图1 改进型他励变换器拓扑结构
Fig.1 Topology of improved separately-excited converter
摘要 为了提高开关磁阻发电机（SRG）系统的输出性能，该文提出一种用于SRG的改进型他励变换器，以提高其直流发电应用中的输出电压和功率等特性。该变换器前端插入一个辅助电路集成到常规的不对称桥他励变换器中，通过控制辅助电路中的辅助开关，可以提高励磁电压和发电电压，加速励磁和去磁过程，从而提高SRG系统的发电性能。该文分析了改进型他励变换器的工作模式，对比仿真分析了改进型变换器和常规变换器的不同发电性能，研究了发电时主开关与辅助开关的导通角、辅助电容与负载电容大小对发电系统性能的影响。最后制作了改进型变换器功率电路，搭建了基于dSPACE的实验平台，对改进型变换器和常规变换器的SRG系统进行了实验验证，仿真和实验结果表明，该变换器能显著提高SRG系统的发电电压和功率等性能，实验结果验证了理论分析的正确性和所提改进型他励变换器的有效性。
关键词：开关磁阻发电机 改进型他励变换器 辅助电路 发电性能
开关磁阻电机（Switched Reluctance Machine, SRM）具有结构坚固、成本低、可靠性高、调速范围广以及容错性较高等优点，通过调节导通角，SRM既可以做电动机，也可做发电机，因此，近年来在电动/混合动力汽车、航空起动/发电系统和风力发电等领域得到了广泛的应用[1-7]。
从现有的文献来看，为了提高SRM的性能，学者提出了很多新型的功率变换器，但是大多数研究都集中在电动机的新型变换器拓扑上。
文献[8-10]通过在不对称半桥变换器的前端增加额外的电路来提出一些先进的变换器拓扑，以提高SRM电动机的性能。文献[8]提出一种新型的无源升压变换器，其中直流电压获得提升，并且通过选择合适的升压电容器可以在退磁模式下获得两倍的负偏置。文献[9-10]提出了一种在不对称半桥转换器的前端增加一个开关、一个二极管和一个电感的有源升压电路。该转换器在电动模式下用作DC-DC升压转换器，扭矩产生能力提高了10%。
文献[11-18]提出了几种多电平和多端口变换器来提高SRM性能的方法。文献[11]提出了一种不对称的三电平中性点二极管钳位变换器，其中每个桥臂具有4个电源开关。虽然结果表明它减少了电流纹波和噪声，并提高了效率，但控制起来很复杂，成本也很高。文献[12]提出了一种用于SRM驱动的新型中点转换器，以提高交流电源的电能质量并平衡直流链路电容器的电压。中点转换器需要使用并联直流链路电容器类型的功率因数校正整流器，并且只有偶数相电机才能使用。文献[13]提出了一个由前端电路馈电的集成多电平转换器，该转换器加速了励磁和退磁过程并保持了转矩脉动。系统效率提高了2%～4%。然而，前端电路的结构非常复杂，并且成本也会增加。文献[14-17]提出了两种用于具有直接瞬时转矩控制的SRM四电平和五电平变换器，其中，回收的能量存储在充电电容器中，提升了SRM驱动器的动态和瞬态响应。文献[18-20]提出了一种新型的集成多端口转换器拓扑，以补偿瞬态功率纹波并减少相移时间，减少了对电容的需求，并通过直流母线获得了更高的电压。但是，由于增加了电感和电阻，成本和体积都增加了。文献[21]提出了一种用于基于混合动力电动汽车的级联多端口转换器，其中允许在电动机、电池组和发电机/交流电网之间进行灵活的能量转换。
为了降低成本，文献[22-25]提出了一些具有较少功率器件的拓扑。在文献[22-23]中，为了达到高效率，提出了包括R-dump、C-dump，分离电容器的单相每相转换器。但是，这些转换器的控制方法都非常复杂。在文献[24]中，提出了一种在每相中具有一个开关和两个二极管的m开关变换器，该转换器比不对称半桥转换器具有更好的稳定和瞬态性能。为了减小体积并提高SRM驱动器的容错能力，文献[25]提出了一种用于SRM的模块化功率转换器，采用了具有六组IGBT的双模块，并且其Y相绕组被双极激励。然而，由于存在导通死区，导致较高的转矩波动。文献[26]提出了一种用于SRM的新型模块化全桥变换器，实现了两个六组开关模块。模块化全桥变换器对短路和开路故障具有有益的容错能力，但是开关的数量增加了一倍。
如上所述，对SRM的功率变换器进行了许多研究，但是对于开关磁阻发电机（Switched Reluctance Generator, SRG），具有改善性能的新型变换器的研究却很少。SRG的功率电路通常采用传统的不对称半桥电路，主要有自励和他励两种励磁方式。文献[27]提出了一种用于8/6极SRG的抑制电阻变换器，该变换器只有不对称半桥电路一半数量的功率开关和二极管。结果表明，SRG在较宽的速度范围内具有较高的效率。文献[28]针对微电网应用的风电SRG提出了一种隔离的交错式电流馈送推挽式DC-DC变换器，可显著提高输出电压，还具有良好的容错能力。文献[29]提出了一种具有反激式拓扑的蓄电池电容变换器，以改善SRG的励磁过程，高速区具有较好的性能。但是，文献[28-29]中SRG变换器的结构和控制都很复杂，增加了成本。
为了提高SRG系统的输出性能，本文提出了一种用于SRG的改进型他励变换器，以提高其直流发电应用中的输出电压和功率等特性。通过控制辅助电路中的辅助开关，可以提高励磁电压和发电电压，加速励磁和去磁过程。本文分析了改进型他励变换器的工作模式，对比仿真了改进型变换器和常规变换器的不同发电性能，研究了发电时主开关与辅助开关的导通角、辅助电容与负载电容大小对发电系统性能的影响。对改进型变换器和常规变换器的SRG系统进行了实验验证，实验结果验证了理论分析的正确性和所提改进型他励变换器的有效性。
图1为提出的改进型SRG他励变换器拓扑结构，它是在常规的不对称他励变换器基础上，在前端添加了一个辅助电路。辅助电路由三个辅助元件组成：辅助开关Sb、辅助电容Cb和二极管VDb1。通过控制辅助电路开关Sb的开通和关断可以控制变换器向相绕组中提供额外的电压，发电时提高输出电压和输出功率，且该辅助电路结构简单，可以做成单独的模块化结构电路板，便于从不对称半桥变换器上安装和拆卸。本文根据SRG的发电运行方式，分析了改进型他励励磁变换器的工作原理，得到了普通励磁模式、高压励磁模式、两相重叠模式和发电（负高压退磁）模式四种工作模式，如图2所示，下面进行具体分析。
图1 改进型他励变换器拓扑结构
Fig.1 Topology of improved separately-excited converter
1）普通励磁模式
在这种模式下，当辅助开关Sb断开而主开关S1和S2导通时，仅励磁电压ve施加到相绕组。该模式是常规励磁模式，与常规不对称半桥变换器的励磁模式相同。这种模式下的电流路径如图2a所示，该模式下A相的电流和电压可表示为
图2 改进型他励变换器工作模式
Fig.2 Working modes of improved separately-excited converter
（1）
（2）
式中，uA为A相绕组电压；r为相绕组电阻；ve为励磁电压；iA为A相绕组电流；
为A相磁链；ie为流过励磁源电流。
2）高压励磁模式
在这种模式下，主开关S1、S2和辅助开关Sb同时导通，励磁电源ve和辅助电容器电压ubc串联，然后和负载母线电容电压ud并联，中间通过二极管VDb1隔离，二极管VDb1主要起反向隔离的作用，防止电源直接和负载相连。此时，由于辅助电容电压ubc的存在，负载电容电压ud被抬高，共同向A相绕组供电，该相被更高的正电压（ud≈ve+ubc）激励。这是一种高压激励模式，相电流将以很快的速度上升。图2b为此模式下的电流路径，电流方向定义为正方向。在此模式下，A相的电压和电流可表示为
（3）
（4）
式中，ubc为辅助电容的电压；ud为负载电容电压；iCd为流过负载母线电容电流；ie为流过励磁源电流。
3）两相重叠模式
对于改进型他励变换器电路来说，SRG会出现两相重叠模式，即在关断当前相之前，下一相已经开通，因此，两相电流有重叠。在这种模式下，A相关断之前，B相已开通，即S3、S4和Sb都已闭合。辅助电容上的电压ubc和励磁电源ve也处于串联状态，仍然和负载母线电容电压ud并联，因此较高的正电压会同时施加到A相和B相。此时，它们的电压都等于ud≈ve+ubc，A相和B相均处于快速高压励磁模式。在此模式下，A相和B相的电流和电压可表示为
（5）
（6）
（7）
式中，iB为B相绕组电流；
为B相磁链。
4）发电（负高压退磁）模式
当同时断开开关S1、S2和辅助开关Sb时，辅助电容Cb和励磁电压ve串联，此时该电路电压为负，-ud≈-ve-ubc，A相电机绕组A中存储的能量一部分被反馈到辅助电容Cb和励磁电压ve以实现快速退磁，另一部分能量流向负载母线电容Cd和负载R，提升输出发电电压，该电压等于ud≈ve+ubc。该模式下的电流路径如图2d所示。此时A相的电压和电流表示为
（8）
（9）
式中，iL为发电时流过负载的直流电流。
根据以上工作模式，图3中显示了所提出的改进型他励变换器典型相电压和电流曲线。可以发现，当主开关S1、S2和辅助开关Sb接通时，电路在模式2下工作，励磁电压ve和升压电容Cb串联，此时电路的激励电压uA=ud≈ve+ubc，A相电机绕组被高电压激励。辅助开关Sb关断之后，此时电路在模式1下工作，励磁电压ve直接施加到A相电机绕组A，此模式为常规励磁模式；当主开关S1、S2和S3、S4与辅助开关Sb同时接通时，即在A相电机绕组关断之前，B相电机绕组开通，辅助电容Cb和励磁电源ve串联再与负载电容并联，此时电路的激励电压等于ud≈ve+ubc，此激励电压被施加到A相绕组和B相绕组，使其均处于高压励磁模式。当同时断开开关S1、S2和辅助开关Sb时，辅助电容和励磁电压ve串联，此时该电路电压为负，则该负电压等于-ud≈-ve-ubc，A相绕组中存储的能量一部分被反馈到辅助电容Cb和励磁电压ve以实现快速退磁，另一部分能量流向负载母线电容Cd和负载，提升发电电压，该电压等于ud≈ve+ubc。通过调节主开关和辅助开关Sb的导通角以改变激励电压的大小来控制发电电压。图3还表明，所提出的改进型变换器相电流iA远高于传统变换器的相电流
。
图3 改进型他励变换器典型相电压和电流曲线
Fig.3 Typical phase voltage and current curves of improved separately-excited converter
为了验证本文提出的改进型他励变换器的可行性和有效性，本节以一台三相SRG为研究对象，基于改进型变换器和常规他励变换器对SRG的发电性能进行对比分析，SRG样机主要参数见表1。
图4为基于改进型他励变换器和传统变换器的发电建压过程中的相电压、相电流和输出电压波形。在本仿真中，SRG两种变换器发电系统是在相同条件下运行，激励电压为20V，负载电阻为60W，三相主开关（S1和S2、S3和S4、S5和S6）的开通和关断角分别为11°和33°，辅助开关的开通和关断角为11°和14°，电机转速为1 000r/min。可以看出，两种系统都能迅速建压，所提出的改进型变换器的输出电压上升到98V的稳定状态，而在常规转换器中仅上升到52V，提出的转换器的相电压和电流也比常规转换器的相电压和电流高得多。图5为两种变换器达到稳态后的发电波形，可以看出，改进型变换器的相电压在激励阶段具有两个电压跳变，一个位于高压励磁区域（模式2），其中主开关和辅助开关同时导通，另一个位于模式3的两相重叠区域中，主开关和辅助开关同时导通。在负高压退磁阶段（模式4）中，所提出的改进型变换器的相电压比常规转换器的相电压高得多。
表1 SRG样机主要参数
Tab.1 Main parameters of SRG prototype
参 数数 值 相数3 定子极数12 转子极数10 额定功率/W200 额定转速/(r/min)1 000 额定电压/V100 定子电阻/W1.23 定子外径/mm124 转子外径/mm61.4 转子轴径/mm10 定子极弧/(°)15 转子极弧/(°)15 气隙长度/mm0.3 相电感/mH50
图4 两种变换器的发电建压过程
Fig.4 Voltage building process of two converters
图5 两种变换器的发电稳态仿真波形
Fig.5 Steady state generating waveforms of two converters
图6给出了改进型变换器在1 200r/min、1 510r/min速度下的稳态发电波形。在此仿真中，其他条件和图5相同，可以看出，产生的发电电压随着电机转速的增加而降低，发电电压分别为81V和63V。
图6 不同转速下改进型变换器的发电稳态仿真波形
Fig.6 Steady state generating waveforms of the improved converter at different speeds
导通角是SRG发电系统中的重要控制参数，对于所提出的变换器，由于附加电路，其控制策略与常规变换器不同，不仅需要控制主开关的开通和关断角度，还需要控制辅助开关Sb的开通和关断角度。为了研究辅助开关导通角对发电机性能的影响，本文选择了两个可变的控制参数作为研究对象考察对发电性能的影响：一个是主开关的关断角，称为qoff；另一个是辅助开关Sb的关断角，称为qoff_Sb。另外，辅助电容Cb和负载稳压电容Cd的大小对电机发电性能也会有影响。
图7给出了不同的关断角度qoff和qoff_Sb对发电电压和功率的影响曲线。在本文中，主开关的开通角设置为11°，关断角从31°～35°；辅助开关Sb的开通角也固定为11°，关断角为12°～14°；转速为1 000r/min，辅助电容器的激励电压为20V，负载电阻为60W。可以看出，当主开关关断角qoff一定时，随着辅助开关关断角qoff_Sb的增大，输出电压和输出功率逐渐增大。当辅助开关关断角qoff一定时，随着主开关关断角qoff的增大，输出电压和输出功率也逐渐增大。但是，当qoff_Sb=14°时，输出电压和功率均在qoff =33°处达到最大值，接近额定电压100V。这意味着在此条件下，达到了相对最高的输出电压和功率，因此，在实际系统中确定qoff =33°和qoff_Sb=14°是一个相对最优的关断角选择。
图7 关断角对改进型变换器发电性能的影响
Fig.7 Influence of turn-off angle on power generation performance of improved converter
从图1所示的改进型变换器拓扑结构来看，有两个电容：一个是负载稳压电容Cd；另一个是辅助电路中的辅助电容Cb。其中，负载电容Cd主要用于保持输出电压稳定和降低纹波，通常是一个比较大的电解电容器。图8a给出了改进型变换器不同辅助电容值Cb时的发电电压建压过程。仿真中，电机转速为1 000r/min，励磁电压和负载电阻同上。可以看出，不同的辅助电容Cb对输出电压的上升时间没有显著影响，稳态电压纹波也基本相同，辅助电容对其产生过程和输出电压的稳态值影响不大。因此，可以在实际系统中选择一个小的辅助电容，以减小变换器的体积和成本。相应地，图8b显示了在不同负载电容值Cd的情况下，变换器输出电压的建立过程。可以看出，随着Cd电容的增大，输出电压的上升时间越来越长，但稳态电压的纹波变小，当Cd的电容值大于680mF时，电压纹波最小。经过以上分析，选择母线负载电容器Cd和辅助电容器Cb分别为680mF和68mF。
图8 不同电容对改进型变换器发电性能的影响
Fig.8 Influence of different capacitors on power generation performance of improved converter
为了验证本文所提出的改进型他励变换器的有效性，搭建了如图9所示的SRG系统实验平台，主要包括原动机直流电机、改进型他励变换器、dSPACE 1104、直流励磁电源、转矩转速传感器、SRG样机和负载电阻等，其中负载电容和辅助电容均为标准电解电容器，其电容值为680mF和68mF。实验电机和仿真所用电机为同一台电机，主要参数见表1。在此基础上，对两种变换器的性能进行了对比实验。
首先，测试并比较了基于两种变换器的SRG发电建压过程和稳态波形。图10为采用常规变换器和改进型变换器的发电建压过程中的相电压、电流和发电电压的实验波形。图11为两种系统达到稳态后的实验波形。在以上对比实验中，实验条件和第2节的仿真条件一致，激励电压均为20V，负载电阻为60W，主开关的开通和关断角分别为11°和33°，辅助开关的开通和关断角分别为11°和14°，发电机转速由直流电动机控制，保持为1 000r/min。可以看出，在两种变换器驱动下SRG的稳态发电电压分别为53.5V和100V，无论是建压过程还是稳态发电波形（相电压、相电流以及输出电压），实验结果与仿真结果都吻合较好，验证了理论分析和仿真的正确性。
图9 SRG系统实验平台
Fig.9 Experimental platform of SRG system
图10 基于两种变换器的发电建压过程（n=1 000r/min）
Fig.10 Voltage building process of power generation based on two converters (n=1 000r/min)
图11 两种变换器的发电稳态波形（n=1 000r/min）
Fig.11 Steady state generating waveforms based on two converters (n=1 000r/min)
图12和图13分别是转速为1 200r/min和1 510r/min时，基于两种变换器的SRG系统的稳态发电波形。可以看出，在1 200r/min转速下，两种变换器发电稳态电压分别为50.2V和81.5V；在1 510r/min转速下，两种变换器发电稳态电压分别为46.5V和64.3V。基于改进型变换器的输出电压得到了大大提高，通过与图6的仿真相比，实验结果与仿真结果（相电压、相电流以及输出电压）吻合较好，再次验证了理论分析和仿真的正确性。
图12 两种变换器的发电稳态波形（n=1 200r/min）
Fig.12 Steady state generating waveforms based on two converters (n=1 200r/min)
图13 两种变换器的发电稳态波形（n=1 510r/min）
Fig.13 Steady state generating waveforms based on two converters (n=1 510r/min)
为了验证所提出的改进型变换器在一定速度范围内对SRG发电性能的提升，对两种变换器的发电电压、功率特性进行了测试，电机转速范围为1 000～1 510r/min，实测与仿真对比结果如图14所示。在该比较中，两种变换器的实验条件保持不变。从结果可以发现，在一定速度范围内，所提出的改进型变换器的输出电压和功率比常规变换器的输出电压和功率高得多，两种变换器的仿真结果也接近于实测数据，从而验证了理论分析和仿真分析的正确性。
图14 两种变换器发电电压和功率的实测与仿真对比
Fig.14 Measurement and simulation comparison of voltage and power of two converters
此外，对两种变换器的SRG系统效率进行了测量，系统效率为
（10）
式中，Pm、Pe和Pout为机械输入功率、励磁功率和输出功率；ud为发电电压；R为负载电阻；T为原动机的平均转矩；n为转速；ve和Ie分别为励磁电压和电流。实测系统效率曲线如图15所示，可以看出，所提出的变换器的系统效率比常规变换器略低，两者在较宽速度范围内接近80%。改进型变换器效率偏低的原因包括以下两方面：①开关损耗增加。改进型变换器比普通的变换器多了一个开关和二极管，必然增加一部分开关损耗和二极管的导通与截止损耗。②电机的非线性与局部饱和。开关磁阻电机磁路具有强烈的非线性和局部饱和特征，采用改进型变换器后，电机的电流增大，引起电机局部的饱和，电机的电流变化是非线性的，造成电机的输出功率等也是非线性变化的。
图15 两种变换器实测效率结果对比
Fig.15 The measured efficiency results of two converters
为了提高SRG的发电性能，本文提出一种用于SRG的改进型他励变换器，通过增加一个辅助电路，控制辅助电路中的开关器件，可以提高励磁电压和退磁电压，加速励磁和去磁过程，提高发电电压。通过和常规变换器的发电性能对比，表明所提出的改进型变换器具有发电电压更高、功率更大等优点，还研究了发电时主开关与辅助开关的导通角、辅助电容与负载电容大小对发电系统性能的影响。搭建了基于dSPACE的SRG系统实验平台，对改进型变换器和常规变换器系统进行了实验验证，实验结果验证了理论分析的正确性和所提改进型他励变换器的有效性。
参考文献
[1] 匡斯建, 张小平, 刘苹, 等. 基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法[J]. 电工技术学报, 2020, 35(20): 4296-4305.
Kuang Sijian, Zhang Xiaoping, Liu Ping, et al. Sensorless control method of switched reluctance motors based on location of phase inductance characteristic points[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2020, 35(20): 4296-4305.
[2] 卿龙, 王惠民, 葛兴来. 一种高效率开关磁阻电机转矩脉动抑制方法[J]. 电工技术学报, 2020, 35(9): 1912-1920.
Qing Long, Wang Huimin, Ge Xinglai. A high efficiency torque ripple suppression method for switched reluctance motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 1912-1920.
[3] 许爱德, 任萍, 陈加贵, 等. 基于电感特殊位置点的开关磁阻电机转子位置检测及误差补偿[J]. 电工技术学报, 2020, 35(8): 1613-1623.
Xu Aide, Ren Ping, Chen Jiagui, et al. Rotor position detection and error compensation of switched relu- ctance motor based on special inductance position[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(8): 1613-1623.
[4] 匡斯建, 张小平, 张铸, 等. 基于相电感交点位置角度补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法[J]. 电工技术学报, 2019, 34(23): 4909-4917.
Kuang Sijian, Zhang Xiaoping, Zhang Zhu, et al. Sensorless control of switched reluctance motor based on intersection angle compensation of phase inductor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(23): 4909-4917.
[5] 田德翔, 曲兵妮, 宋建成, 等. 基于电流斩波控制的开关磁阻电机脉冲宽度调制占空比解析计算法[J]. 电工技术学报, 2019, 34(21): 4449-4457.
Tian Dexiang, Qu Bingni, Song Jiancheng, et al. An analytical method of PWM duty cycle for switched reluctance motors based on current chopping con- trol[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(21): 4449-4457.
[6] Wu Jiangling, Sun Xiaodong, Zhu Jianguo. Accurate torque modeling with PSO-based recursive robust LSSVR for a segmented-rotor switched reluctance motor[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2020, 4(2): 96- 104.
[7] Huang Xuanrui, Lin Zechuan, Xiao Xi. Four-quadrant force control with minimal ripple for linear switched reluctance machines[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2020, 4(1): 27-34.
[8] Liang Jianing, Lee Dong-Hee, Xu Guoqing, et al. Analysis of passive Boost power converter for three- phase SR drive[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(9): 2961-2971.
[9] Chang Hung-Chun, Liaw Chang-Ming. On the front- end converter and its control for a battery powered switched-reluctance motor drive[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2008, 23(4): 2143-2156.
[10] Jain A K, Mohan N. SRM power converter for operation with high demagnetization voltage[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2005, 41(5): 1224-1231.
[11] Peng Fei, Ye Jin, Emadi A. An symmetric three-level neutral point diode clamped converter for switched reluctance motor drives[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(11): 8618-8631.
[12] Rajesh M, Singh B. Three-level NPC rectifier-based midpoint converter-fed SRM drive[J]. International Journal of Power Electronics, 2014, 6(1): 1-17.
[13] Gan Chun, Wu Jianhua, Hu Yihua, et al. New inte- grated multilevel converter for switched reluctance motor drives in plug-in hybrid electric vehicles with flexible energy conversion[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(5): 3754-3766.
[14] Lee Dong-Hee, Ahn Jin-Woo. A novel four-level con- verter and instantaneous switching angle detector for high speed SRM drive[J]. IEEE Transactions of Power Electronics, 2007, 22(5): 2034-2041.
[15] Liang Jianing, Lee Dong-Hee, Ahn Jin-Woo. Direct instantaneous torque control of switched reluctance machines using 4-level converters[J]. IET Electric Power Applications, 2009, 3(4): 313-323.
[16] 李珍国, 魏艳君, 阚志忠, 等. 基于四电平功率变换电路的开关磁阻电机瞬时转矩控制[J]. 电工技术学报, 2007, 22(8): 144-150。
Li Zhenguo, Wei Yanjun, Kan Zhizhong, et al. Direct instantaneous torque control of using four-level power converter[J]. Transactions of China Electrical Society, 2007, 22(8): 144-150.
[17] 程勇, 林辉. 五电平拓扑下开关磁阻电机直接瞬时转矩控制[J]. 电机与控制学报, 2011, 15(4): 18-22.
Chen Yong, Lin Hui. Direct instantaneous torque control of switched reluctance motor with five lever converter[J]. Electric Machines and Control, 2011, 15(4): 18-22.
[18] Cai Wen, Yi Fan. An integrated multiport mower converter with small capacitance requirement for switched reluctance motor drive[C]//IECON 2014- 40th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Dallas, USA, 2014: 3183- 3189.
[19] 常中意. 用于开关磁阻电机驱动系统的多电平功率变换器拓扑及控制研究[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2017.
[20] Cai Wen, Yi Fan. A quasi-z-source integrated multi- port power converter as switched reluctance motor drives for capacitance reduction and wide-speed- range operation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(11): 7661-7676.
[21] Sun Qingguo, Wu Jianhua, Gan Chun, et al. Cascaded multiport converter for SRM-based hybrid electrical vehicle applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(12): 11940-11951.
[22] Krzystof T, Krzystof W. Improved C-dump converter for switched reluctance motor drives[J]. IET Power Electronics, 2014, 7(10): 2628- 2635.
[23] Ha K, Lee C, Kim J, et al. Design and development of low-cost and high efficiency variable speed drive system with switched reluctance motor[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2007, 43(3): 703-713.
[24] Hu Yanfang, Wang Tao, Ding Wen. Performance evaluation on a novel power converter with minimum number of switches for a six-phase switched relu- ctance motor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(3): 1693-1702.
[25] Song Shoujun, Xia Zekun, Zhang Zhihui, et al. Control performance analysis and improvement of a modular power converter for three-phase SRM with Y-connected windings and neutral line[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(10): 6020-6030.
[26] Sun Qingguo, Wu Jianhua, Gan Chun. Modular full-bridge converter for three-phase switched relu- ctance motors with integrated fault-tolerance capa- bility[J]. IEEE Transactions of Power Electronics, 2019, 34(3): 2622-2634.
[27] Takahashi A, Goto H, Nakamura K, et al. Charac- teristics of 8/6 switched reluctance generator excited by suppression resistor converter[J]. IEEE Transa- ctions on Magnetics, 2006, 42(4): 3458-3460.
[28] Hu Kai-wei, Wang Jung-chi, Lin Tsai-sheng, et al. A switched-reluctance generator with interleaved inter- face DC-DC converter[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2015, 30(1): 273-284.
[29] Faradjizadeh F, Tavakoli R, Afjei E S. Accumulator capacitor converter for a switched reluctance gen- erator[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(1): 501-512.
An Improved Separately Excited Converter for Improving the Performance of Switched Reluctance Generator System
Abstract In order to improve the output performance of switched reluctance generator (SRG) system, an improved separately-excited converter for SRG is proposed in this paper to improve the output voltage and power in DC power generation application. An auxiliary circuit is inserted into the front end of the converter and integrated into the conventional asymmetrical bridge separately excited converter. By controlling the auxiliary switch in the auxiliary circuit, the excitation voltage and generation voltage can be increased, and the excitation and demagnetization process can be accelerated, thereby improving the power generation performance of SRG system. This paper analyzes the working mode of the improved separately excited converter, compares and simulates the different power generation performance of the improved converter and the conventional converter, and studies the influence of the conduction angle of the main switch and the auxiliary switch, the size of the auxiliary capacitance and the load capacitance on the performance of the power generation system. Finally, the power circuit of the improved converter is fabricated, and the experimental platform based on dSPACE is built. The simulation and experimental results show that the improved converter can significantly improve the generation voltage and power of the SRG system. The experimental results verify the correctness of the theoretical analysis and the effectiveness of the proposed improved separately excited converter.
keywords：Switched reluctance generator, improved separately excited converter, auxiliary circuit, power generation performance
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210047
中图分类号：TM315
国家自然科学基金资助项目（51777161）。
收稿日期 2021-01-12
改稿日期 2021-03-09
丁 文 男，1981年生，副教授，博士生导师，研究方向为电机系统及其控制、无线电能传输。E-mail: wending@xjtu.edu.cn（通信作者）
陈 硕 男，1995年生，博士研究生，研究方向为无线电能传输、电机系统控制。E-mail: ts17130047a3@cumt.edu.cn
（编辑 崔文静）