開關磁阻發電系統工作原理和控制方案

開關磁阻發電系統由雙凸極磁阻電機、雙向功率變換器、轉子位置檢測器(或非直接位置檢測器)和控制器組成。發電控制系統根據電機的位置檢測器產生的轉子位置信號控制功率開關電路中開關管的通斷，改變相電流的生成位置，使電磁轉矩為負，使機械能轉化為電能。電機為12/8結構，轉子上無繞組，定子每個齒極上設有一個集中線圈，徑向相對的兩個線圈形成一對磁極，稱為“一相”。這樣共組成6相，可滿足雙通道開關磁阻發電系統的需要。本研究以單通道為例，簡要闡述其工作原理和控制方法。

開關磁阻發電機工作狀態電流波形如圖1所示。圖1中，θ角定義為該相轉子齒槽軸線與定子齒極軸線之間的夾角。當轉子槽軸線重合時，該相電感最小(定義為θ=0°)，當轉子齒極軸線與相應定子齒極軸線重合(定義θ=θm)時，該相電感最大。根據電磁場基本理論，伴隨磁場的存在，電機轉子的電磁轉矩同時存在，可以表示為：

若在電感下降區形成電流，產生負轉矩，即電機吸收機械能，并可能把它轉換成電能輸出，故此時開關磁阻電機為發電機工作。

開關磁阻電機控制參數較多，控制靈活，這也是開關磁阻電機的優點之一。對于開關磁阻發電系統有3種常用的控制方案：脈寬調制控制、角度位置控制和電流斬波控制。本研究設計的控制系統運用的是角度位置控制方案。根據圖1中相電流波形可知，θ1和θ2分別為開通角和關斷角，即主開關管開通和關斷時對應的轉子位置角度，對其進行調節可影響發電的勵磁過程及相電流。通常開通角θ1在θm之前即在電感上升區，關斷角θ2在θm之后即在電感下降區，開通角提前、關斷角推后都可以增加勵磁時間、增大勵磁電流ic，從而加大勵磁強度。角度控制的優點是電機轉矩調節范圍大、運行效率高，缺點是不太適用于低速。轉速降低時，旋轉電動勢減小，使電流峰值增大，必須進行限流，因此角度位置控制一般用于轉速較高的應用場合。