基于开关磁阻电机的储能凸轮轴充放电控制

基于开关磁阻电机的储能凸轮轴充放电控制

作为一种清洁能源储存技术，考察了能源省长的动态序列系统。SRM采用的是双凸极结构,目前的研究方向大多集中在作为调速系统的电动机使用1磁阻式多功能电机系统的数学模型和控制原理1.1uf06a与srm间的非线性关系SRM的数学模型主要由电磁方程、机械方程、机电联系方程三部分组成。电磁方程式中,uf06e为相电压;i为相电流;R机械方程式中,T机电联系方程式中,uf06a(7)uf071,i(8)是磁链与转子位置角、电流之间的函数关系;L(7)uf071,i(8)是电感与转子位置角与电流之间的关系。由于SRM的双凸极结构,电感L和转子位置,uf071和相电流i之间存在严重的非线性关系。在对SRM定性分析时,可以选择SRM的理想线性模型1.2磁阻式励磁载载载载载载载载载载系统的控制原理对SRM储能飞轮系统的控制从根本上说是对驱动电机的控制2极srm模型的建立SRM储能飞轮系统主要由控制器、功率变换器、电源、负载、集成了SRM和电流、电压、转速传感器的飞轮组成。储能飞轮系统的控制主要由控制器和功率变换器实现,其中功率变换器采用三相不对称半桥拓扑结构,主要作用有:(1)通过功率电子器件的开通或关断控制绕组中电流的大小;(2)为绕组提供续流回路;(3)控制飞轮处于储能状态、空闲状态或者释能状态。根据飞轮储能的工作原理可知,系统控制器主要通过电流、电压、转速反馈量来控制系统处在正确的运行状态。系统结构如图1所示。本文选用Matlab/Simulink自带的6/4极SRM模型为驱动电机建立了SRM储能飞轮系统仿真模型,对仿真参数进行设定:给定电机转速n=5000r/min,电压U=220V(DC);对电机参数设定:定子绕组R2.1最大允许电流的确定电机启动和低速运行时,电机转速很小,所以反电动势也很小。根据式(1)可知,U≈RI,由于单相定子绕组R下文通过建立仿真模型来模拟系统最大允许电流对系统性能的影响。仿真参数设置:固定SRM开通角turn_on=40°,关断角turn_off=80°。系统允许的最大电流值分别取为(1)不限制电流值;(2)200A;(3)50A,转速、转矩、电流仿真结果如图3~5所示。图3~5分别为系统不同最大允许电流下电机起动转速图、转矩图和相电流波形图。由图5(a)可知,若不限制系统最大允许电流,在电机启动瞬间,系统相电流达到了2000A以上,这在实际应用中是不允许的。由图3可知,当不限制系统电流值的大小时,电机有最大的加速度,可以以最短的时间达到要求转速。但是从图4可以看出,不限制最大允许电流的情况下,虽然有较大的转矩和加速度,但电机转矩波动十分剧烈,在0.05s时间里就从1300N·m下降到了不到400N·m。I由以上分析可知,系统最大允许电流的取值对相电流的波形、电机转矩的大小和波动程度、电机加速度的大小都有很大的影响。取值越大,电机加速度越大,达到要求转速的时间越短,但同时转矩波动越大,对硬件的要求越高。2.2不同开断角控制下系统的动态特性开通角和关断角直接决定了SRM转矩的正负和作用时间的长短,进而影响系统性能。笔者将系统最大允许电流设为200A,依据开通区间的大小和位置,开通角和关断角取了三组不同值(1)turn_on=40°,turn_off=90°;(2)turn_on=45°,turn_off=75°;(3)turn_on=55°,turn_off=65°对系统进行仿真,仿真结果如图6、图7所示。图6、图7分别展示了不同开断角控制下的电机转速图和电机转矩图,在0~0.4s期间,开断角为(40°,90°)时系统有最大的加速度,而在0.4~1s期间,开断角为(45°,75°)时系统的加速度最大并且速度在接近1s时实现了反超,这从它们的转矩图上可以得到解释。如图7所示,在电机启动初期,开断角为(40°,90°)时拥有较大转矩和较长的转矩作用时间,但在0.4s之后,电机转矩小于其他两组,且出现了负转矩的情况。由图6和图7(c)可以看出由于SRM开断角为(55°,65°)时开通区间太小,转矩作用时间太短,电机转速上升缓慢,1s时只有2000r/min。由上面的分析可知,SRM电机的开断角对电机的性能有着重要的影响,应在合理的区间选取开断角,避免开通区间过小造成电机升速过慢,也要避免开通区间选取过大产生负转矩。3储能转轮系统控制模型根据以上仿真结果,以电流和开断角为控制变量,分别设计了开关磁阻式储能飞轮系统充电控制方式和放电控制方式。图8为SRM储能飞轮系统充电控制方式,外环采用速度闭环控制,内环依据电机转速大小采用不同控制方式。图中所示电流斩波控制即当SRM相电流超过系统最大允许电流时关闭功率开关管;电流滞环控制也是电流斩波控制的一种,作用是将SRM相电流保持在目标电流i图9为SRM储能飞轮系统放电控制方式。由前面分析可知,系统放电时,SRM开断角位于相绕组电感下降区域,此时,电机旋转电动势与相电流方向一致,电流将迅速上升。采用外环电压环、内环电流环的双闭环控制可以在稳定输出电压的同时将系统电流限制在一定范围内。在Simulink环境下建立了上述控制方式的SRM储能飞轮系统控制模型,如图10所示。电机充电时电源电压220V(DC),系统最大允许电流取200A,滞环宽度±1A,飞轮转动惯量J=0.1kg/m由图11可知,飞轮初始转速为0,在充电过程中,飞轮转速平稳上升,在1.2s时达到要求转速5000r/min,并在1.2~1.5s期间保持转速稳定,最大稳态偏差5r/min;在放电开始时,飞轮转速迅速下降,当放电电压达到要求值时,飞轮转速降速变缓。由图12可知电机在启动初期和放电初期绕组电流值较大,但都被电流斩波控制限制在允许范围内。由图13可知在1.5s时系统放电,放电电压在约0.1s后达到并稳定在300V,稳态偏差在2%以内,基本满足工程实践要求。开关磁阻式飞轮系统用作不间断电源(UPS)仿真实验:在电源-负载系统中加入开关磁阻式储能飞轮系统,当系统断电时,飞轮可以将存储的动能转化为电能释放出来供负载使用。仿真参数如下:负载电阻100Ω、额定电压120V、飞轮转动惯量0.2kg·m由图14(a)可知系统未加入储能飞轮情况下,主电源断电时负载两端电压迅速下降到0,系统将停止工作;由图14(b)可知系统在加入了储能飞轮情况下,当主电源断电时负载两端电压只有轻微波动,负载仍可以继续正常工作。4充放电控制器设计本文根据SRM特性建立了SRM储能飞轮系统仿真模型,仿真分析了系统最大允许电流和电机开断角对系统性能的影响。研究发现系统最大允许电流越大,到达要求转速或电压的时间越短;开断角需要