開(kāi)關(guān)磁通起動(dòng)發(fā)電機(jī)控制電路仿真及試驗(yàn)分析

曹琦 潘晶 陳盼

摘要：文章主要闡述開(kāi)關(guān)磁通電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)，分析其運(yùn)行原理，討論發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的無(wú)功補(bǔ)償策略，提出將能恢復(fù)開(kāi)關(guān)串聯(lián)補(bǔ)櫝的方式應(yīng)用到開(kāi)關(guān)磁通電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)中，通過(guò)數(shù)據(jù)建模，在仿真系統(tǒng)中，對(duì)其運(yùn)行方式和穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)磁通啟動(dòng)發(fā)電機(jī)；控制電路；模擬試驗(yàn)

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)居民汽車(chē)的覆蓋率已經(jīng)達(dá)到76.2%，汽車(chē)已經(jīng)成為居民日常出行的重要代步工具。但汽車(chē)數(shù)量越來(lái)越多的時(shí)候，汽車(chē)的啟動(dòng)和行駛都需要石油資源，而我國(guó)石油資源本身就比較稀缺，為了解決人們的生活需求，盡快研制電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)成為當(dāng)前迫在眉睫的任務(wù)。隨著現(xiàn)代科技的不斷提升，越來(lái)越多的汽車(chē)技術(shù)被應(yīng)用到實(shí)踐生產(chǎn)中，例如，太陽(yáng)能汽車(chē)就是世紀(jì)新能源汽車(chē)的代表。然后電機(jī)技術(shù)是汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中的核心部分，是重要的構(gòu)件，在汽車(chē)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要的作用。開(kāi)關(guān)磁通是新型的電機(jī)技術(shù)工藝，能起動(dòng)發(fā)電機(jī)控制電路，為后期蓄電。開(kāi)關(guān)磁通具有體積小、效率高等特點(diǎn)，在汽車(chē)系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。下面對(duì)工藝的實(shí)現(xiàn)和仿真進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

1 開(kāi)關(guān)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 開(kāi)關(guān)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

磁通開(kāi)關(guān)電機(jī)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于雙凸永磁電機(jī)，均屬于定轉(zhuǎn)子齒槽結(jié)構(gòu)，其中定轉(zhuǎn)子是構(gòu)件的核心，主要是由鐵芯硅鋼片制作而成。定轉(zhuǎn)子上面不僅裝有電樞繞組，還有勵(lì)磁繞組，這種電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)固。在運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)生的熱能可以很快地進(jìn)行散熱，還有很強(qiáng)的魯棒性能，適用于高速領(lǐng)域，按照級(jí)數(shù)、相數(shù)分，開(kāi)關(guān)磁通電機(jī)有單相結(jié)構(gòu)及三相結(jié)構(gòu)。本文以單相開(kāi)關(guān)磁通電機(jī)為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

1.2 開(kāi)關(guān)磁通電機(jī)工作原理

開(kāi)關(guān)磁通電機(jī)定子繞組接通電源時(shí)，轉(zhuǎn)子能讓繞組轉(zhuǎn)到與定子磁阻最小的位置，從而產(chǎn)生一種磁阻轉(zhuǎn)矩。設(shè)定轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)繞組通有單極性電流產(chǎn)生單相的磁通向量，以電樞繞組槽中心線為中心對(duì)齊，此時(shí)點(diǎn)數(shù)繞組產(chǎn)生負(fù)電流，讓轉(zhuǎn)子能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，然后產(chǎn)生一種定子級(jí)對(duì)齊的趨勢(shì)，此時(shí)就處于一種發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)的轉(zhuǎn)矩匯轉(zhuǎn)變?yōu)樽枇亍Ｔ谡麄€(gè)電機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)，勵(lì)磁繞組是重要的合成磁通向量，這種向量在定子級(jí)之間相互切換，轉(zhuǎn)子極將磁通工作產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子向量達(dá)到最大。電樞繞組中電流的反向?qū)?dǎo)致定子合成磁，這種能量在相鄰的定子級(jí)之間相互切換，并產(chǎn)生振蕩。整個(gè)系統(tǒng)接通電源處于發(fā)電狀態(tài)，電磁繞組處于通電狀態(tài)，然后結(jié)合機(jī)械自身產(chǎn)生的一種原動(dòng)力，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生不斷的感應(yīng)電流，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2 基于MATLAB的仿真模型

2.1 開(kāi)關(guān)磁通發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)定

開(kāi)關(guān)磁通的電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以單邊勵(lì)磁方式進(jìn)行工作。在數(shù)字模型建立前，設(shè)定好變量和定量，首先假設(shè)勵(lì)磁電源電壓保持不變，繞組漏磁忽略不計(jì)。在運(yùn)行中，系統(tǒng)中的其他器件和開(kāi)關(guān)不會(huì)出現(xiàn)故障問(wèn)題，也不會(huì)出現(xiàn)斷電情況。設(shè)定的恒定電轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的電流電壓參考標(biāo)準(zhǔn)，可得燃燒安全保護(hù)裝置（Flame Safeguard System，F(xiàn)SG）磁鏈方程，即

上述公式中，ψa表示電樞繞組和勵(lì)磁繞組的磁鏈；Ua和Uf分別表示電樞繞組和勵(lì)磁繞組中的電壓；ia和if是電流；La和Lf是自感； Laf是互感；θr是轉(zhuǎn)子角度；J是轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量； w是角速度；Tdev是瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩；Tload是負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2.2 MATLAB電機(jī)系統(tǒng)建模與試驗(yàn)

根據(jù)上述參數(shù)的設(shè)定，為了對(duì)系統(tǒng)的性能和參數(shù)設(shè)定方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，必須在元器件投入生產(chǎn)之前，進(jìn)行建模，然后在仿真模型中進(jìn)行試驗(yàn)。研究采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真建模，使用仿真工具SIMULINK，這個(gè)工具的功能齊全，是最容易使用的一種。雖然這個(gè)工具不能直接進(jìn)行電路仿真，但是在開(kāi)關(guān)電磁中發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，這個(gè)工具能為系統(tǒng)運(yùn)行提供串聯(lián)補(bǔ)償器，是仿真試驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)MATLAB的電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)功能系統(tǒng)，利用它解決開(kāi)關(guān)磁通系統(tǒng)建模試驗(yàn)研究問(wèn)題。根據(jù)SIMULINK工具中的PSB模塊，最終對(duì)電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的混合仿真，并建立模型[1]。

開(kāi)關(guān)磁通發(fā)電機(jī)本體是核心部分，也是整個(gè)系統(tǒng)的初步模型，直接影響著系統(tǒng)中的電感和電流及電樞繞組等功能。仿真中一定要保證該部分的精準(zhǔn)度，特別注意非線性電感的處理。根據(jù)開(kāi)關(guān)磁通發(fā)電機(jī)電壓方程式（2），在MATLAB軟件中，使用SIMULINK工具建立微積分、積分、加減乘除等模塊，建立開(kāi)關(guān)磁通發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組模塊（見(jiàn)圖2）。

電機(jī)中的非線性電感特性是影響整個(gè)仿真模型建立精準(zhǔn)度的關(guān)鍵，也是仿真模型構(gòu)建的重要基礎(chǔ)。在建模中，一定要考慮中電流的非線性變化。根據(jù)MATLAB軟件中的語(yǔ)言編程，在構(gòu)建的模型中使用Look-up的功能插值實(shí)現(xiàn)，對(duì)電感特性進(jìn)行測(cè)試，采用雙凸極的結(jié)構(gòu)，確定電感和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，在電流通過(guò)時(shí)，電感位置角度和電流的函數(shù)得出之后，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)磁通發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)確建模[2-3]。通過(guò)上述參數(shù)設(shè)定和模型構(gòu)建，在仿真模型中，應(yīng)該考慮電機(jī)軸向長(zhǎng)度的變化，設(shè)定定子和轉(zhuǎn)子鐵芯無(wú)窮大，此時(shí)的軸向端部產(chǎn)生效應(yīng)，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)，得到二維靜磁場(chǎng)的最終參數(shù)，確定數(shù)值。

3 開(kāi)關(guān)磁通啟動(dòng)發(fā)電機(jī)控制電路的優(yōu)勢(shì)

開(kāi)關(guān)磁通電機(jī)最先開(kāi)始是應(yīng)用在交流調(diào)速系統(tǒng)中，主要是對(duì)汽車(chē)的運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速苦控制。該技術(shù)作為一種新型的電機(jī)，它集中開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和直流電機(jī)的特點(diǎn)，采用結(jié)構(gòu)雙凸極機(jī)構(gòu)，具有機(jī)械強(qiáng)度高、運(yùn)行速度快、大轉(zhuǎn)矩及高功率等特點(diǎn)。該技術(shù)還是一種電子換向無(wú)刷電機(jī)，在使用中故障問(wèn)題少，壽命使用時(shí)間久，且轉(zhuǎn)矩控制的靈活度和精準(zhǔn)度極高，能實(shí)現(xiàn)速度控制，從而在汽車(chē)生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用，如電器、電動(dòng)工具和電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域方面[4-5]。同時(shí)，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的可逆性原理，開(kāi)關(guān)磁通電機(jī)還可以工作于發(fā)電狀態(tài)。該技術(shù)與傳統(tǒng)的永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理不同，這種開(kāi)關(guān)磁通可以對(duì)勵(lì)磁進(jìn)行獨(dú)立控制，這是開(kāi)關(guān)磁通具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。對(duì)開(kāi)關(guān)磁通發(fā)電機(jī)運(yùn)行的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，并逐漸引起了學(xué)術(shù)界的重視。

4 結(jié)語(yǔ)

上述通過(guò)剖析開(kāi)關(guān)磁通電機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)工作原理進(jìn)行闡述，掌握了其運(yùn)行原理之后，借助MATLAB軟件建立了非線性的仿真模型，并確定開(kāi)關(guān)磁通發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)參數(shù)，通過(guò)有限元計(jì)算方法，驗(yàn)證了設(shè)定參數(shù)的可行性和正確性。通過(guò)仿真模擬試驗(yàn)，最后在單片機(jī)的開(kāi)關(guān)磁通發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件中了解了硬件設(shè)計(jì)，最終在仿真試驗(yàn)的結(jié)果參考下，順利設(shè)計(jì)并制作了電路控制器，并對(duì)其進(jìn)行控制和調(diào)試，對(duì)開(kāi)關(guān)磁通對(duì)電路控制的智能性和可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，最終取得理想的結(jié)果。試驗(yàn)表明，開(kāi)關(guān)磁通啟動(dòng)發(fā)電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)方案，能滿足汽車(chē)制動(dòng)的需求，還能提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的震動(dòng)和噪音，是一種值得大力推廣的技術(shù)和新型的工藝。

[參考文獻(xiàn)]

[1]崔敏超，趙升噸，陳超，等.混合動(dòng)力汽車(chē)用開(kāi)關(guān)磁通電動(dòng)/發(fā)電機(jī)數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016（16）：100-105.

[2]鄭萍，梁光照.新型橫向磁通永磁直線發(fā)電機(jī)單位內(nèi)功率因數(shù)控制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]梁光照.航天用斯特林發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[4]袁立，劉汝慧.主變分接開(kāi)關(guān)調(diào)檔對(duì)發(fā)電機(jī)無(wú)功的影響[J].電世界，2016（11）：55-55.

[5]王雙嶺，陳會(huì)鴿.應(yīng)用恒磁通匹配發(fā)電機(jī)直流母線電壓控制分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017（4）：236-239.