开关磁阻发电系统工作原理和控制方案

开关磁阻发电系统由双凸极磁阻电机、双向功率变换器、转子位置检测器(或非直接位置检测器)和控制器组成。发电控制系统根据电机的位置检测器产生的转子位置信号控制功率开关电路中开关管的通断，改变相电流的生成位置，使电磁转矩为负，使机械能转化为电能。电机为12/8结构，转子上无绕组，定子每个齿极上设有一个集中线圈，径向相对的两个线圈形成一对磁极，称为“一相”。这样共组成6相，可满足双通道开关磁阻发电系统的需要。本研究以单通道为例，简要阐述其工作原理和控制方法。

开关磁阻发电机工作状态电流波形如图1所示。图1中，θ角定义为该相转子齿槽轴线与定子齿极轴线之间的夹角。当转子槽轴线重合时，该相电感最小(定义为θ=0°)，当转子齿极轴线与相应定子齿极轴线重合(定义θ=θm)时，该相电感最大。根据电磁场基本理论，伴随磁场的存在，电机转子的电磁转矩同时存在，可以表示为：

若在电感下降区形成电流，产生负转矩，即电机吸收机械能，并可能把它转换成电能输出，故此时开关磁阻电机为发电机工作。

开关磁阻电机控制参数较多，控制灵活，这也是开关磁阻电机的优点之一。对于开关磁阻发电系统有3种常用的控制方案：脉宽调制控制、角度位置控制和电流斩波控制。本研究设计的控制系统运用的是角度位置控制方案。根据图1中相电流波形可知，θ1和θ2分别为开通角和关断角，即主开关管开通和关断时对应的转子位置角度，对其进行调节可影响发电的励磁过程及相电流。通常开通角θ1在θm之前即在电感上升区，关断角θ2在θm之后即在电感下降区，开通角提前、关断角推后都可以增加励磁时间、增大励磁电流ic，从而加大励磁强度。角度控制的优点是电机转矩调节范围大、运行效率高，缺点是不太适用于低速。转速降低时，旋转电动势减小，使电流峰值增大，必须进行限流，因此角度位置控制一般用于转速较高的应用场合。