開關磁阻電動機電流變幅斬波分析

2.2轉(zhuǎn)矩波動分析

SRM低速運行時，為避免過大的電流脈沖峰值，多采用斬波限流工作方式，即在SRM一相通電周期內(nèi)，斬波電流為唯一的幅值。圖1所示為在傳統(tǒng)斬波方式下，基于前述電機模型數(shù)值仿真計算的一臺三相6/4極SRM電流及轉(zhuǎn)矩合成情況波形，轉(zhuǎn)矩波動主要產(chǎn)生在換流期間，此期間前一相繞組通電結(jié)束區(qū)和后一相繞組通電開始區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩均較小。原因是對于三相6/4極SRM而言，相鄰通電繞組相序為30°機械角，而一相繞組電感上升區(qū)為45°，繞組在電感上升區(qū)結(jié)束前應關斷才不至于產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩。在電感上升開始區(qū)和上升結(jié)束區(qū)電感變化率較小，而恰是在這兩個區(qū)間電流處于上升和下降的過程，瞬時轉(zhuǎn)矩值較小，因而轉(zhuǎn)矩疊加區(qū)的值較小。所以合成轉(zhuǎn)矩值也較小，產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)矩波動。圖2是傳統(tǒng)斬波方式下仿真計算的一臺四相8/6極SRM的電流和輸出轉(zhuǎn)矩合成情況波形?？梢妼τ谒南嚯姍C來說，轉(zhuǎn)矩疊加區(qū)的值較大。四相8/6極電機相鄰通電繞組相序為15°，而每相電感上升區(qū)為30°，所以換流時后一通電相輸出轉(zhuǎn)矩與前一相輸出轉(zhuǎn)矩較大區(qū)疊加，因而，合成轉(zhuǎn)矩較大，也使輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了大的波動。

3變幅值斬波控制

3.1控制模型

鑒于以上分析，轉(zhuǎn)矩波動主要是在換流期間相鄰相輸出轉(zhuǎn)矩疊加而產(chǎn)生的。對于三相SRM而言，疊加區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩值較小，而四相疊加區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩值較大。因而可以通過改變疊加區(qū)相鄰相的瞬時輸出轉(zhuǎn)矩值降低波動，也就是改變繞組導通開始區(qū)和結(jié)束區(qū)的電流，從而提出了變幅值電流斬波控制方式，即在繞組開始通電時斬波幅值設定一值，然后逐漸減?。▽τ谌郤RM）或增大（對于四相SRM），在繞組通電中間區(qū)讓斬波幅值恒定一段時間，然后再逐漸增加（三相SRM）或減小（四相SRM）到繞組關斷。為此建立了電流斬波幅值Im的線性模型

Im0＋k(θ－θon)θonθθ1

Im=Im0＋k(θ1－θon)θ1θθ2（6）

Im0＋k(θ1－θon)－k(θ－θ2)θ2θθoff

式中：Im0表示初始設定斬波幅值；

k是系數(shù)，表示電流斬波幅值Im隨角度θ的變化率，對于三相SRM，k取負值，四相SRM取正值；

θon,θoff分別表示相繞阻開通關斷角；

θ1，θ2分別為恒定斬波幅值段起始角度與結(jié)束角度，依據(jù)不同電機結(jié)構(gòu)取值。

3.2變幅值斬波控制對三相SRM的影響

基于上述電流斬波幅值控制模型，仿真計算分析了與圖1傳統(tǒng)斬波方式下SRM相同的電機結(jié)構(gòu)參數(shù)，相同開通、關斷角，相同平均輸入電流情況下變幅值斬波控制電流及相應的合成轉(zhuǎn)矩波形，如圖3所示。仿真取k=0.007，θon=0.3°，θoff=33.6°，θ1=18.75°且θ2=26.4°。

對比圖1與圖3可以看出，相繞組通電開始區(qū)與通電結(jié)束區(qū)電磁轉(zhuǎn)矩的提高，使換流期間合成轉(zhuǎn)矩接近于電磁轉(zhuǎn)矩較大的中間區(qū)，從而有效地降低了轉(zhuǎn)矩波動。表1為對應圖1的傳統(tǒng)斬波方式及對應圖3的

開關磁阻電動機電流變幅斬波分析

(a)相電流波形(b)相轉(zhuǎn)矩及三相合成轉(zhuǎn)矩

圖3變幅值斬波方式下三相SRM

（注：圖(b)中為清晰可見三相合成轉(zhuǎn)矩為實際值加5N·m）

(a)相電流波形(b)相轉(zhuǎn)矩及四相合成轉(zhuǎn)矩

圖4變幅值斬波方式下四相SRM

（注：圖(b)中為清晰可見四相合成轉(zhuǎn)矩為實際值加0.3N·m）

新型固態(tài)氧燃料電池

變幅值斬波方式下輸入平均電流，輸出平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)[7]表。由表1可知，變幅值斬波控制在并不降低轉(zhuǎn)矩的情況下，大大降低了轉(zhuǎn)矩波動。

表1三相SRM仿真結(jié)果IavTavk
傳統(tǒng)斬波變幅值斬波6.43096.46797.29867.31280.27640.1781
3.3變幅值斬波控制對四相SRM的影響

圖4為仿真計算的與圖2相同條件下變幅值斬波時電流及相應的合成轉(zhuǎn)矩波形圖，仿真時k=0.03，θon=0.24°，θoff=25.2°，θ1=7.2°且θ2=20.4°。對比圖2、圖4，相繞組通電開始區(qū)與通電結(jié)束區(qū)相轉(zhuǎn)矩的降低，使換流期間合成轉(zhuǎn)矩接近于電磁轉(zhuǎn)矩較小的中間區(qū)。表2為對應圖2的傳統(tǒng)斬波方式及對應圖4的變幅值斬波方式，輸入平均電流，輸出平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)表。由表2可以看出，變幅值斬波控制大大降低了轉(zhuǎn)矩波動，而且電感變化較大的中間段高的相電流使輸出轉(zhuǎn)矩有所增加。

表2四相SRM仿真結(jié)果IavTavk
傳統(tǒng)斬波變幅值斬波1.53221.53221.31281.54320.45190.1447
4結(jié)語

開關磁阻電動機固有的轉(zhuǎn)矩波動現(xiàn)象是電機振動和噪聲產(chǎn)生的主要原因，所以實現(xiàn)SRM轉(zhuǎn)矩波動最小化具有重要的意義。本文詳細的仿真分析表明了針對不同相數(shù)采取的不同方式的變幅值斬波控制對降低SRM轉(zhuǎn)矩波動的有效性。