CN103956949B - 三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动模型及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动的控制模型及控制方法，采用的技术方案是：三级式起/发电机励磁机定子采用两相对称励磁绕组，电机起动时励磁机定子通入相位互差90°的两相交流电，通过调节励磁机定子外加交流电频率与电机转子感应磁势频率保持恒转差，从而保证励磁机输出的三相交流电幅值达到稳定，进而为主发电机的起动提供足够的平稳的励磁电流。进而为主发电机的起动提供足够的平稳的励磁电流，能够保证三级式起/发电机实现平稳、可靠起动。

Description

三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动模型及控制方法

技术领域

本发明属于三级式起/发电机交流起动控制技术领域，具体涉及一种三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动的控制模型及控制方法。

背景技术

目前，三级式无刷发电机广泛应用于航空交流电源系统、电动汽车以及风力发电系统领域，该类电机作为发电机使用技术成熟，但是该种类电机无自起动能力，需要专门的起动电机对其进行起动，使得其起动变得复杂。如能在原有三级式无刷发电机基础上通过改进及控制使其工作在电动状态，即实现起动/发电一体化，就可以省去相应的起动配套设备，从而减轻系统体积重量。

三级式起/发电机主要由主发电机、励磁机、副励磁机(永磁机)和旋转整流器构成。在电机静止起动阶段，若给励磁机定子绕组通以直流电，励磁机转子绕组上不会产生感应电势，则主发电机转子绕组中没有励磁电流，主发电机将无法电动运行。所以实现三级式起/发电机起动的关键在于解决起动时的励磁问题。

为了解决三级式起/发电机的励磁问题，国内外相关学者提出了单相交流励磁与三相交流励磁方案，其中单相交流励磁因为受到励磁机本体容量及供电电压幅值限制，励磁效率不高，定转子能量传输较差。三相交流励磁则需要大幅度改变电机本体结构设计，绕组利用率较差，且交直流励磁切换方式复杂。

在上述相关研究的基础上，中国专利CN103457427A，名称为“一种用于三级式起动/发电系统的励磁机结构及控制方法”，CN103532454A，名称为“两相无刷励磁机在三级式起动/发电系统起动发电过程中的控制方法”，公开了一种不需要较大幅度改动电机结构同时又能够提高励磁绕组利用率的新型励磁结构及方式，即采用励磁绕组为两相对称绕组的两相励磁方式，当电机处于起动状态下时，励磁机采用相差90°的两相交流电进行励磁；电机处于发电状态下时，将两相励磁绕组反向串联后通入直流电进行励磁。

CN103532454A所述的励磁方式只是描述了三级式起/发电机起动状态下两相励磁绕组通入两相交流电的方式，并未提出一种具体的控制方法，也没有说明励磁电流的控制特点，使得两相交流励磁方法的具体实现变得困难。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动的控制模型及控制方法，实现采用两相励磁结构的三级式起/发电机起动时励磁电流的稳定控制。

技术方案

一种三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动的控制模型，其特征在于三级式起/发电机两相励磁机控制模型为：

其中：U_a、U_b、U_c分别为转子a、b、c相绕组电压，θ为励磁角速度，θ_r为转子角速度，K_r为电压转换系数，为定子绕组阻抗角；

所述θ＝ω₁t，ω₁为励磁电压角频率，t为励磁机运行时间；

所述θ_r＝ω_rt，ω_r为转子电角速度；

所述R_s为定子绕组内阻，L_m为定转子绕组互感，L_s为定子绕组自感，U_m为励磁电压最大值；

所述

一种利用所述的控制模型实现三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动的控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：给两相励磁机定子通入初始励磁电压频率为f₁，最大交流电压幅值为U_m的两相对称交流电，其中，初始f₁即为转差给定(f₁-f_r)^*，且4Hz≤f₁≤10Hz；

步骤2：由主发电机的位置传感器得到主发电机的转速n，主发电机与励磁机同轴安装，则励磁机转子感应磁势频率为f_r＝p·n/60，p为主发电机极对数；

步骤3：将f₁与f_r进行做差相减，得到的差值f₁-f_r作为反馈量与转差给定(f₁-f_r)^*进行比较，经过PI运算得到新的励磁机励磁电压频率f₁'；

步骤4：给两相励磁机定子通入励磁电压频率为f₁'，最大交流电压幅值为U_m的两相对称交流电，重复步骤2～4，当主发电机的转速上升至额定转速时控制结束。

有益效果

本发明提出的一种三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动的控制模型及控制方法，采用的技术方案是：三级式起/发电机励磁机定子采用两相对称励磁绕组，电机起动时励磁机定子通入相位互差90°的两相交流电，通过调节励磁机定子外加交流电频率与电机转子感应磁势频率保持恒转差，从而保证励磁机输出的三相交流电幅值达到稳定，进而为主发电机的起动提供足够的平稳的励磁电流。进而为主发电机的起动提供足够的平稳的励磁电流，能够保证三级式起/发电机实现平稳、可靠起动。

与现有技术相比，该方法的有益效果在于：

(1)相比于单相交流励磁，本控制方法在电机起动时励磁效率高，励磁机转子感应电势不受励磁电压限制，从而能够满足大功率主发电机实现起动/发电双功能需求；

(2)相比于三相交流励磁，本控制方法中两相励磁绕组利用率高，且起动/发电转换时与副励磁机直流励磁切换操作简单；

(3)在控制方法的实现方面，相比于单相励磁方式，可以省去励磁功率拓扑直流升压模块从而减小控制器体积重量；

(4)该方法能够实现励磁电流的稳定控制，有利于主发电机的可靠起动控制。

附图说明

图1为三级式起/发电机两相励磁结构图；

图2为励磁机定子阻抗三角形；

图3为一种三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动控制方法框图；

图4为一种三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动控制方法Matlab仿真模型；

图5为一种恒转差三级式起/发电机两相励磁机起动时外接的两相电压波形；

图6为一种三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动控制方法Matlab仿真输出曲线。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提出一种三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动控制方法，该控制方法能够保证三级式起/发电机在起动过程中主发电机励磁电流保持稳定。

三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动控制模型的建立过程如下：

步骤1：设附图1中给定励磁机的两相交流电为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}=U_m\cos {\mathrm{\ω}}_{1}t\\ U_{\mathrm{\β}}=U_m\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，U_α、U_β为定子两相绕组励磁电压；U_m为励磁电压最大值。

步骤2：两相交流励磁电压经过2s/2r坐标变换为dq0旋转坐标系公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{qs}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，u_ds、u_qs分别为定子交、直轴绕组电压；θ＝ω₁t为励磁角速度。

经过推导可计算得u_ds＝U_mcos2θ，u_qs＝-U_mcos2θ。

步骤3：将上述结果带入下式两相励磁机电压方程：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{qs}}\\ u_{\mathrm{dr}}\\ u_{\mathrm{qr}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{R}_s& 0& 0& 0\\ 0& R_s& 0& 0\\ 0& 0& R_r& 0\\ 0& 0& 0& R_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}\\ i_{\mathrm{qs}}\\ i_{\mathrm{dr}}\\ i_{\mathrm{qr}}\end{array}\right]+p\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}-{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}\\ {\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}\\ -({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_r){\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}\\ ({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_r){\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，u_qr、u_dr分别为转子交、直轴绕组电压；R_s、R_r分别为定转子绕组内阻；ω₁为励磁电压角频率；ω_r为转子电角速度；p为微分算子。

在主励磁机转子绕组空载情况下，各相电流为0，即i_dr、i_qr为0。带入(3)式电压方程，稳态时(3)式中微分项均为0，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_m\cos 2\mathrm{\θ}=R_s{i}_{\mathrm{ds}}-{\mathrm{\ω}}_l{L}_s{i}_{\mathrm{qs}}\\ -U_m\cos 2\mathrm{\θ}=R_s{i}_{\mathrm{qs}}+{\mathrm{\ω}}_l{L}_s{i}_{\mathrm{qs}}\\ u_{\mathrm{dr}}=-({\mathrm{\ω}}_l-{\mathrm{\ω}}_r)L_m{i}_{\mathrm{qs}}\\ u_{\mathrm{qr}}=({\mathrm{\ω}}_l-{\mathrm{\ω}}_r)L_m{i}_{\mathrm{ds}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，ψ_qr＝L_mi_ds、ψ_dr＝L_mi_qs分别为转子交、直轴磁链，L_m为定转子绕组互感。

步骤4：由同步旋转坐标系变换到三相静止坐标系的变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_r)& -\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_r)\\ \cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}{-\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}\\ u_{\mathrm{qr}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中，U_a、U_b、U_c分别为转子a、b、c相绕组电压；θ＝ω₁t，θ_r＝ω_rt。

步骤5：由(4)、(5)式可计算得到两相励磁机的三相输出电压表达式：

其中， 为定子绕组阻抗角，如附图2定子绕组阻抗三角形所示。

(6)式即为交流励磁时主励磁机的三相输出电压表达式，其输出电压幅值与两相励磁交流电频率ω₁，电机转速θ_r以及励磁电压最大值U_m有关。

由于应用环境的特殊性，三级式起/发电机起动多为带载起动，这就要求励磁机电枢绕组上需感应出足够的电势才能给主发电机提供足够的励磁电流，而根据(6)式易知ω₁-ω_r对输出电压的影响最大，而由电机学知识(ω₁-ω_r)/ω_r即为异步电机的转差率s，ω₁-ω_r则为定子外加交流电角频率与电机转子感应磁势角频率转差。

级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动控制方法，其特征在于调节励磁机定子外加交流电频率与电机转子感应磁势频率的转差，使其保持固定值从而能够保证励磁机输出的三相交流电幅值达到稳定，进而为主发电机的起动提供足够的平稳的励磁电流。

控制框图如附图3所示。

(f₁-f_r)^*为给定励磁机定子外加交流电频率与电机转子感应磁势频率的差值，其中f₁＝2π/ω₁，f_r＝2π/ω_r＝p·n/60，p为主发电机极对数，由于励磁机与主发电机同轴安装，因此转子转速相同。

为验证本发明控制方法的可行性和有效性，采用Matlab8.1进行仿真验证。

图4为在Matlab软件中建立的恒转差两相励磁交流起动控制模型，其中励磁机模块为根据式(6)方程由Simulink封装的电机模型，输出三相绕组通过旋转整流器接阻感负载(用以等效主发电机转子绕组)，输出观测量I_f即为主发电机的励磁电流，要求主发电机励磁电流I_f在电机起动过程中平均值为8A，波动不超过7.5％。励磁机交流输入由式(1)可知为两相在相位上互差90°的交流电，只需要给定励磁电压最大值U_m及励磁电压频率，在励磁机模块内部即可形成两相交流电压。

一种三级式起/发电机两相励磁恒转差交流起动控制方法仿真实施方式分为以下几个步骤：

1.励磁机定子通入最大值U_m为270V，初始励磁频率f₁为8Hz的两相交流电，如附图5所示；

2.在初始两相励磁电压作用下励磁机转子感应出交变磁场，输出三相交流电；

3.经旋转整流器整流后输出励磁电压U_f至主发电机转子绕组，图4模型中主发电机转子等效为RL阻感负载，电压U_f在主发电机转子上产生励磁电流I_f；

4.在主发电机励磁电流I_f及外接三相交流电压的作用下主发电机转速上升，其理想的转速上升曲线由斜坡函数进行模拟等效，限幅为3500r/min；

5.主发电机与励磁机同轴安装，励磁机转子转速与主发电机转子相同，则励磁机转子感应磁势频率为f_r＝p·n/60，p为主发电机极对数，该实施例中p＝3；

6.f₁与f_r进行做差相减，得到的差值f1-fr作为反馈量与转差给定(f₁-f_r)^*进行比较，经过PI(仿真中P＝20，I＝0.1)运算后得到励磁机励磁电压频率f₁'；

7.主发电机转速随之继续上升，在此过程中励磁电压及电流保持相对恒定。

图6为恒转差三级式起/发电机起动控制仿真输出波形，从仿真结果看，励磁机定子外加交流电频率与电机转子感应磁势频率的差值能够跟随转差给定，励磁电流基本保持8A恒定，平均波动量6.25％，平均励磁电流能够满足三级式起/发电机的起动需求，证明了本发明的有效性。

Claims (2)

1.一种三级式起动/发电机两相励磁恒转差交流起动的控制模型，其特征在于三级式起动/发电机两相励磁机控制模型为：

其中：U_a、U_b、U_c分别为转子a、b、c相绕组电压，θ为励磁角速度，θ_r为转子角速度，K_r为电压转换系数，为定子绕组阻抗角；

所述θ＝ω₁t，ω₁为励磁电压角频率，t为励磁机运行时间；

所述θ_r＝ω_rt，ω_r为转子电角速度；

所述R_s为定子绕组内阻，L_m为定转子绕组互感，L_s为定子绕组自感，U_m为励磁电压最大值；

所述

2.一种利用权利要求1所述的控制模型实现三级式起动/发电机两相励磁恒转差交流起动的控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：给两相励磁机定子通入初始励磁电压频率为f₁，最大交流电压幅值为U_m的两相对称交流电，其中，初始f₁即为转差给定(f₁-f_r)^*，且4Hz≤f₁≤10Hz；

步骤2：由主发电机的位置传感器得到主发电机的转速n，主发电机与励磁机同轴安装，则励磁机转子感应磁势频率为f_r＝p·n/60，p为主发电机极对数；

步骤3：将f₁与f_r进行做差相减，得到的差值f₁-f_r作为反馈量与转差给定(f₁-f_r)^*进行比较，经过PI运算得到新的励磁机励磁电压频率f₁'；

步骤4：给两相励磁机定子通入励磁电压频率为f₁'，最大交流电压幅值为U_m的两相对称交流电，重复步骤2～4，当主发电机的转速上升至额定转速时控制结束。