基于ansoft的單相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)
晏桂林1， 丁文2
(1湖南省電力公司試驗(yàn)研究院高壓所，湖南長沙41 50002西安交通大學(xué)，陜西西安710049)
摘要：基于ansoft/maxwell 2d的仿真環(huán)境，建立了8/8極單相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(src)的系統(tǒng)仿真模型，對單相srg的靜態(tài)和動態(tài)基本特性進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果可以用于指某種新型電機(jī)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了單相src硬件試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析的正確性。
關(guān)鍵詞：單相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)；ansoft仿真；控制策略
中圖分類號：tm 352,tm 31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a文章編號：1673-6540(2010)07-0011-05
0 引 言
開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)( src)作為一種新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)，在不改變控制器和電機(jī)本體只需要政變控制策略的情況下就可以在四象限運(yùn)行，非常靈活。但從整個研究方向和力度來看，開關(guān)磁阻電機(jī)(srm)自20世紀(jì)70年代問世以來，多集中于研究開發(fā)調(diào)速電動機(jī)，極少涉及發(fā)電方面的研究，而單相srg的研究則更少。單相src作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行具有自身的許多優(yōu)勢：
(1)結(jié)構(gòu)簡單可靠，適用于寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的發(fā)電系統(tǒng)，單相多極發(fā)電機(jī)還具有很強(qiáng)的發(fā)電容錯能力；
(2)控制器簡單，主電路只需要一組功率開關(guān)管和二極管，有利于降低發(fā)電系統(tǒng)成本，簡化控制算法；
(3)對于帶蓄電池的離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)，單相src輸出的脈動電流有利于消除蓄電池的電化學(xué)極化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化充電。
ansoft公司的maxwell 2d是一個功能強(qiáng)大、結(jié)果精確、易于使用的二維電磁場有限元分析軟件。本文采用maxwell 2d軟件建立單相srm、功率變換器和驅(qū)動電路模型，完成了單相srm驅(qū)動系統(tǒng)的仿真研究并進(jìn)行了試驗(yàn)分析。
1ansoft二維瞬態(tài)場仿真模型的建立
1_1單相srg工作原理及仿真模型
單相src是一種雙凸極結(jié)構(gòu)的磁阻電機(jī)，定子上有集中繞組，轉(zhuǎn)子既無繞組又無永磁體。圖1為典型的單相8/8極srg殺統(tǒng)，圖中8個繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用全部并聯(lián)的形式，繞組中電流方向如箭頭所示。
磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子由原動機(jī)拖動旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)子位置傳感器實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)，控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)勵磁和發(fā)電續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換。主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，相繞組就形成電流，之后關(guān)斷主開關(guān)，由于繞組中電流不會立即消失，電感儲能將繼續(xù)循續(xù)流二極管流通，并向負(fù)載或蓄電池回饋電能。磁阻電機(jī)的凸極效應(yīng)使相繞組成為有源線圈傳遞能量，實(shí)現(xiàn)發(fā)電狀態(tài)工作。表1給出了仿真對象的主要參數(shù)。
利用ansoft軟件中的maxwell 2d模塊建立單相srg的二維有限元模型，建模過程如下：
(1)選擇求解平面；
(2)確定電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，畫出電機(jī)模型；
(3)確定電機(jī)材料屬性；
(4)確定有限元計(jì)算的邊界條件和外加激勵源：
(5)確定計(jì)算過程中是否考慮各種損耗；
(6)確定動態(tài)參量，包括運(yùn)動邊界、外加載荷、時(shí)間步長等。
1.2功率變換器模型
功率變換器承擔(dān)著勵磁功率輸入與發(fā)電功率輸出的雙熏任務(wù)，maxwell 2d中的功率變換器模型如圖2所示。其中s1、s2為電壓控制型開關(guān)，其開通、關(guān)斷由控制電路決定；w、w2為電流控制型開關(guān)，其目的是為了實(shí)現(xiàn)電流斬波控制算法，將同路電流控制在可預(yù)見的范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的可靠供電。
1.3驅(qū)動電路模型
src系統(tǒng)的運(yùn)行依賴于轉(zhuǎn)子的位置信號，從而為功率開關(guān)提供正確的開通、關(guān)斷信號。由于anosft帶有位置變量p，可以利用變量p得到轉(zhuǎn)子運(yùn)行的位置。利用maxwell 2d提供的電路元件建立簡單的驅(qū)動電路模型，如圖3所示。
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