專利名稱：混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的建模方法。
背景技術(shù)：
混合勵(lì)磁同步電機(jī)是一類新型電機(jī)，力求繼承永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有氣 隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力，成為電機(jī)領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。新型混合勵(lì)磁同步電機(jī)日益引起人們重視， 國內(nèi)外正在開展在飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等電源系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。而混合勵(lì)磁同 步電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，需要和電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)或驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)共同構(gòu)成自動(dòng)控制的發(fā)電或電 動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)級(jí)仿真分析是發(fā)電系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，構(gòu)建系統(tǒng)模型可以大大節(jié) 約研發(fā)周期和成本?；旌蟿?lì)磁同步電機(jī)由于引入了勵(lì)磁機(jī)構(gòu)，除傳統(tǒng)電機(jī)的徑向磁場(chǎng)外，多數(shù)還有軸 向磁場(chǎng)，兩者磁通路徑相互耦合，磁場(chǎng)分布往往呈現(xiàn)三維特性，采用二維有限元方法難以對(duì) 電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)分析。三維有限元靜態(tài)場(chǎng)和瞬態(tài)場(chǎng)計(jì)算是能夠準(zhǔn)確分析混合勵(lì)磁同步電機(jī) 的電磁特性的有效有段，但是三維場(chǎng)分析尤其是瞬態(tài)場(chǎng)分析計(jì)算量非常大，耗時(shí)很長。要仿 真分析混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)特性，必須在電機(jī)有限元模型的基礎(chǔ)上再外接閉環(huán)控制 電路和負(fù)載電路，這更增加了仿真的計(jì)算量和難度，目前還沒有看到實(shí)現(xiàn)三維瞬態(tài)場(chǎng)和外 部閉環(huán)控制電路間的系統(tǒng)聯(lián)合仿真的報(bào)道。因此，建立能夠用于控制系統(tǒng)仿真分析的混合 勵(lì)磁同步電機(jī)模型以及發(fā)電系統(tǒng)模型，是該類新型電機(jī)應(yīng)用于飛機(jī)及新能源發(fā)電系統(tǒng)必需 解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，能夠?yàn)榛旌蟿?lì)磁同步電機(jī)系統(tǒng)級(jí)仿真分析和參數(shù)設(shè)計(jì)提供重要的分 析手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)目前混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真分析困難的問題，提供一 種既方便實(shí)現(xiàn)又能準(zhǔn)確分析混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)輸出特性的建模方法。本發(fā)明的混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)建模方法，包括以下步驟(1)建立混合勵(lì)磁同步電機(jī)的三維有限元電磁場(chǎng)仿真模型，由所述混合勵(lì)磁同步 電機(jī)的靜態(tài)場(chǎng)分析得到混合勵(lì)磁同步電機(jī)的主氣隙磁通隨勵(lì)磁電流的變化，由所述混合勵(lì) 磁同步電機(jī)的瞬態(tài)場(chǎng)耦合分析得到電機(jī)輸出空載特性和外特性即相電勢(shì)波形；(2)由步驟(1)所述的瞬態(tài)場(chǎng)路耦合分析得到的相電勢(shì)波形和混合勵(lì)磁同步電機(jī) 的矢量圖推算出不同勵(lì)磁、不同負(fù)載電流下混合勵(lì)磁同步電機(jī)同步電抗值即交軸同步電抗 和直軸同步電抗；(3)根據(jù)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的電壓方程，建立混合勵(lì)磁同步電機(jī)本體仿真模型；(4)對(duì)步驟(3)所述的混合勵(lì)磁同步電機(jī)本體仿真模型的基礎(chǔ)上，加入輸出電壓 檢測(cè)、勵(lì)磁電流反饋和負(fù)載電流反饋補(bǔ)償計(jì)算模塊以及負(fù)載電流檢測(cè)部件，構(gòu)成混合勵(lì)磁 同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)模型采用輸出電壓檢測(cè)部件檢測(cè)得到的混合勵(lì)磁同步電機(jī)輸出電壓有效值與當(dāng)前設(shè)
3定的穩(wěn)定電壓值比較得到電壓差信號(hào)，將所述電壓差信號(hào)經(jīng)過第一 PI調(diào)節(jié)器模塊得到第 一調(diào)節(jié)電流，將設(shè)定的混合勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速以及采用負(fù)載電流檢測(cè)部件檢測(cè)得到的負(fù)載 電流經(jīng)過負(fù)載電流反饋補(bǔ)償計(jì)算模塊得到勵(lì)磁電流計(jì)算量，將所述第一調(diào)節(jié)電流與勵(lì)磁電 流計(jì)算量相加后與實(shí)際勵(lì)磁電流比較得到勵(lì)磁電流差信號(hào)，將所述勵(lì)磁電流差信號(hào)經(jīng)過第 二 PI調(diào)節(jié)器后與勵(lì)磁直流電源電壓相乘送給混合勵(lì)磁同步電機(jī)的勵(lì)磁電壓Uf輸入端。本發(fā)明根據(jù)電機(jī)電磁仿真的結(jié)果進(jìn)行混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的建模，可以正 確反映出發(fā)電系統(tǒng)特性，事先獲得混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性，為后續(xù)的控制 參數(shù)設(shè)計(jì)提供驗(yàn)證平臺(tái)，為發(fā)電系統(tǒng)的可行性分析提供依據(jù)，有助于加快混合勵(lì)磁同步電 機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，分析系統(tǒng)潛在的問題，對(duì)混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有 重要的指導(dǎo)意義。


圖1為混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)建模流程2為混合勵(lì)磁同步電機(jī)三維有限元靜態(tài)場(chǎng)分析網(wǎng)格剖分3為混合勵(lì)磁同步電機(jī)三維有限元瞬態(tài)場(chǎng)路耦合分析模型。圖4為混合勵(lì)磁同步電機(jī)主氣隙磁通與勵(lì)磁電流關(guān)系。圖5為混合勵(lì)磁同步電機(jī)不同負(fù)載下的相電勢(shì)波形。圖6為混合勵(lì)磁同步電機(jī)電壓矢量圖。圖7為混合勵(lì)磁同步電機(jī)MATLAB仿真模型。圖8為混合勵(lì)磁同步電機(jī)的外特性曲線。圖9為混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。圖10為混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)突加突卸負(fù)載動(dòng)態(tài)過程仿真結(jié)果。圖11為混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)突加突卸負(fù)載動(dòng)態(tài)過程實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式圖1是混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)建模方法的流程圖。下面結(jié)合附圖，以一套 3kVA混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)為例，詳細(xì)列出混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的建模方法和 過程1.根據(jù)設(shè)計(jì)的混合勵(lì)磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，首先建立混合勵(lì)磁同步電機(jī)的三維有 限元電磁場(chǎng)仿真模型，然后分別進(jìn)行靜態(tài)場(chǎng)分析和瞬態(tài)場(chǎng)分析。靜態(tài)場(chǎng)分析在定義好勵(lì)磁 電流量后，需要對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，其網(wǎng)格剖分圖如圖2所示。瞬態(tài)場(chǎng)分析模型在靜 態(tài)仿真模型的基礎(chǔ)上，增加旋轉(zhuǎn)邊界，定義了電機(jī)內(nèi)機(jī)械旋轉(zhuǎn)部分，根據(jù)勵(lì)磁和負(fù)載狀態(tài)建 立外電路模型，進(jìn)行場(chǎng)路耦合分析。圖3為混合勵(lì)磁同步電機(jī)的三維有限元瞬態(tài)場(chǎng)路耦合 分析模型。通過靜態(tài)仿真可以得到混合勵(lì)磁同步電機(jī)的主氣隙磁通隨勵(lì)磁電流變化的關(guān)系 曲線，如圖4所示。不同的負(fù)載電流下，電樞磁勢(shì)不同，電機(jī)內(nèi)的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)飽和程度不 同，導(dǎo)致電樞反應(yīng)電抗也是不同的；不同勵(lì)磁電流下，軸向磁路狀態(tài)不同，也會(huì)引起電樞反 應(yīng)電抗的變化。因此，電樞反應(yīng)電抗是隨勵(lì)磁電流和負(fù)載電流變化的二元函數(shù)。通過瞬態(tài) 場(chǎng)仿真可以得到不同勵(lì)磁電流、不同負(fù)載電流下的相電壓波形，圖5為仿真得到的不同負(fù) 載電流(包括空載)下的相電勢(shì)波形。
2.混合勵(lì)磁同步電機(jī)的電壓矢量圖如圖6所示，爐為功率因數(shù)角，θ為功率角，ψ 為內(nèi)功率因數(shù)角。根據(jù)圖5的仿真結(jié)果，獲得不同負(fù)載狀態(tài)下空載電勢(shì)與負(fù)載端電壓之間 的相位差(即功率角θ )，&為空載電勢(shì)，U為負(fù)載端電壓，根據(jù)矢量圖求解得到交、直軸同 步電抗。以阻性負(fù)載為例，計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
一種混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)建模方法，包括以下步驟(1)建立混合勵(lì)磁同步電機(jī)的三維有限元電磁場(chǎng)仿真模型，由所述混合勵(lì)磁同步電機(jī)的靜態(tài)場(chǎng)分析得到混合勵(lì)磁同步電機(jī)的主氣隙磁通隨勵(lì)磁電流的變化，由所述混合勵(lì)磁同步電機(jī)的瞬態(tài)場(chǎng)耦合分析得到電機(jī)輸出空載特性和外特性即相電勢(shì)波形；(2)由步驟(1)所述的瞬態(tài)場(chǎng)路耦合分析得到的相電勢(shì)波形和混合勵(lì)磁同步電機(jī)的矢量圖推算出不同勵(lì)磁、不同負(fù)載電流下混合勵(lì)磁同步電機(jī)同步電抗值即交軸同步電抗和直軸同步電抗；(3)根據(jù)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的電壓方程，建立混合勵(lì)磁同步電機(jī)本體仿真模型；(4)對(duì)步驟(3)所述的混合勵(lì)磁同步電機(jī)本體仿真模型的基礎(chǔ)上，加入輸出電壓檢測(cè)、勵(lì)磁電流反饋和負(fù)載電流反饋補(bǔ)償計(jì)算模塊以及負(fù)載電流檢測(cè)部件，構(gòu)成混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)模型采用輸出電壓檢測(cè)部件檢測(cè)得到的混合勵(lì)磁同步電機(jī)輸出電壓有效值與當(dāng)前設(shè)定的穩(wěn)定電壓值比較得到電壓差信號(hào)，將所述電壓差信號(hào)經(jīng)過第一PI調(diào)節(jié)器模塊得到第一調(diào)節(jié)電流，將設(shè)定的混合勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速以及采用負(fù)載電流檢測(cè)部件檢測(cè)得到的負(fù)載電流經(jīng)過負(fù)載電流反饋補(bǔ)償計(jì)算模塊得到勵(lì)磁電流計(jì)算量，將所述第一調(diào)節(jié)電流與勵(lì)磁電流計(jì)算量相加后與實(shí)際勵(lì)磁電流比較得到勵(lì)磁電流差信號(hào)，將所述勵(lì)磁電流差信號(hào)經(jīng)過第二PI調(diào)節(jié)器后與勵(lì)磁直流電源電壓相乘送給混合勵(lì)磁同步電機(jī)的勵(lì)磁電壓Uf輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)建模方法，包括以下步驟建立混合勵(lì)磁同步電機(jī)的三維有限元電磁場(chǎng)仿真模型；由瞬態(tài)場(chǎng)路耦合分析得到的相電勢(shì)波形和混合勵(lì)磁同步電機(jī)的矢量圖推算出不同勵(lì)磁、不同負(fù)載電流下混合勵(lì)磁同步電機(jī)同步電抗值；根據(jù)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的電壓方程，建立混合勵(lì)磁同步電機(jī)本體仿真模型；對(duì)混合勵(lì)磁同步電機(jī)本體仿真模型的基礎(chǔ)上，加入輸出電壓檢測(cè)、勵(lì)磁電流反饋和負(fù)載電流反饋補(bǔ)償計(jì)算模塊以及負(fù)載電流檢測(cè)部件，構(gòu)成混合勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)模型。本發(fā)明混合勵(lì)磁同步電發(fā)電系統(tǒng)建模方法特別適用于新型混合勵(lì)磁同步電機(jī)飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用研究，為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能分析和參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
文檔編號(hào)H02P9/38GK101957884SQ201019026120
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月1日
發(fā)明者嚴(yán)仰光, 張卓然, 楊善水, 楊春源 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)