高速開關磁阻電機的變頻調速控制

何雅慧，韋忠朝

（華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430074）

高速開關磁阻電機的變頻調速控制

何雅慧，韋忠朝

（華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430074）

通過結合開關磁阻電機調速系統的兩種控制方式——電流斬波控制和角度位置控制，在Matlab／Simulink的環境下建立仿真模型，使得開關磁阻電機的轉速能在0～10000r／min的寬范圍內進行平滑調節。仿真結果表明，該仿真模型設計較為合理，對轉速的調節能夠達到預期效果。

開關磁阻電機寬范圍調速；電流斬波控制；角度位置控制

開關磁阻電機調速系統作為一種新型的調速系統，以其優良的調速性能日益受到人們的廣泛關注，成為當代電氣傳動發展的熱門話題之一［1］。它融新的電動機結構——開關磁阻電動機（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）與現代電力電子技術、控制技術為一體，兼有異步電動機變頻調速系統和直流電動機調速系統的優點［2］。近20年來，國內外對開關磁阻電機調速系統的發展給予了高度關注，目前已在很多領域中廣泛應用。為了使開關磁阻電機調速系統滿足不同的需求，電機的轉速必須能在較寬的轉速范圍內進行平滑調速。本文在Matlab／Simulink的環境下建立仿真模型，通過各個子模塊的配合作用，達到轉速在0～10 000r／min的范圍內平滑調節的目的。

1 開關磁阻電機調速系統的控制方式

1.1 電流斬波控制CCC

對于給定的SRM，在最高外施電壓Usmax、允許的最大磁鏈ψmax與最大電流ip條件下，存在一個臨界角速度wb，它是SRM能得到最大轉矩的最高角速度，這一臨界角速度稱為“基速”［3］。

SRM在低于基速下運行時，采用電流斬波控制。常見的電流斬波控制方式是保持開通角和關斷角不變，通過主開關器件的多次導通和關斷將電流限定在給定的上、下限值之間，并以此控制轉矩。典型的電流斬波方式的相電流波形見圖1［4］。

圖1 電流斬波波形圖

如圖1所示，當θ＝θon時，主開關器件接通，相電流i從零開始上升，當相電流上升到上限值iH時，開始斬波，即主開關器件關斷，相電流i下降；當相電流下降到下限值iL時，主開關器件重新導通，相電流i便開始上升。如此主開關器件反復通斷，使相電流控制在上限值iH和下限值iL之間，直到θ＝θoff時，主開關器件關斷，相電流i一直下降到零。

1.2 角度位置控制APC

當SRM在高于基速的速度范圍內運行時，采用角度位置控制。角度位置控制是指在加在繞組上的電壓一定的情況下，通過改變繞組上主開關的開通角和關斷角，來改變繞組的通電、斷電時刻，調節相電流的波形，實現轉速閉環控制。

角度位置控制有三種方式：保持開通角不變改變關斷角、保持關斷角不變改變開通角、同時改變開通角和關斷角。改變開通角，可以改變電流波形的寬度、峰值和有效值的大小，還可以改變電流波形與電感的相對位置，從而改變了電機的轉矩和轉速；而關斷角一般不影響電流的峰值，但可改變電流波形的寬度及其與電感曲線的相對位置，進而改變電流的有效值。在開關磁阻電機控制中一般采用固定關斷角，改變開通角的控制方法。

2 仿真模型的建立

調速系統的仿真模型見附錄I，本調速系統的基本思路為在0～5 000r／min的低轉速范圍內采用電流斬波控制（CCC），在5 000～10 000r／min的高轉速范圍內采用角度位置控制（APC）。為了使轉速的調節更加平滑有效，對轉速的分段進行了細化。經過反復試驗，本調速系統最終將轉速范圍分成六段：0～500r／min、500～1500r／min、1 500～3 500 r／min、3 500～5 000r／min、5 000～8 000r／min、8 000～10 000r／min。根據設定轉速值的大小，選擇不同的子模塊進行調節，結合每個子模塊不同的PI環節，使電機轉速穩定在設定值。

3 仿真模型的分析

當電機的轉速低于5 000r／min時，采用的是電流斬波控制方式。以轉速為0～500r／min的子模塊為例進行說明，如圖2所示。當設定的轉速值小于500r／min時，該模塊工作。在這一模塊中，給定固定的開通角和關斷角，通過電流斬波的方式達到轉速控制的目的。電流上限值是由轉速的差值經過一個PI環節來整定的，當轉速在設定轉速以下時，轉速的差值Δn為正，則PI環節輸出的是一個一直增大的電流上限值。PI輸出的最大值為200，即設定的最大電流上限值為200A。

圖2 調速范圍為0～500r／min的子模塊

若實際測得的電流沒有達到PI環節輸出的電流上限值，則在開通角和關斷角的范圍內，主開關器件一直導通，電壓加在繞組兩端，使得繞組中通過的相電流上升，電機轉速繼續增加，直到達到設定的轉速值；當電機轉速超過設定的轉速時，轉速的差值Δn為負，PI環節輸出的電流上限值減小，當實際測得的電流超過PI環節輸出的電流上限值時，主開關器件關斷，電流下降，迫使轉速降低；如此反復，電機的轉速就可在設定的轉速值附近波動，最終穩定在轉速設定值。轉速0～5 000r／min的其他子模塊均采用相同的原理，為了滿足不同轉速的調節需要，各個子模塊PI環節略有差異，使得超調量和調節時間在合理范圍內。當轉速大于5 000r／min時，采用角度位置控制方式，下面以5 000～8 000r／min的子模塊為例進行說明。

圖3 調速范圍為5 000～8 000r／min的子模塊

在該子模塊的調節范圍中，轉速較高，電流斬波控制方式達不到轉速調節的要求，所以采用角度位置控制方式進行調節。如圖3所示，設定關斷角為定值，對開通角的大小進行調節。開通角的大小隨轉速的變化而變化，引入一個PI環節，當設定轉速大于實際測得的轉速，即轉速的差值Δn＞0時，開通角提前，轉速繼續上升；當轉速的差值Δn＜0時，PI環節輸出值適當減小，使得開通角推后，如此反復，就能確定一個適當的開通角，使得轉速穩定在設定值。轉速8 000～10 000r／min的子模塊也采用相同原理，不同的是其開通角的初始值為40°。

4 仿真結果

針對各個子模塊選取一個設定轉速，仿真結果如圖4～圖9。

圖4 設定轉速為200r／min控制仿真波形

圖5 設定轉速為1 500r／min控制仿真波形

圖6 設定轉速為3 000r／min控制仿真波形

圖7 設定轉速為4 500r／min控制仿真波形

圖8 設定轉速為6 500r／min控制仿真波形

圖9 設定轉速為9 000r／min控制仿真波形

從仿真波形可以看出，該仿真模型能夠對轉速進行較好的調節，最終將轉速穩定在設定轉速。

5 結論

從仿真結果可以看到，該調速系統能夠在0～10 000r／min的轉速范圍內進行平滑調節，與預期的結果相符，說明該模型設計合理。

［1］ 詹瓊華.開關磁阻電動機［M］.武漢：華中理工大學出版社，1992.

［2］ 吳紅星.開關磁阻電機系統理論與控制技術［M］.北京：中國電力出版社，2010：110－120.

［3］ 曹偉偉.開關磁阻電機寬范圍調速系統研究［D］.杭州：浙江大學圖書館，2006：1－70.

［4］ 王 磊.開關磁阻電動機調速性能研究［D］.西安：西安交通大學圖書館，2011：1－35.

［責任編校：張巖芳］

Variable Frequency Speed Control of the Switched Reluctance Motor

HE Ya－hui，WEI Zhong－chao
（College of Electrical and Electronic Engin.of Huazhong Univ.of Science and Tech.，Wuhan 430074，China）

The switched reluctance motor drive has two control methods：CCC and APC.By combining the two control strategies，a simulation model was built under the environment of Matlab／Simulink.The model should adjust the speed of switched reluctance motors smoothly in the wide speed range.The result shows that this system is reliable and the drive system finally reaches the target requirements.

Switched Reluctance Motor large speed adjusting range；CCC；APC

TM3

A

1003－4684（2014）01－0045－04

2013－11－28

何雅慧（1991－），女，湖北天門人，華中科技大學碩士研究生，研究方向為電機與電器