一种电励磁双凸极发电机可控整流方法 |
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| 申请号 | CN202311302405.6 | 申请日 | 2023-10-09 | 公开(公告)号 | CN117318571A | 公开(公告)日 | 2023-12-29 |
| 申请人 | 南京航空航天大学; | 发明人 | 刘伟峰; 王慧贞; 陶宇龙; 于龙; 陈涛; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种电励磁双凸极发 电机 可控整流方法。本发明能够使电励磁双凸极电机发电运行时相 电流 矢量始终 跟踪 反电势矢量，实现 最大转矩 电流比控制，提高电机性能。本发明包括：建立电励磁双凸极电机的反电势矢量 位置 查找表，实现 转子 位置到反电势矢量位置的映射；可控整流发电系统采用 电压 外环+电流内环的双闭环控制策略，电压调节器产生交轴电流参考，同时采用直轴电流为零的控制策略，通过反PARK变换与反CLARK变换得到电机三相参考电流，采用滞环电流控制策略实现相电流跟踪参考电流。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电励磁双凸极发电机可控整流方法，其特征在于，可控整流发电系统采用电压外环+电流内环的双闭环控制策略，电压调节器产生交轴电流参考，同时采用直轴电流为零的控制策略，通过反PARK变换与反CLARK变换得到电机三相参考电流，采用滞环电流控制策略实现相电流跟踪参考电流。 |
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| 说明书全文 | 一种电励磁双凸极发电机可控整流方法技术领域[0001] 本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种电励磁双凸极发电机可控整流方法。 背景技术[0002] 电励磁双凸极电机凭借其结构简单，可靠性高，且控制灵活方便的特点，在航空起动/发电领域有着广阔的应用前景。电励磁双凸极电机属于新型磁阻电机，是遵循磁阻最小原理工作的，即磁链总是沿着磁阻最小的路径闭合。双凸极电机结构简单可靠，转子上无绕组和永磁体，可适应高温、高速等恶劣运行工况。电励磁双凸极电机通过调节励磁电流改变气隙磁场，采用不控整流拓扑或可控整流拓扑均可构成无刷直流发电系统。 [0003] 不控整流发电系统具有控制简单的优点，而采用可控整流拓扑可在不改变电机结构尺寸的前提下显著提高发电输出功率。现有的可控整流控制策略均属于角度控制，如三状态标准角度控制、三状态提前角度控制和六状态角度控制。这类控制策略未充分考虑电励磁双凸极电机反电势波形不规则的特点，无法充分发挥电机性能，电机输出功率仍有提升空间。 发明内容[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案： [0006] 1.一种电励磁双凸极发电机可控整流方法，采用电压外环+电流内环的双闭环控制策略，电压调节器产生交轴电流参考，同时采用直轴电流为零的控制策略，通过反PARK变换与反CLARK变换得到电机三相参考电流，采用滞环电流控制策略实现相电流跟踪参考电流。 [0007] 2.进一步地，反PARK变换所需要的坐标变换角θr为反电势矢量的相位，可通过查表法由转子位置映射而得。 [0008] 3.进一步地，采用如下方法建立反电势矢量位置查找表： [0009] S1、离线测量电励磁双凸极电机的三相反电势，建立转子位置到三相反电势的二维查找表； [0010] S2、根据瞬时无功理论将三相反电势瞬时值从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系中，在两相坐标系α‑β平面上合成反电势矢量e，计算反电势矢量e的相位； [0011] S3、由转子位置一一映射得到反电势矢量e的相位，建立反电势矢量位置查找表。 [0012] 本发明的有益效果如下： [0013] 本发明充分考虑了电励磁双凸极电机反电势波形谐波含量丰富、畸变严重的特点，可实现电机发电运行时相电流矢量始终跟踪反电势矢量，保持180°相位差，实现最大转矩电流比控制，提高电机输出功率，降低电机损耗。 [0015] 图1是电励磁双凸极电机结构； [0016] 图2是电励磁双凸极电机反电势波形； [0017] 图3是电励磁双凸极电机反电势矢量运行轨迹； [0018] 图4是反电势矢量位置随转子位置的变化波形； [0019] 图5是本发明所提电励磁双凸极发电机可控整流控制系统框图； [0020] 图6是采用不控整流时电机反电势矢量与相电流矢量运行轨迹； [0021] 图7是采用本发明所提可控整流方法时电机反电势矢量与相电流矢量运行轨迹； [0022] 图8是采用不控整流与本发明所提可控整流方法电机功率特性曲线对比。 具体实施方式[0023] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明： [0024] 本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。 [0025] 实施例一： [0026] 本发明实施例提供一种电励磁双凸极发电机可控整流方法。其中，电励磁双凸极发电机的结构如图1所示，包括定子和转子。定子上有集中式电枢绕组与集中式励磁绕组。转子上无绕组，无永磁体。励磁绕组通入直流电，产生发电机的工作磁场。 [0027] 电励磁双凸极电机瞬时功率可由下式估算 [0028] Pe＝ea·ia+eb·ib+ec·ic (1) [0029] 电励磁双凸极电机的反电势波形呈不规则梯形波，且存在三相不对称的特点，如图2所示。根据三相电路瞬时无功功率理论，将三相反电势(ea，eb，ec)和三相电枢电流(ia，ib，ic)由三相坐标系变换至两相静止坐标系。 [0030] [0031] [0032] 其中C32为变换矩阵，在两相坐标系α‑β平面上，eα、eβ和iα、iβ分别可以合成(旋转)反电势矢量e和电流矢量i [0033] [0034] [0035] 式中，|e|、|i|为矢量e、i的模； 分别为矢量e、i的幅角。 [0036] 瞬时功率可表示为矢量e与矢量i的矢量积 [0037] [0038] 图3是两相静止坐标系中，反电势矢量e旋转的轨迹。由于反电势波形中含有大量奇偶次谐波，波形严重畸变，其轨迹呈不规则“六角星形”。当电机转子以恒定速度旋转时，反电势矢量并未按照同步速度旋转，在某些区域旋转速度慢于同步速，而在其他区域旋转速度则快于同步速。 [0039] 电励磁双凸极电机发电运行时，要工作在最大转矩电流比状态下必须使反电势矢量e与电流矢量i始终保持180°的相位差。其关键是如何获取反电势矢量的位置。 [0040] 本发明通过离线测量电机反电势，然后经过坐标变换与反正切计算得到与转子位置一一对应的反电势矢量位置，再建立一维数据表，通过查找表法实时获取反电势矢量位置。图4为反电势矢量位置随转子位置的变化波形。 [0041] 为实现最大转矩电流比控制，本实施例采用的控制方法如图5所示。采用输出电压外环+三相电流内环控制策略，检测可控整流器的直流输出电压，与参考电压比较后得到误差电压，经过电压调节器后产生交轴电流给定，直轴电流给定为零。检测电机转子位置，通过查表法得到反电势矢量位置作为坐标变换角。将旋转坐标系下的交直轴电流给定变换至静止三相坐标系下得到三相电流给定。检测电机三相电流，分别与三相电流给定进行比较，采用滞环控制器实现三相电流跟踪给定电流。电机运行时，励磁绕组施加恒定直流励磁源，励磁电流保持不变。 [0042] 图6给出了不控整流下两相静止坐标系中，反电势矢量与电流矢量旋转的轨迹。从图中可以看出反电势矢量其实位置与转子位置零位不重合，位于α‑β平面330°位置，两者之间存在30°相位差。根据CLARK变换易证明，反电势的6个自然换相点位置分别位于α‑β平面0°、60°、120°、180°、240°、300°的位置。当电机处于不控整流发电运行时，三相电流在两相静止坐标系下表现为6个离散的电流矢量，其幅值随着时间变化。瞬时功率为电流矢量与反电势矢量的矢量积，不控整流时，反电势矢量与电流矢量的夹角始终不能保持在180°。以扇区1为例，电流矢量位于210°位置，而反电势矢量从0°逐渐旋转至60°，两者夹角从150°逐渐增加为210°，无法充分发挥电机性能。 [0043] 图7给出了本发明所提方法控制下两相静止坐标系下，反电势矢量与电流矢量的轨迹。由电流矢量轨迹图可知，与不控整流相比，电流矢量可以在一个圆周上连续平滑旋转，在各自然换相点处仍可以保持电流矢量与反电势矢量夹角为180°。电机在一个周期内均能够工作在最大转矩电流比状态下，从而充分发挥电机性能。 [0044] 图8给出了不控整流和本发明所提方法控制下的仿真结果对比。从仿真结果可见，本发明所提方法较不控整流在全负载范围内能显著提高电机的输出功率。 [0045] 本发明的有益效果如下：本发明充分考虑了电励磁双凸极电机反电势波形谐波含量丰富、畸变严重的特点，可实现电机发电运行时相电流矢量始终跟踪反电势矢量，保持180°相位差，实现最大转矩电流比控制，提高电机输出功率，降低电机损耗。 [0046] 本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。 [0047] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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