低速运行下开关磁阻发电机的高效能直接瞬时转矩控制技术研究

《IEEE Open Access Journal of Power and Energy》：Energy-Efficient Direct Instantaneous Torque Control of Switched Reluctance Generator at Low Speeds

　　本文针对开关磁阻发电机(SRG)在低速发电模式下传统直接瞬时转矩控制(DITC)策略存在的效率低、转矩脉动大等问题，提出一种改进的DITC方法。研究团队通过禁用退相期间的磁化状态，优先采用续流和退磁状态，并结合人工神经网络(ANN)转矩估计技术，实现了在500r/min工况下效率最高提升20%、转矩脉动降低21%的显著效果。该研究为风力发电、交通运输电气化等可变速应用场景提供了重要的技术支撑。

　　

随着环境污染、能源短缺等问题日益凸显，风力发电系统(WECS)、水力发电厂以及混合动力或电动汽车等领域对高效电能转换技术的需求持续增长。开关磁阻发电机(SRG)因其结构简单、无需永磁体等优势，正逐渐成为传统发电机的理想替代方案。然而，SRG在发电模式下的低速运行时，存在两个突出难题：功率转换效率较低和电磁转矩脉动过高。传统的直接瞬时转矩控制(DITC)策略在低速工况下，会在退相期间启用磁化状态，这不仅造成不必要的开关损耗，还会引发电流峰值和转矩突变，最终导致系统整体效能下降。

为解决这一技术瓶颈，来自巴西阿克雷联邦大学和坎皮纳斯大学的研究团队在《IEEE Open Access Journal of Power and Energy》上发表了创新性研究成果。研究团队提出了两种改进思路：其一，在反电动势(back EMF)较小时禁用退相期间的磁化状态，通过续流状态(0)平滑增加转矩，退磁状态(-1)快速降低转矩；其二，扩展滞环控制器的最小阈值，在反电动势接近0.65V_g时重新引入磁化状态以平衡效率与转矩脉动。为了精准实现该控制策略，团队采用具有5个隐藏层神经元的人工神经网络(ANN)对电磁转矩进行实时估计，其均方误差(MSE)仅为0.0603。

关键技术方法包括：1）构建基于非对称半桥(AHB)变换器的三状态电压控制（磁化+1、续流0、退磁-1）；2）采用双隐藏层ANN架构实现转矩估计，输入为相位电流I_ph和转子位置θ_ph；3）设计可变滞环阈值机制，根据反电动势大小动态切换控制策略；4）通过转矩传感器HBMT22/50NM和NI-6259数据采集卡实现实验验证。

研究结果通过多组对比实验得到验证。在控制策略对比方面，传统DITC1策略在600r/min运行时退相期间出现频繁的电压切换（+V_g/0/-V_g），导致相位电流峰值达3A。而DITC3策略通过禁用磁化状态，仅采用续流和退磁状态组合，使电流平滑变化，显著降低了开关损耗。效率对比数据显示，在500r/min固定转速下，DITC3相比DITC1和DITC2策略效率最高提升20%，转矩脉动降低21%。可变转速实验进一步表明，该方法在低速区段（反电动势小于0.65V_g）具有明显优势。

相位电压-电流特性分析揭示，DITC3策略通过优化退相期间的状态切换序列，避免了传统策略中的电流突变现象。当转速接近基速时（反电动势>0.65V_g），研究团队通过重新引入-ΔT₂阈值的磁化状态，有效控制了转矩脉动的增长。扩展最小滞环阈值实验表明，将单相导通和退相控制器的负阈值从-ΔT₂调整至-ΔT₃，可在保证效率的同时将平均生成电流I_g提升15%。

本研究通过创新性地改进DITC滞环控制策略，成功解决了SRG在低速发电模式下的能效与转矩控制难题。实验证明，该方案在500-600r/min工况下可实现效率提升20%、转矩脉动降低21%的显著效果。特别值得关注的是，提出的反电动势自适应阈值调整机制，为风力发电、电动汽车等变速应用场景提供了重要的技术支撑。未来研究可进一步探索该策略在更高转速范围内的适应性，以及与其他优化算法的融合应用。