王孫清,鄭恒持,于 朝,孔 昕,李彬彬,謝仁和
應(yīng)用研究
電力推進(jìn)船舶開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)交錯(cuò)控制策略研究
王孫清1,2,3,鄭恒持1,2,3,于 朝1,2,3,孔 昕1,2,3,李彬彬1,2,3,謝仁和1,2,3
(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,江蘇無(wú)錫 214082;2.深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫 214082;3.深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫 214082)
由于電力推進(jìn)船舶開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor,SRM)運(yùn)行工況和負(fù)載實(shí)時(shí)變化,傳統(tǒng)三段式調(diào)速很難通過(guò)試湊法來(lái)確定切換時(shí)刻的轉(zhuǎn)速和開(kāi)通角、關(guān)斷角,如果選擇不當(dāng)將造成切換時(shí)刻轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩的波動(dòng),引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。針對(duì)此問(wèn)題,本文對(duì)傳統(tǒng)三段式調(diào)速策略進(jìn)行了優(yōu)化,提出一種交錯(cuò)控制策略。最后在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的有效性,改善了控制性能,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) 船舶電力推進(jìn) 交錯(cuò)控制
隨著世界范圍內(nèi)環(huán)境問(wèn)題的日益突出,具有控制簡(jiǎn)便,節(jié)能環(huán)保的電力推薦船舶得到了快速發(fā)展[1]。電力推進(jìn)船舶主要?jiǎng)恿?lái)源是推進(jìn)電機(jī),因此其電氣特性、機(jī)械特性與節(jié)能特性會(huì)直接影響船舶推進(jìn)性能。SRM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、容錯(cuò)率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)、恒功率調(diào)速范圍寬、四象限運(yùn)行特性好、制造成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)[2],被認(rèn)為是電氣傳動(dòng)領(lǐng)域極具潛力的一種電機(jī),可以很好地滿(mǎn)足船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的要求。
SRM的控制量有很多,主要包括相電流、主電路電壓、開(kāi)通角和關(guān)斷角。因此,對(duì)SRM的控制相當(dāng)靈活,可選用的控制方法很多。針對(duì)上述的控制量,SRM基本的控制策略主要有三種:電流斬波控制(CCC)、電壓斬波控制(CVC)和角度位置控制(APC)[3]。
本文提出一種交錯(cuò)控制策略??刂破鞲鶕?jù)斬波次數(shù)在線調(diào)節(jié)控制方式切換轉(zhuǎn)速點(diǎn)和切換角度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制策略具有很強(qiáng)的適應(yīng)性,可以在母線電壓和負(fù)載不同的情況下,自行判斷選擇切換的轉(zhuǎn)速點(diǎn),自動(dòng)劃分電機(jī)的低、中、高轉(zhuǎn)速段,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)較寬轉(zhuǎn)速范圍平滑調(diào)速,改善了控制性能,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
為了拓寬調(diào)速范圍,提高運(yùn)行時(shí)的效率和性能,在不同的速度段采用不同的控制策略:一般在啟動(dòng)和低速階段采用電流斬波控制,限制電流峰值,防止開(kāi)關(guān)管損壞;中速段采用電壓斬波控制,使實(shí)際相電流在反電動(dòng)勢(shì)的影響下還能盡量跟蹤給定電流;高速段采用角度位置控制,調(diào)節(jié)開(kāi)通角和關(guān)斷角,從而維持轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生能力,同時(shí)獲得更高轉(zhuǎn)速。這種根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)選擇控制策略的調(diào)速方式被稱(chēng)為三段式調(diào)速。圖1是三段式調(diào)速控制結(jié)構(gòu)圖。
圖1 三段式調(diào)速控制結(jié)構(gòu)圖
SRM啟動(dòng)或者低速運(yùn)行時(shí),旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較小,采用電流斬波控制可以限制電流峰值,防止過(guò)高的峰值電流損害開(kāi)關(guān)器件,起到保護(hù)和調(diào)節(jié)的作用。電流斬波控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 電流斬波控制結(jié)構(gòu)圖
圖2中,ref1和ref2分別是電流斬波上限值和電流斬波下限值,i為實(shí)際相電流,θ為轉(zhuǎn)子的位置信號(hào),Q是控制器輸出的斬波信號(hào)。電流斬波控制是將相電流采樣值i與電流斬波限值iref1和iref2輸入到滯環(huán)控制器中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)相電流采樣值小于斬波下限值時(shí),功率器件開(kāi)通,相電流上升,并逐漸達(dá)到斬波上限值;如果電流采樣值大于斬波上限值時(shí),功率器件關(guān)斷,繞組電流通過(guò)續(xù)流二極管進(jìn)行續(xù)流,因此相電流下降,并逐漸達(dá)到斬波下限值;通過(guò)功率器件的反復(fù)開(kāi)通關(guān)斷,即可實(shí)現(xiàn)實(shí)際相電流跟蹤給定相電流的目的。滯環(huán)控制器的環(huán)寬直接影響著電流斬波控制的控制精度,當(dāng)減小環(huán)寬時(shí)可以獲得更加精確的控制效果,但斬波頻率會(huì)隨之增大,會(huì)引起開(kāi)關(guān)損耗增大,系統(tǒng)效率降低。因此,要綜合考慮到控制精度與斬波頻率的要求,合理的選擇環(huán)寬。圖3給出了采用電流斬波控制策略運(yùn)行時(shí)SRM一相繞組電壓和電流仿真波形圖。
圖3 電流斬波控制電壓和電流仿真波形圖
當(dāng)SRM轉(zhuǎn)速增大時(shí),反電動(dòng)勢(shì)也會(huì)增大,轉(zhuǎn)速超過(guò)基速時(shí),相電壓不足以使實(shí)際相電流跟蹤給定電流值,這時(shí)就可采用電壓斬波控制。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制靈活,動(dòng)態(tài)性能好,非常適合中速區(qū)域的調(diào)速。電壓斬波控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
圖4 電壓斬波控制結(jié)構(gòu)圖
電壓斬波控制是在開(kāi)通角和關(guān)斷角不變的情況下,對(duì)功率變換電路施加脈沖寬度調(diào)制方式,從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸入到繞組電壓的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的一種方式。電壓斬波控制在硬件實(shí)現(xiàn)上可分為斬單管和斬雙管兩種方式。當(dāng)電機(jī)處于斬單管方式時(shí),PWM信號(hào)僅對(duì)每相下開(kāi)關(guān)管(或僅對(duì)每相上開(kāi)關(guān)管)的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,另一個(gè)開(kāi)關(guān)管通過(guò)位置信號(hào)控制;處于斬雙管工作方式時(shí),PWM信號(hào)對(duì)每相上、下主開(kāi)關(guān)的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。斬單管工作方式采用零電壓續(xù)流,而斬雙管工作方式的續(xù)流是采用的負(fù)的母線電壓進(jìn)行續(xù)流。因此,斬單管方式電機(jī)相繞組的平均供電電壓為:
電機(jī)相繞組的平均供電電壓為:
當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速一定時(shí),特別是在輕載狀態(tài)下,斬雙管方式的占空比明顯比斬單管的大,使得斬雙管方式的相電流峰值較大。PWM信號(hào)斬雙管時(shí),在反壓(-)的作用下,相電流脈動(dòng)大,從而導(dǎo)致電機(jī)鐵損增大,且由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的電機(jī)振動(dòng)與噪聲所消耗的功率也比斬單管方式大[62]。
為了獲得平滑的電流波形,并減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲,還可以增大功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率,但較高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)使得開(kāi)關(guān)損耗增大,降低系統(tǒng)的效率,所以需要綜合考慮從而確定電壓斬波控制的PWM信號(hào)的頻率。與電流斬波控制方式相比,電壓斬波控制實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單,而且采用固定的開(kāi)關(guān)頻率,對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快,非常適用于中速段運(yùn)行。圖5給出了采用電壓斬波控制策略運(yùn)行時(shí)SRM一相繞組電壓和電流仿真波形圖。
圖5 電壓斬波控制電壓和電流仿真波形圖
當(dāng)SRM轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大時(shí),電壓斬波控制器輸出的占空比逐漸變大,直到上升至設(shè)定的占空比上限值。此時(shí),每相導(dǎo)通周期內(nèi)的PWM周期數(shù)減少,為了繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速,降低開(kāi)關(guān)損耗,提高系統(tǒng)效率,此時(shí)需要改變單脈沖信號(hào)的開(kāi)通角和關(guān)斷角,也就是采用角度位置控制。角度位置控制方式可以在電機(jī)的恒功率區(qū)以及串勵(lì)特性區(qū),繼續(xù)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速。角度位置控制結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。
圖6 角度位置控制結(jié)構(gòu)圖
角度位置控制是在繞組輸入母線電壓不變的情況下,通過(guò)將開(kāi)通角和關(guān)斷角提前或者推后,來(lái)改變功率變換器件的導(dǎo)通時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制。開(kāi)通角和關(guān)斷角都是可以控制的變量,因此角度位置控制方式又可以分為變開(kāi)通角控制、變關(guān)斷角控制和同時(shí)改變開(kāi)通、關(guān)斷角控制三種方式。采用變開(kāi)通角方式時(shí),當(dāng)開(kāi)通角提前時(shí),導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)電流處于電感最小區(qū)的范圍會(huì)變大,相電流的峰值和有效值都會(huì)變大,電流波形會(huì)變寬,從而使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩都增大。采用變關(guān)斷角方式時(shí),一般關(guān)斷時(shí)早就過(guò)了電流的峰值點(diǎn),因此電流峰值不會(huì)受到關(guān)斷角的影響,但電流波形的寬度會(huì)隨關(guān)斷角的提前而變窄,電流有效值會(huì)降低,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。采用變關(guān)斷角方式時(shí),如果關(guān)斷角調(diào)節(jié)得過(guò)于推后,會(huì)出現(xiàn)進(jìn)入電感下降區(qū)續(xù)流還沒(méi)結(jié)束的情況,從而導(dǎo)致產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩和額外的噪聲,因此在采用角度位置控制時(shí)通常會(huì)固定關(guān)斷角,僅僅改變開(kāi)通角。圖7給出了采用角度位置控制策略運(yùn)行時(shí)SRM一相繞組電壓和電流仿真波形圖。
圖7 角度控制電壓和電流仿真波形圖
采用三段式調(diào)速方式時(shí),如果電機(jī)的負(fù)載和母線電壓恒定,在模式選擇器選擇角度位置控制方式時(shí)可以采用試湊法來(lái)確定切換時(shí)刻的轉(zhuǎn)速以及切換時(shí)刻的開(kāi)通角和關(guān)斷角。對(duì)于電力推進(jìn)船舶用SRM來(lái)說(shuō),負(fù)載在實(shí)時(shí)變化,很難通過(guò)試湊法來(lái)確定切換時(shí)刻的轉(zhuǎn)速和開(kāi)通角、關(guān)斷角,如果選擇不當(dāng)將造成切換時(shí)刻轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩的波動(dòng),引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能與瞬時(shí)變速跟蹤性能,提高電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平滑度,本節(jié)對(duì)傳統(tǒng)三段式調(diào)速策略進(jìn)行了優(yōu)化,提出了根據(jù)斬波次數(shù)在線調(diào)節(jié)切換轉(zhuǎn)速點(diǎn)與切換角度的交錯(cuò)控制策略。圖8是交錯(cuò)控制結(jié)構(gòu)圖。
圖8 交錯(cuò)控制結(jié)構(gòu)圖
圖8中,是一個(gè)設(shè)定的常數(shù),用來(lái)存放斬波次數(shù)的比較基準(zhǔn)值;ref是給定電流值;Δ是角度位置控制器的角度增量;斬波計(jì)數(shù)器用來(lái)對(duì)單位時(shí)間內(nèi)三相的斬波次數(shù)進(jìn)行累加;比較選擇器用來(lái)對(duì)斬波次數(shù)和基準(zhǔn)值進(jìn)行比較,從而在線靈活地選擇采用電流斬波控制器還是角度位置控制器。max是當(dāng)前采樣條件下所能給定電流的最大值;on是前移Δ后的角度;temp是角度限定值。由于該交錯(cuò)控制沒(méi)有轉(zhuǎn)速閉環(huán),在比較選擇器選擇角度位置控制器時(shí),角度相當(dāng)于是一個(gè)開(kāi)環(huán)的控制量,無(wú)論給定電流值是多大,角度都會(huì)移到最小值。當(dāng)角度移動(dòng)到最小值或者接近最小值處時(shí),實(shí)際相電流又會(huì)超過(guò)給定值,船速會(huì)超過(guò)預(yù)期值,對(duì)于駕駛者來(lái)說(shuō)只能減少電流給定,當(dāng)減少電流給定時(shí)速度又會(huì)降低,這樣就會(huì)導(dǎo)致行駛過(guò)程中速度的抖動(dòng),為了解決上述問(wèn)題,引入了角度限定值temp,temp的計(jì)算公式如下:
角度位置控制器輸出的角度為Δ,如果此時(shí)將角度前移Δ后得到的開(kāi)通角度on大于temp,說(shuō)明此時(shí)的角度還沒(méi)到當(dāng)前給定電流下的最小角度,因此角度可以繼續(xù)前移,否則角度不前移,繼續(xù)保持當(dāng)前的角度值。
轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)交錯(cuò)控制只采用了電流閉環(huán),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)性能高。駕駛者可以根據(jù)實(shí)際情況給定電流斬波的限值,不僅響應(yīng)速度快,而且有效防止了大負(fù)載或者某些極端情況下對(duì)開(kāi)關(guān)器件的損壞,對(duì)角度的前移量進(jìn)行限制,提高了行駛過(guò)程的平順性。
圖9是轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)交錯(cuò)控制子程序流程圖。轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)交錯(cuò)控制可以根據(jù)路況及負(fù)載情況在線調(diào)節(jié)控制方式的切換點(diǎn)以及切換時(shí)刻的開(kāi)通角、關(guān)斷角,具體過(guò)程如下:
(1) 進(jìn)行電流斬波控制,同時(shí)累加電流斬波的次數(shù);
(2) 判斷斬波次數(shù)與基準(zhǔn)值的大小,如果滿(mǎn)足斬波次數(shù)大于,跳轉(zhuǎn)到步驟(1);
(3) 如果不滿(mǎn)足斬波次數(shù)大于,比較選擇器選擇角度位置控制器;
(4) 如果on>temp,角度前移Δ,跳轉(zhuǎn)到步驟(1);
(5) 如果不滿(mǎn)足on>temp,角度不變,跳轉(zhuǎn)到步驟(1)。
圖9 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)交錯(cuò)控制流程圖
本小節(jié)針對(duì)提出的交錯(cuò)控制策略,利用實(shí)驗(yàn)電機(jī)分別在母線電壓和負(fù)載是48V/0.3N·m、48V/0.6N·m、60V/0.3N·m和60V/0.6N·m這四種情況下進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖10所示。
圖10 交錯(cuò)控制測(cè)試波形
圖10中通道1代表給定電流波形,縱軸每格代表20 A;通道2代表電機(jī)轉(zhuǎn)速,縱軸每格代表2 000 r/min;通道3代表是否采用角度位置控制器的標(biāo)志位,當(dāng)采用角度位置控制器時(shí),該標(biāo)志位為高電平。橫軸代表時(shí)間,每格代表10s。圖10(a)、圖10(c)、圖10(e)和圖10(g)為加速過(guò)程波形。圖10(b)、圖10(d)、圖10(f)和圖10(h)減速過(guò)程波形。
圖10(a)是母線電壓為48 V,負(fù)載是0.3 N·m時(shí)的加速波形。從圖10(a)中可以看出,剛開(kāi)始給定電流為8 A,轉(zhuǎn)速為480 r/min,此時(shí)斬波次數(shù)大于設(shè)定的斬波次數(shù)比較值,因此控制方式選擇器不選擇角度位置控制,移角度標(biāo)志位一直是低電平。當(dāng)給定電流達(dá)到20 A,電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 360 r/min時(shí),斬波次數(shù)小于設(shè)定的斬波次數(shù)比較值,標(biāo)志位為高電平,說(shuō)明此時(shí)開(kāi)始采用角度位置控制器。此后進(jìn)入了中速段,從標(biāo)志位可以看出一直處于電流斬波和角度位置交錯(cuò)控制。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到5 440 r/min時(shí),斬波次數(shù)一直小于設(shè)定值,因此始終選擇了角度位置控制方式。
圖10(b)是母線電壓為48 V,負(fù)載是0.3 N·m時(shí)的減速波形。從圖10(b)中可以看出,剛開(kāi)始給定電流為41.6 A,轉(zhuǎn)速為5 780 r/min。當(dāng)給定電流開(kāi)始減小時(shí),轉(zhuǎn)速并不會(huì)直接下降,因?yàn)榇藭r(shí)開(kāi)通角度比較靠前,在電感最小區(qū)電流就能升到比較大的值,此時(shí)相電流依然很大,轉(zhuǎn)速不會(huì)隨著給定電流的降低而降低。當(dāng)給定電流為31.2 A,轉(zhuǎn)速下降到4 800 r/min時(shí),斬波次數(shù)大于設(shè)定的斬波次數(shù)比較值,從標(biāo)志位可以看出,此時(shí)采用電流斬波控制,在隨后的一段轉(zhuǎn)速內(nèi)一直處于電流斬波和角度位置兩種控制方式交錯(cuò)控制的模式。當(dāng)給定電流下降到6.4 A,電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到4240 r/min時(shí),斬波次數(shù)始終大于設(shè)定的斬波次數(shù)比較值,標(biāo)志位為低電平,說(shuō)明此后一直不采用角度位置控制器。
圖10(c)、圖10(e)和圖10(g)加速過(guò)程與圖10(a)相似,圖10(d)、圖10(f)和圖10(h)減速過(guò)程與圖10(b)相似。加速過(guò)程中,初期一直采用電流斬波控制的過(guò)程為低速段;中期采用電流斬波和角度位置交錯(cuò)控制的過(guò)程為中速度段;后期始終采用角度位置控制的過(guò)程為高速段。
根據(jù)測(cè)試結(jié)果,表1列出如下不同運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)速段。
表1 不同運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)速段(r/min)
從表1可以看出,轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的交錯(cuò)控制策略具有很強(qiáng)的適應(yīng)性,可以在母線電壓和負(fù)載不同的情況下,自行判斷選擇切換的轉(zhuǎn)速點(diǎn),自動(dòng)劃分電機(jī)的低、中、高轉(zhuǎn)速段,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)較寬轉(zhuǎn)速范圍平滑調(diào)速。
本文提出了一種電力推進(jìn)船舶SRM交錯(cuò)控制策略,根據(jù)斬波次數(shù)在線調(diào)節(jié)控制方式切換轉(zhuǎn)速點(diǎn)和切換角度。首先對(duì)SRM三種基本控制策略做了詳細(xì)介紹,并指出為了拓寬調(diào)速范圍一般在啟動(dòng)和低速段采用電流斬波控制,中速段采用電壓斬波控制,高速段采用角度位置控制,這種根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)選擇控制策略的調(diào)速方式被稱(chēng)為三段式調(diào)速;然后分析了由于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合工況易變,三段式調(diào)速會(huì)存在控制方式切換時(shí)轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩的波動(dòng),引起系統(tǒng)不穩(wěn)定,針對(duì)此問(wèn)題提出了根據(jù)斬波次數(shù)在線調(diào)節(jié)切換轉(zhuǎn)速點(diǎn)與切換角度的交錯(cuò)控制策略。最后在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證了該控制策略的有效性,改善了控制性能,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
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Research on interleaving control strategy of switched reluctance motor in electric propulsion ship
Wang Sunqing1,2,3, Zheng Hengchi1,2,3, Yu Zhao1,2,3, Kong Xin1,2,3, Li Binbin1,2,3, Xie Renhe1,2,3
(1. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 21408, Jiangsu, China; 2. State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, Wuxi 214082, Jiangsu,China; 3. Taihu Laboratory of Deep-sea Technological Science, Wuxi 214082, Jiangsu,China)
U664.14
A
1003-4862(2022)11-0065-05
2022-03-25
王孫清(1992-),男,工程師,研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)和載人潛器電力系統(tǒng)。E-mail:sunqing_wang@163.com。