CN101957884A - 混合励磁同步电机发电系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种混合励磁同步电机发电系统建模方法，包括以下步骤：建立混合励磁同步电机的三维有限元电磁场仿真模型；由瞬态场路耦合分析得到的相电势波形和混合励磁同步电机的矢量图推算出不同励磁、不同负载电流下混合励磁同步电机同步电抗值；根据混合励磁同步电机的电压方程，建立混合励磁同步电机本体仿真模型；对混合励磁同步电机本体仿真模型的基础上，加入输出电压检测、励磁电流反馈和负载电流反馈补偿计算模块以及负载电流检测部件，构成混合励磁同步电机发电系统模型。本发明混合励磁同步电发电系统建模方法特别适用于新型混合励磁同步电机飞机发电系统、风力发电系统的应用研究，为系统稳态、动态性能分析和参数设计提供依据。

Description

混合励磁同步电机发电系统建模方法

技术领域

本发明涉及一种混合励磁同步电机发电系统的建模方法。

背景技术

混合励磁同步电机是一类新型电机，力求继承永磁同步电机的优点，同时具有气隙磁场调节能力，成为电机领域新的研究热点。新型混合励磁同步电机日益引起人们重视，国内外正在开展在飞机发电系统和风力发电系统等电源系统中的应用研究。而混合励磁同步电机在实际应用中，需要和电压调节系统或驱动控制系统共同构成自动控制的发电或电动系统，系统级仿真分析是发电系统研究和设计的前提和基础，构建系统模型可以大大节约研发周期和成本。

混合励磁同步电机由于引入了励磁机构，除传统电机的径向磁场外，多数还有轴向磁场，两者磁通路径相互耦合，磁场分布往往呈现三维特性，采用二维有限元方法难以对电机进行电磁场分析。三维有限元静态场和瞬态场计算是能够准确分析混合励磁同步电机的电磁特性的有效有段，但是三维场分析尤其是瞬态场分析计算量非常大，耗时很长。要仿真分析混合励磁同步电机发电系统特性，必须在电机有限元模型的基础上再外接闭环控制电路和负载电路，这更增加了仿真的计算量和难度，目前还没有看到实现三维瞬态场和外部闭环控制电路间的系统联合仿真的报道。因此，建立能够用于控制系统仿真分析的混合励磁同步电机模型以及发电系统模型，是该类新型电机应用于飞机及新能源发电系统必需解决的关键技术问题，能够为混合励磁同步电机系统级仿真分析和参数设计提供重要的分析手段。

发明内容

本发明目的是针对目前混合励磁同步电机发电系统仿真分析困难的问题，提供一种既方便实现又能准确分析混合励磁同步电机发电系统输出特性的建模方法。

本发明的混合励磁同步电机发电系统建模方法，包括以下步骤：

(1)建立混合励磁同步电机的三维有限元电磁场仿真模型，由所述混合励磁同步电机的静态场分析得到混合励磁同步电机的主气隙磁通随励磁电流的变化，由所述混合励磁同步电机的瞬态场耦合分析得到电机输出空载特性和外特性即相电势波形；

(2)由步骤(1)所述的瞬态场路耦合分析得到的相电势波形和混合励磁同步电机的矢量图推算出不同励磁、不同负载电流下混合励磁同步电机同步电抗值即交轴同步电抗和直轴同步电抗；

(3)根据混合励磁同步电机的电压方程，建立混合励磁同步电机本体仿真模型；

(4)对步骤(3)所述的混合励磁同步电机本体仿真模型的基础上，加入输出电压检测、励磁电流反馈和负载电流反馈补偿计算模块以及负载电流检测部件，构成混合励磁同步电机发电系统模型：

采用输出电压检测部件检测得到的混合励磁同步电机输出电压有效值与当前设定的稳定电压值比较得到电压差信号，将所述电压差信号经过第一PI调节器模块得到第一调节电流，将设定的混合励磁同步电机转速以及采用负载电流检测部件检测得到的负载电流经过负载电流反馈补偿计算模块得到励磁电流计算量，将所述第一调节电流与励磁电流计算量相加后与实际励磁电流比较得到励磁电流差信号，将所述励磁电流差信号经过第二PI调节器后与励磁直流电源电压相乘送给混合励磁同步电机的励磁电压Uf输入端。

本发明根据电机电磁仿真的结果进行混合励磁同步电机发电系统的建模，可以正确反映出发电系统特性，事先获得混合励磁同步电机发电系统的输出特性，为后续的控制参数设计提供验证平台，为发电系统的可行性分析提供依据，有助于加快混合励磁同步电机发电系统的设计过程，分析系统潜在的问题，对混合励磁同步电机发电系统的设计具有重要的指导意义。

附图说明

图1为混合励磁同步电机发电系统建模流程图

图2为混合励磁同步电机三维有限元静态场分析网格剖分图

图3为混合励磁同步电机三维有限元瞬态场路耦合分析模型。

图4为混合励磁同步电机主气隙磁通与励磁电流关系。

图5为混合励磁同步电机不同负载下的相电势波形。

图6为混合励磁同步电机电压矢量图。

图7为混合励磁同步电机MATLAB仿真模型。

图8为混合励磁同步电机的外特性曲线。

图9为混合励磁同步电机发电系统仿真模型。

图10为混合励磁同步电机发电系统突加突卸负载动态过程仿真结果。

图11为混合励磁同步电机发电系统突加突卸负载动态过程实验结果。

具体实施方式

图1是混合励磁同步电机发电系统建模方法的流程图。下面结合附图，以一套3kVA混合励磁同步电机发电系统为例，详细列出混合励磁同步电机发电系统的建模方法和过程：

1.根据设计的混合励磁同步电机结构参数，首先建立混合励磁同步电机的三维有限元电磁场仿真模型，然后分别进行静态场分析和瞬态场分析。静态场分析在定义好励磁电流量后，需要对电机模型进行网格剖分，其网格剖分图如图2所示。瞬态场分析模型在静态仿真模型的基础上，增加旋转边界，定义了电机内机械旋转部分，根据励磁和负载状态建立外电路模型，进行场路耦合分析。图3为混合励磁同步电机的三维有限元瞬态场路耦合分析模型。通过静态仿真可以得到混合励磁同步电机的主气隙磁通随励磁电流变化的关系曲线，如图4所示。不同的负载电流下，电枢磁势不同，电机内的电枢反应磁场饱和程度不同，导致电枢反应电抗也是不同的；不同励磁电流下，轴向磁路状态不同，也会引起电枢反应电抗的变化。因此，电枢反应电抗是随励磁电流和负载电流变化的二元函数。通过瞬态场仿真可以得到不同励磁电流、不同负载电流下的相电压波形，图5为仿真得到的不同负载电流(包括空载)下的相电势波形。

2.混合励磁同步电机的电压矢量图如图6所示，

为功率因数角，θ为功率角，ψ为内功率因数角。根据图5的仿真结果，获得不同负载状态下空载电势与负载端电压之间的相位差(即功率角θ)，E₀为空载电势，U为负载端电压，根据矢量图求解得到交、直轴同步电抗。以阻性负载为例，计算公式如下：

$X_d=\frac{E_0-(U+{\mathrm{IR}}_a)\×\cos \mathrm{\θ}}{I\sin \mathrm{\θ}}$

$X_q=\frac{(U+{\mathrm{IR}}_a)\×\sin \mathrm{\θ}}{I\×\cos \mathrm{\θ}}$

通过大量的三维瞬态场路耦合分析计算不同励磁电流和不同负载电流下电机的输出特性，从而推算得到同步电抗值随励磁电流和负载电流的变化情况。

3.根据混合励磁同步电机的电压方程，在MATLAB中建立电机的仿真模型。电机的电压方程如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-L_{d}P-R_a& {\mathrm{\ω}}_r{L}_q\\ -{\mathrm{\ω}}_r{L}_d& -L_{q}P-R_a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{L\Φ}}_{\mathrm{\δ}}\end{array}\right]$

式中：L_d和L_q分别是定子绕组的等效的d、q轴电感，R_a为电枢绕组电阻，ω_r为转子电角速度，P为微分算子，K为折合系数，由绕组因数和每相串联匝数等决定，Φ_δ为主气隙每极磁通。将混合励磁同步电机模型封装成与传统电机相同的形式，封装的电机模型如图7所示。输入变量包括励磁电流IF、电机转速n和电机极对数p。输出量为三相相电压输出端UA、UB、UC。由于电机的电压方程中的电压电流量为坐标变换过后的量，因此在模型中需要增加坐标变化环节。将检测的三相电流等效成交、直轴电流量，作为电机反馈输入量。为了保持变换前后的功率相等，这里采用恒功率d-q坐标变化：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_r& \cos ({\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos ({\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ {\sin \mathrm{\θ}}_r& \sin ({\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \sin ({\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

将其封装成一个模块，如图7中的abc-dq模块。在电机电压输出端增加坐标变化环节，将计算出的电机交、直轴电压量转换成三相相电压量。这里采用恒功率d-q坐标变化：

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_r& {\sin \mathrm{\θ}}_r\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \sin ({\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \sin ({\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]$

将其封装成一个模块，如图7中的dq-abc模块。由于实际电机输出端连接的是电气负载，将三相相电压量输出端连接三个受控电压源模块，这样可以三相电压输出端直接连接电气负载模块。通过二维查表模块2D-TAB实现不同励磁电流下气隙磁通的非线性查表，与永磁剩磁磁通PM合成得到气隙磁通值。根据同步电抗计算结果，利用三维查表模块获取励磁电流和负载电流对电枢反应电抗的影响，从而得到直轴、交轴等效电感，实现模块为图7中的Ld、Lq模块。负载电流通过交、直轴电流量计算得到，计算公式为：

$I=\sqrt{{i_d}^2+{i_q}^2}$

i_d和i_q分别是直轴和交轴电流量，整个模型根据电机电压方程，以信号流图的形式实现，最后建好的混合励磁同步电机模型如图7所示。

4.图8给出了混合励磁同步电机的三维有限元仿真结果，MATLAB仿真模型结果和实验结果，通过比较可知，建立的MATLAB模型与三维瞬态场路耦合分析结果吻合得很好，与实验结果也具有良好的一致性，证明建立的混合励磁同步电机分析模型的正确性。

5.在建立的混合励磁同步电机模型上，加入电压检测、励磁电流反馈和负载电流反馈以及用电负载模块，构成闭环调压系统，实现整个发电系统的建模，建立的发电系统模型如图9所示。整个发电系统的稳定相电压有效值设定为60V，直流励磁电源电压为30V，电机的极对数为4。检测得到的发电机输出电压有效值与当前设定的稳定电压值比较，经过第一个PI调节器模块，输出量与负载电流反馈补偿计算输出量相加，相加后得到的输出量与检测得到电机励磁电流量比较，经过第二个PI调节器模块，输出量与励磁直流电源电压相乘，送给混合励磁同步电机的励磁电压Uf输入端。混合励磁同步电机三相电压输出端连接负载模块，中间串联三个负载电流测量部件。同时混合励磁同步电机三相电压输出端也连接三相相电压有效值测量模块。为了验证模型的有效性，针对研究的混合励磁同步电机发电系统进行了建模，并进行了实验验证。图10为2500r/min下混合励磁同步电机发电系统突加、突卸负载时输出电压和负载相电流的仿真结果；图11为2500r/min下混合励磁同步电机发电系统的突加、突卸负载时输出电压和负载相电流的实验结果。可见，混合励磁同步电机发电系统模型能够准确分析整个发电系统的稳态和动态输出特性。

Claims (1)

1.一种混合励磁同步电机发电系统建模方法，包括以下步骤：

(1)建立混合励磁同步电机的三维有限元电磁场仿真模型，由所述混合励磁同步电机的静态场分析得到混合励磁同步电机的主气隙磁通随励磁电流的变化，由所述混合励磁同步电机的瞬态场耦合分析得到电机输出空载特性和外特性即相电势波形；

(2)由步骤(1)所述的瞬态场路耦合分析得到的相电势波形和混合励磁同步电机的矢量图推算出不同励磁、不同负载电流下混合励磁同步电机同步电抗值即交轴同步电抗和直轴同步电抗；

(3)根据混合励磁同步电机的电压方程，建立混合励磁同步电机本体仿真模型；

(4)对步骤(3)所述的混合励磁同步电机本体仿真模型的基础上，加入输出电压检测、励磁电流反馈和负载电流反馈补偿计算模块以及负载电流检测部件，构成混合励磁同步电机发电系统模型：

采用输出电压检测部件检测得到的混合励磁同步电机输出电压有效值与当前设定的稳定电压值比较得到电压差信号，将所述电压差信号经过第一PI调节器模块得到第一调节电流，将设定的混合励磁同步电机转速以及采用负载电流检测部件检测得到的负载电流经过负载电流反馈补偿计算模块得到励磁电流计算量，将所述第一调节电流与励磁电流计算量相加后与实际励磁电流比较得到励磁电流差信号，将所述励磁电流差信号经过第二PI调节器后与励磁直流电源电压相乘送给混合励磁同步电机的励磁电压Uf输入端。

Images