基于ansoft的單相開關(guān)磁阻發(fā)電機系統(tǒng)仿真與試驗
晏桂林1， 丁文2
(1湖南省電力公司試驗研究院高壓所，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(src)的系統(tǒng)仿真模型，對單相srg的靜態(tài)和動態(tài)基本特性進行了仿真研究，仿真結(jié)果可以用于指某種新型電機及其控制系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了單相src硬件試驗系統(tǒng)，試驗結(jié)果驗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；ansoft仿真；控制策略
中圖分類號：tm 352,tm 31 文獻標志碼：a文章編號：1673-6540(2010)07-0011-05
0 引 言
開關(guān)磁阻發(fā)電機( src)作為一種新型結(jié)構(gòu)的電機，在不改變控制器和電機本體只需要政變控制策略的情況下就可以在四象限運行，非常靈活。但從整個研究方向和力度來看，開關(guān)磁阻電機(srm)自20世紀70年代問世以來，多集中于研究開發(fā)調(diào)速電動機，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)電機運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)電機還具有很強的發(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，實現(xiàn)優(yōu)化充電。
ansoft公司的maxwell 2d是一個功能強大、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)的仿真研究并進行了試驗分析。
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，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個繞組拓撲結(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。
磁阻電機的轉(zhuǎn)子由原動機拖動旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)子位置傳感器實現(xiàn)位置閉環(huán)，控制電機實現(xiàn)勵磁和發(fā)電續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換。主開關(guān)導(dǎo)通時，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，并向負載或蓄電池回饋電能。磁阻電機的凸極效應(yīng)使相繞組成為有源線圈傳遞能量，實現(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)確定電機結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，畫出電機模型；
(3)確定電機材料屬性；
(4)確定有限元計算的邊界條件和外加激勵源：
(5)確定計算過程中是否考慮各種損耗；
(6)確定動態(tài)參量，包括運動邊界、外加載荷、時間步長等。
1.2功率變換器模型
功率變換器承擔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)，實現(xiàn)對負載的可靠供電。
1.3驅(qū)動電路模型
src系統(tǒng)的運行依賴于轉(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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