài)場和溫度場分析模塊，可以用來分析電機(jī)、變壓器、永磁設(shè)備等電磁裝置的動、靜態(tài)和瞬態(tài)特性[2，3]。

2 發(fā)電原理及控制

2.1 SRG發(fā)電原理

8/6相SRG的結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，在θ=θon（開通角）時刻主開關(guān)開始導(dǎo)通，在θ=θoff（關(guān)斷角）時刻主開關(guān)關(guān)斷。θon～θoff階段為繞組的勵磁階段， SRG從原動機(jī)吸收電能，繞組儲存能量；θ>θoff階段為繞組續(xù)流發(fā)電階段，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能向外輸出， SRG一相的發(fā)電功率為發(fā)電階段輸出功率和勵磁階段吸收功率之差。

2.2 CCC控制模式

SRG起動轉(zhuǎn)速較低，運(yùn)動電勢i（L/θ）ω較小， 所以對相電流影響也較小，這時-UC-i（L/θ）ω<0，感應(yīng)電勢ωL（L/θ）在低速時較大，使得相電流上升很快。為避免過大的電流脈沖峰值對功率變換器開關(guān)器件及繞組的沖擊，可以采用電流斬波控制方式，其控制方法是固定θon與θoff，讓相電流i與電流斬波上限ichop進(jìn)行比較，在電流導(dǎo)通的區(qū)間，即θon<θ<θoff期間時，若i

3 SRG有限元模型

本文采用8/6極雙凸極結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)，轉(zhuǎn)子無繞組和永磁體。原動機(jī)（模擬風(fēng)機(jī)和增速器）將SRG拖動到額定轉(zhuǎn)速，通過控制器來調(diào)節(jié)輸出電壓。

3.1 基于 Rmxprt的SRG仿真

首先，打開Ansoft軟件，進(jìn)入Rmxprt， 開始SRG設(shè)計[4]。定、轉(zhuǎn)子材料都是D23鋼，轉(zhuǎn)子軸心定義為空氣，繞組為銅，結(jié)構(gòu)、尺寸等基本參數(shù)見表1。

加載完這些參數(shù)，然后設(shè)置繞組參數(shù)、仿真計算參數(shù)，軟件就會自動生成開關(guān)磁阻電機(jī)模型，見圖1（b）-（e）。讓軟件對模型進(jìn)行檢測，然后運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)束后就可以查看仿真計算結(jié)果數(shù)據(jù)，如磁鏈圖、電流-轉(zhuǎn)速圖、效率-轉(zhuǎn)速圖等。

3.2 基于RMxprt的SRG參數(shù)優(yōu)化

在設(shè)計前期，發(fā)電機(jī)的幾何尺寸、繞組匝數(shù)、導(dǎo)通角度、線規(guī)等參數(shù)無法準(zhǔn)確給出，需要進(jìn)行反復(fù)計算和嘗試，RMxprt不僅具有最基本的設(shè)計計算功能外，還具有強(qiáng)大的參數(shù)分析與優(yōu)化設(shè)計功能。以SRG定子外徑單變量為例，使定子外徑從150mm～160mm變化，步長為1mm可得到SRG效率、磁鏈、輸出功率與定子外徑的關(guān)系（見圖2），可以看出，發(fā)電效率、磁鏈、輸出功率隨著定子外徑長度變化的結(jié)果，尋求在一定約束范圍內(nèi)最優(yōu)值，實(shí)現(xiàn)參數(shù)分析和優(yōu)化。

3.3 基于Maxwell的SRG有限元分析

將RMxprt軟件設(shè)計的電機(jī)模型導(dǎo)入 Maxwell，軟件已經(jīng)自動設(shè)置好求解器、模型平面、對象分組，建立了瞬態(tài)仿真模型[5]-[6]，由于8/6極的對稱性，為了節(jié)約計算時間，軟件只對電機(jī)的上半部分進(jìn)行分析， 2維、3維SRG模型和網(wǎng)格剖分別見圖3（a）、（b）。

3.4 網(wǎng)格剖分

通過網(wǎng)格剖分，Maxwell對SRG模型進(jìn)行離散化分析，把SRG分解成許多子區(qū)域， 基于求解邊界問題的原理，選取恰當(dāng)?shù)膰L試函數(shù)，簡化每一個單元的計算，再求其結(jié)果總和。采用三角形有限元表示整個計算區(qū)域，形成的SRG網(wǎng)格圖，離散化結(jié)果見圖3（c）。

3.5 運(yùn)動選項設(shè)置

針對電機(jī)旋轉(zhuǎn)時的磁場變化，采用SRG的瞬態(tài)電磁場分析，通過對其band面域進(jìn)行運(yùn)動設(shè)置，通過運(yùn)動的方向、旋轉(zhuǎn)的初始位置、初始轉(zhuǎn)速和外接負(fù)載所產(chǎn)生的力矩等參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)模型旋轉(zhuǎn)功能：發(fā)電機(jī)被原動機(jī)順時針拖動，旋轉(zhuǎn)初始位置為22.5°，忽略負(fù)載損耗。

3.6 外電路

功率變換器承擔(dān)著SRG的勵磁功率輸入和發(fā)電功率輸出的雙重任務(wù)。Maxwell可以自己定義外電路，設(shè)定控制回路構(gòu)成一個完整系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際要求，采用電壓、電流控制型開關(guān)，通過一個電壓（或電流）大小來控制開關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)勵磁， 并進(jìn)行低速段電流斬波控制，由電壓控制內(nèi)部開關(guān)模塊計算開關(guān)角、周期、初始位置，上下兩個對應(yīng)相的主開關(guān)是同時通/斷。電流控制型開關(guān)是由主電路電流的大小控制，便于實(shí)現(xiàn)電流斬波控制算法。

電源串聯(lián)的電流型控制開關(guān)是為了實(shí)現(xiàn)自勵，開關(guān)通過設(shè)置，可以在0.001秒的時刻關(guān)斷，勵磁電源脫離整個控制器。發(fā)電的時候開關(guān)斷開，繞組會通過續(xù)流二極管向負(fù)載供電或向電容充電，見圖4。

開關(guān)磁阻電機(jī)的位置速度檢測很重要，它是通過位置檢測，知道一個特定的時刻轉(zhuǎn)子的位置，發(fā)出觸發(fā)脈沖開通指定的功率變換器開關(guān)，維持電機(jī)運(yùn)行。Maxwell本身帶有位置變量P，通過上一步設(shè)置的初始位置，分析得出正確的換向信號，通過電壓型開關(guān)進(jìn)行位置設(shè)定，形成互為15°單向順序?qū)?，在合適的時間勵磁可以使得輸出的轉(zhuǎn)矩脈動最小。

當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，電流斬波控制（CCC）、角度位置控制（APC）、PWM控制適應(yīng)范圍各有不同。低速穩(wěn)態(tài)采用電流斬波控制。A相開通角為9°，關(guān)斷角為24°，額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，參考電流為6A，滯環(huán)電流寬度為0.5A；其余相均按相同方法設(shè)置有關(guān)參數(shù)。

4 仿 真

4.1 SRG靜態(tài)性能

在Maxwell模塊下，SRG靜態(tài)電磁特性和動態(tài)特性很容易分析出來[7]。靜態(tài)特性見圖5。

圖5 （a）為相電流特性波形，從圖中可以看出，電流斬波使得電流趨于平緩，有效地避免了電流的峰值。圖5 （b）為相電感特性波形，因為電流斬波控制的原因，使得本來是三角形的相電感波形呈現(xiàn)抖動性。圖5 （c）為反電勢特性波形，反電動勢是由于線圈受到磁場的影響而對原電動勢產(chǎn)生的一個相對抗的電動勢，其對相電流的變化有影響。圖5 （d）為系統(tǒng)輸出電壓波形，因為負(fù)載是純阻性負(fù)載，輸出電壓恒定。圖5 （e）為轉(zhuǎn)矩波形，在不同的開通角、關(guān)斷角勵磁情況下，轉(zhuǎn)矩波形不斷變化，本文選取的轉(zhuǎn)矩脈動是實(shí)驗中幾組數(shù)據(jù)中最優(yōu)設(shè)置得到的。

4.2 SRG的動態(tài)性能

保持發(fā)電機(jī)1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速不變，忽略一切機(jī)械損耗，然后設(shè)置轉(zhuǎn)子的初始位置、求解起始時間和終止時間、線性步長、場信息保存時間步長等一系列參數(shù)，然后求解得到電流斬波控制下電機(jī)動態(tài)性能圖， 從中截選了0.02秒和0.03秒時刻的電機(jī)內(nèi)部磁鏈和磁密云圖。

如圖6（a） 為0.02秒時發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁鏈圖，很清楚的看到D相磁鏈集中，此時導(dǎo)通的正是D相。圖6（b）為0.03秒時發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁鏈圖，此時磁鏈在A相集中。圖6（c）和圖6（d）分別是0.02秒和0.03秒時刻的磁密云圖，可以對應(yīng)圖6（a）和圖6（b），在相應(yīng)地時刻對應(yīng)相的飽和程度可以一目了然。

5 結(jié) 論

基于RMxprt Maxwell環(huán)境，建立8/6相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的仿真模型，完成對SRG系統(tǒng)的低速段電流斬波控制。仿真結(jié)果準(zhǔn)確的反映了SRG在低速段的磁場分布，為發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。電磁參數(shù)的分析為建立SRG的非線性模型體提供了電磁特性參數(shù)，為在其他環(huán)境（如MATLAB）下SRG建模提供依據(jù)[8]；電流和轉(zhuǎn)矩反映了SRG的基本性能，為在低速段選擇電流斬波控制模式的優(yōu)點(diǎn)，為如何選擇開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最優(yōu)的開通角和關(guān)斷角提供參考。

參考文獻(xiàn)

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3 SRG有限元模型

本文采用8/6極雙凸極結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)，轉(zhuǎn)子無繞組和永磁體。原動機(jī)（模擬風(fēng)機(jī)和增速器）將SRG拖動到額定轉(zhuǎn)速，通過控制器來調(diào)節(jié)輸出電壓。

3.1 基于 Rmxprt的SRG仿真

首先，打開Ansoft軟件，進(jìn)入Rmxprt， 開始SRG設(shè)計[4]。定、轉(zhuǎn)子材料都是D23鋼，轉(zhuǎn)子軸心定義為空氣，繞組為銅，結(jié)構(gòu)、尺寸等基本參數(shù)見表1。

加載完這些參數(shù)，然后設(shè)置繞組參數(shù)、仿真計算參數(shù)，軟件就會自動生成開關(guān)磁阻電機(jī)模型，見圖1（b）-（e）。讓軟件對模型進(jìn)行檢測，然后運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)束后就可以查看仿真計算結(jié)果數(shù)據(jù)，如磁鏈圖、電流-轉(zhuǎn)速圖、效率-轉(zhuǎn)速圖等。

3.2 基于RMxprt的SRG參數(shù)優(yōu)化

在設(shè)計前期，發(fā)電機(jī)的幾何尺寸、繞組匝數(shù)、導(dǎo)通角度、線規(guī)等參數(shù)無法準(zhǔn)確給出，需要進(jìn)行反復(fù)計算和嘗試，RMxprt不僅具有最基本的設(shè)計計算功能外，還具有強(qiáng)大的參數(shù)分析與優(yōu)化設(shè)計功能。以SRG定子外徑單變量為例，使定子外徑從150mm～160mm變化，步長為1mm可得到SRG效率、磁鏈、輸出功率與定子外徑的關(guān)系（見圖2），可以看出，發(fā)電效率、磁鏈、輸出功率隨著定子外徑長度變化的結(jié)果，尋求在一定約束范圍內(nèi)最優(yōu)值，實(shí)現(xiàn)參數(shù)分析和優(yōu)化。

3.3 基于Maxwell的SRG有限元分析

將RMxprt軟件設(shè)計的電機(jī)模型導(dǎo)入 Maxwell，軟件已經(jīng)自動設(shè)置好求解器、模型平面、對象分組，建立了瞬態(tài)仿真模型[5]-[6]，由于8/6極的對稱性，為了節(jié)約計算時間，軟件只對電機(jī)的上半部分進(jìn)行分析， 2維、3維SRG模型和網(wǎng)格剖分別見圖3（a）、（b）。

3.4 網(wǎng)格剖分

通過網(wǎng)格剖分，Maxwell對SRG模型進(jìn)行離散化分析，把SRG分解成許多子區(qū)域， 基于求解邊界問題的原理，選取恰當(dāng)?shù)膰L試函數(shù)，簡化每一個單元的計算，再求其結(jié)果總和。采用三角形有限元表示整個計算區(qū)域，形成的SRG網(wǎng)格圖，離散化結(jié)果見圖3（c）。

3.5 運(yùn)動選項設(shè)置

針對電機(jī)旋轉(zhuǎn)時的磁場變化，采用SRG的瞬態(tài)電磁場分析，通過對其band面域進(jìn)行運(yùn)動設(shè)置，通過運(yùn)動的方向、旋轉(zhuǎn)的初始位置、初始轉(zhuǎn)速和外接負(fù)載所產(chǎn)生的力矩等參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)模型旋轉(zhuǎn)功能：發(fā)電機(jī)被原動機(jī)順時針拖動，旋轉(zhuǎn)初始位置為22.5°，忽略負(fù)載損耗。

3.6 外電路

功率變換器承擔(dān)著SRG的勵磁功率輸入和發(fā)電功率輸出的雙重任務(wù)。Maxwell可以自己定義外電路，設(shè)定控制回路構(gòu)成一個完整系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際要求，采用電壓、電流控制型開關(guān)，通過一個電壓（或電流）大小來控制開關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)勵磁， 并進(jìn)行低速段電流斬波控制，由電壓控制內(nèi)部開關(guān)模塊計算開關(guān)角、周期、初始位置，上下兩個對應(yīng)相的主開關(guān)是同時通/斷。電流控制型開關(guān)是由主電路電流的大小控制，便于實(shí)現(xiàn)電流斬波控制算法。

電源串聯(lián)的電流型控制開關(guān)是為了實(shí)現(xiàn)自勵，開關(guān)通過設(shè)置，可以在0.001秒的時刻關(guān)斷，勵磁電源脫離整個控制器。發(fā)電的時候開關(guān)斷開，繞組會通過續(xù)流二極管向負(fù)載供電或向電容充電，見圖4。

開關(guān)磁阻電機(jī)的位置速度檢測很重要，它是通過位置檢測，知道一個特定的時刻轉(zhuǎn)子的位置，發(fā)出觸發(fā)脈沖開通指定的功率變換器開關(guān)，維持電機(jī)運(yùn)行。Maxwell本身帶有位置變量P，通過上一步設(shè)置的初始位置，分析得出正確的換向信號，通過電壓型開關(guān)進(jìn)行位置設(shè)定，形成互為15°單向順序?qū)?，在合適的時間勵磁可以使得輸出的轉(zhuǎn)矩脈動最小。

當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，電流斬波控制（CCC）、角度位置控制（APC）、PWM控制適應(yīng)范圍各有不同。低速穩(wěn)態(tài)采用電流斬波控制。A相開通角為9°，關(guān)斷角為24°，額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，參考電流為6A，滯環(huán)電流寬度為0.5A；其余相均按相同方法設(shè)置有關(guān)參數(shù)。

4 仿 真

4.1 SRG靜態(tài)性能

在Maxwell模塊下，SRG靜態(tài)電磁特性和動態(tài)特性很容易分析出來[7]。靜態(tài)特性見圖5。

圖5 （a）為相電流特性波形，從圖中可以看出，電流斬波使得電流趨于平緩，有效地避免了電流的峰值。圖5 （b）為相電感特性波形，因為電流斬波控制的原因，使得本來是三角形的相電感波形呈現(xiàn)抖動性。圖5 （c）為反電勢特性波形，反電動勢是由于線圈受到磁場的影響而對原電動勢產(chǎn)生的一個相對抗的電動勢，其對相電流的變化有影響。圖5 （d）為系統(tǒng)輸出電壓波形，因為負(fù)載是純阻性負(fù)載，輸出電壓恒定。圖5 （e）為轉(zhuǎn)矩波形，在不同的開通角、關(guān)斷角勵磁情況下，轉(zhuǎn)矩波形不斷變化，本文選取的轉(zhuǎn)矩脈動是實(shí)驗中幾組數(shù)據(jù)中最優(yōu)設(shè)置得到的。

4.2 SRG的動態(tài)性能

保持發(fā)電機(jī)1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速不變，忽略一切機(jī)械損耗，然后設(shè)置轉(zhuǎn)子的初始位置、求解起始時間和終止時間、線性步長、場信息保存時間步長等一系列參數(shù)，然后求解得到電流斬波控制下電機(jī)動態(tài)性能圖， 從中截選了0.02秒和0.03秒時刻的電機(jī)內(nèi)部磁鏈和磁密云圖。

如圖6（a） 為0.02秒時發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁鏈圖，很清楚的看到D相磁鏈集中，此時導(dǎo)通的正是D相。圖6（b）為0.03秒時發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁鏈圖，此時磁鏈在A相集中。圖6（c）和圖6（d）分別是0.02秒和0.03秒時刻的磁密云圖，可以對應(yīng)圖6（a）和圖6（b），在相應(yīng)地時刻對應(yīng)相的飽和程度可以一目了然。

5 結(jié) 論

基于RMxprt Maxwell環(huán)境，建立8/6相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的仿真模型，完成對SRG系統(tǒng)的低速段電流斬波控制。仿真結(jié)果準(zhǔn)確的反映了SRG在低速段的磁場分布，為發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。電磁參數(shù)的分析為建立SRG的非線性模型體提供了電磁特性參數(shù)，為在其他環(huán)境（如MATLAB）下SRG建模提供依據(jù)[8]；電流和轉(zhuǎn)矩反映了SRG的基本性能，為在低速段選擇電流斬波控制模式的優(yōu)點(diǎn)，為如何選擇開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最優(yōu)的開通角和關(guān)斷角提供參考。

參考文獻(xiàn)

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3 SRG有限元模型

本文采用8/6極雙凸極結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)，轉(zhuǎn)子無繞組和永磁體。原動機(jī)（模擬風(fēng)機(jī)和增速器）將SRG拖動到額定轉(zhuǎn)速，通過控制器來調(diào)節(jié)輸出電壓。

3.1 基于 Rmxprt的SRG仿真

首先，打開Ansoft軟件，進(jìn)入Rmxprt， 開始SRG設(shè)計[4]。定、轉(zhuǎn)子材料都是D23鋼，轉(zhuǎn)子軸心定義為空氣，繞組為銅，結(jié)構(gòu)、尺寸等基本參數(shù)見表1。

加載完這些參數(shù)，然后設(shè)置繞組參數(shù)、仿真計算參數(shù)，軟件就會自動生成開關(guān)磁阻電機(jī)模型，見圖1（b）-（e）。讓軟件對模型進(jìn)行檢測，然后運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)束后就可以查看仿真計算結(jié)果數(shù)據(jù)，如磁鏈圖、電流-轉(zhuǎn)速圖、效率-轉(zhuǎn)速圖等。

3.2 基于RMxprt的SRG參數(shù)優(yōu)化

在設(shè)計前期，發(fā)電機(jī)的幾何尺寸、繞組匝數(shù)、導(dǎo)通角度、線規(guī)等參數(shù)無法準(zhǔn)確給出，需要進(jìn)行反復(fù)計算和嘗試，RMxprt不僅具有最基本的設(shè)計計算功能外，還具有強(qiáng)大的參數(shù)分析與優(yōu)化設(shè)計功能。以SRG定子外徑單變量為例，使定子外徑從150mm～160mm變化，步長為1mm可得到SRG效率、磁鏈、輸出功率與定子外徑的關(guān)系（見圖2），可以看出，發(fā)電效率、磁鏈、輸出功率隨著定子外徑長度變化的結(jié)果，尋求在一定約束范圍內(nèi)最優(yōu)值，實(shí)現(xiàn)參數(shù)分析和優(yōu)化。

3.3 基于Maxwell的SRG有限元分析

將RMxprt軟件設(shè)計的電機(jī)模型導(dǎo)入 Maxwell，軟件已經(jīng)自動設(shè)置好求解器、模型平面、對象分組，建立了瞬態(tài)仿真模型[5]-[6]，由于8/6極的對稱性，為了節(jié)約計算時間，軟件只對電機(jī)的上半部分進(jìn)行分析， 2維、3維SRG模型和網(wǎng)格剖分別見圖3（a）、（b）。

3.4 網(wǎng)格剖分

通過網(wǎng)格剖分，Maxwell對SRG模型進(jìn)行離散化分析，把SRG分解成許多子區(qū)域， 基于求解邊界問題的原理，選取恰當(dāng)?shù)膰L試函數(shù)，簡化每一個單元的計算，再求其結(jié)果總和。采用三角形有限元表示整個計算區(qū)域，形成的SRG網(wǎng)格圖，離散化結(jié)果見圖3（c）。

3.5 運(yùn)動選項設(shè)置

針對電機(jī)旋轉(zhuǎn)時的磁場變化，采用SRG的瞬態(tài)電磁場分析，通過對其band面域進(jìn)行運(yùn)動設(shè)置，通過運(yùn)動的方向、旋轉(zhuǎn)的初始位置、初始轉(zhuǎn)速和外接負(fù)載所產(chǎn)生的力矩等參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)模型旋轉(zhuǎn)功能：發(fā)電機(jī)被原動機(jī)順時針拖動，旋轉(zhuǎn)初始位置為22.5°，忽略負(fù)載損耗。

3.6 外電路

功率變換器承擔(dān)著SRG的勵磁功率輸入和發(fā)電功率輸出的雙重任務(wù)。Maxwell可以自己定義外電路，設(shè)定控制回路構(gòu)成一個完整系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際要求，采用電壓、電流控制型開關(guān)，通過一個電壓（或電流）大小來控制開關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)勵磁， 并進(jìn)行低速段電流斬波控制，由電壓控制內(nèi)部開關(guān)模塊計算開關(guān)角、周期、初始位置，上下兩個對應(yīng)相的主開關(guān)是同時通/斷。電流控制型開關(guān)是由主電路電流的大小控制，便于實(shí)現(xiàn)電流斬波控制算法。

電源串聯(lián)的電流型控制開關(guān)是為了實(shí)現(xiàn)自勵，開關(guān)通過設(shè)置，可以在0.001秒的時刻關(guān)斷，勵磁電源脫離整個控制器。發(fā)電的時候開關(guān)斷開，繞組會通過續(xù)流二極管向負(fù)載供電或向電容充電，見圖4。

開關(guān)磁阻電機(jī)的位置速度檢測很重要，它是通過位置檢測，知道一個特定的時刻轉(zhuǎn)子的位置，發(fā)出觸發(fā)脈沖開通指定的功率變換器開關(guān)，維持電機(jī)運(yùn)行。Maxwell本身帶有位置變量P，通過上一步設(shè)置的初始位置，分析得出正確的換向信號，通過電壓型開關(guān)進(jìn)行位置設(shè)定，形成互為15°單向順序?qū)?，在合適的時間勵磁可以使得輸出的轉(zhuǎn)矩脈動最小。

當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，電流斬波控制（CCC）、角度位置控制（APC）、PWM控制適應(yīng)范圍各有不同。低速穩(wěn)態(tài)采用電流斬波控制。A相開通角為9°，關(guān)斷角為24°，額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，參考電流為6A，滯環(huán)電流寬度為0.5A；其余相均按相同方法設(shè)置有關(guān)參數(shù)。

4 仿 真

4.1 SRG靜態(tài)性能

在Maxwell模塊下，SRG靜態(tài)電磁特性和動態(tài)特性很容易分析出來[7]。靜態(tài)特性見圖5。

圖5 （a）為相電流特性波形，從圖中可以看出，電流斬波使得電流趨于平緩，有效地避免了電流的峰值。圖5 （b）為相電感特性波形，因為電流斬波控制的原因，使得本來是三角形的相電感波形呈現(xiàn)抖動性。圖5 （c）為反電勢特性波形，反電動勢是由于線圈受到磁場的影響而對原電動勢產(chǎn)生的一個相對抗的電動勢，其對相電流的變化有影響。圖5 （d）為系統(tǒng)輸出電壓波形，因為負(fù)載是純阻性負(fù)載，輸出電壓恒定。圖5 （e）為轉(zhuǎn)矩波形，在不同的開通角、關(guān)斷角勵磁情況下，轉(zhuǎn)矩波形不斷變化，本文選取的轉(zhuǎn)矩脈動是實(shí)驗中幾組數(shù)據(jù)中最優(yōu)設(shè)置得到的。

4.2 SRG的動態(tài)性能

保持發(fā)電機(jī)1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速不變，忽略一切機(jī)械損耗，然后設(shè)置轉(zhuǎn)子的初始位置、求解起始時間和終止時間、線性步長、場信息保存時間步長等一系列參數(shù)，然后求解得到電流斬波控制下電機(jī)動態(tài)性能圖， 從中截選了0.02秒和0.03秒時刻的電機(jī)內(nèi)部磁鏈和磁密云圖。

如圖6（a） 為0.02秒時發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁鏈圖，很清楚的看到D相磁鏈集中，此時導(dǎo)通的正是D相。圖6（b）為0.03秒時發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁鏈圖，此時磁鏈在A相集中。圖6（c）和圖6（d）分別是0.02秒和0.03秒時刻的磁密云圖，可以對應(yīng)圖6（a）和圖6（b），在相應(yīng)地時刻對應(yīng)相的飽和程度可以一目了然。

5 結(jié) 論

基于RMxprt Maxwell環(huán)境，建立8/6相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的仿真模型，完成對SRG系統(tǒng)的低速段電流斬波控制。仿真結(jié)果準(zhǔn)確的反映了SRG在低速段的磁場分布，為發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。電磁參數(shù)的分析為建立SRG的非線性模型體提供了電磁特性參數(shù)，為在其他環(huán)境（如MATLAB）下SRG建模提供依據(jù)[8]；電流和轉(zhuǎn)矩反映了SRG的基本性能，為在低速段選擇電流斬波控制模式的優(yōu)點(diǎn)，為如何選擇開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最優(yōu)的開通角和關(guān)斷角提供參考。

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