CN104579093A - 一种混合励磁电机的电流协调控制方法 - Google Patents

Abstract

一种混合励磁电机的电流协调控制方法，属于电机驱动与控制技术领域，建立电机的电磁损耗与电枢电流、内功率因数角、励磁电流之间函数关系的精确数学模型，根据电机的输出机械转速和输出转矩的性能要求，及其他参数，求解电枢电流、内功率因素角、励磁电流的最优组合，使得电机的电磁损耗达到最小，实现电机的效率最优控制。在此基础上，进步地提出种计算混合励磁电机的磁通调整率，从而使混合励磁电机在常工作点运行时的效率最高的方法。本发明的实施对象为混合励磁电机，本发明可使电机的效率达到最高，提高能源的利用率，节约能源成本。

Description

一种混合励磁电机的电流协调控制方法

技术领域

本发明属于电机驱动与控制技术领域，特别是混合励磁电机的通用控制技术。

背景技术

长期以来，国内外学者研究较多的永磁电机大都采用转子永磁型，这是因为传统的交流同步电机都将建立气隙主磁场的励磁绕组安装在转子极上。而在转子永磁电机中，利用永磁材料代替励磁绕组，减小了铜耗，电动机体积和重量大为减小，结构简单、维护方便、运行可靠，在功率密度、转矩惯性和效率方面都超过了传统的直流电机和异步电机，是高效节能电机的重要发展方向，近几十年来受到广泛重视。但这种电机由于将永磁体放置在转子上，为克服高速运行时的离芯力，需要对转子采取特别的辅助措施，如安装由不锈钢或非金属纤维材料制成的固定装置等，导致其结构复杂，制造成本提高。同时永磁体位于转子，冷却条件差，散热困难，而温升可能会最终导致永磁体发生不可逆退磁、限制电机出力、减小功率密度等，制约了电机性能的进一步提高。

针对转子永磁电机的缺点，自然就会联想到定子永磁型的结构。早在上世纪50年代，美国学者Rauch和Johnson就开始研究永磁体置于定子的新型永磁电机。但由于当时的永磁体材料性能较差，磁能级很低，导致满足一定输出电压需求的电机本体需要设计的很大，不能满足实际应用的需要，所以早期并未引起足够的重视，然而，该电机却为后来出现的其他定子永磁电机奠定了理论基础。

随着以钕铁硼（NdFeB）为代表的新型永磁稀土材料的出现和功率电子学、计算机、控制理论的发展，从上世纪90年代开始陆续出现三种新型结构的定子永磁型无刷电机及其控制系统，分别为：

1. 1992年由美国学者T.A. Lipo教授提出的双凸极永磁电机（Double-Salient Permanent Magnet Motor）;

2. 1996年由罗马尼亚学者I. Boldea提出的磁通反向电机(Flux Reversal Machine)；

3. 1997年由法国学者E. Hoang提出的磁通切换型永磁电机(Flux-Switching Permanent Magnet Machine)。

法国学者E. Hoang在1997年的EPE会议上，首先提出了三相12/10结构的永磁式磁通切换电机，定子为“U”形导磁铁芯，中间嵌入切向交替充磁的永磁体。其后东南大学程明教授领导的课题组提出了两相8/6结构的永磁式磁通切换型电机，英国Leicester大学和Sheffield大学分别对单相8/4结构与4/2结构的永磁式磁通切换型电机进行了研究。永磁式磁通切换型电机不存在励磁损耗，转子上没有永磁体和绕组，因此结构简单、效率高，工作可靠。由于采用永磁体励磁方式无法直接改变磁场强度，作为发电机时存在电压调整率较大和故障灭磁困难，作为电动机时难以实现弱磁升速，恒功率运行范围窄。

为了综合永磁励磁与电励磁磁通切换型电机的优点，法国学者E. Hoang于2007年推出了混合励磁磁通切换型电机。与其提出的永磁式磁通切换型电机相比，在永磁体端部增加了励磁绕组，通过控制励磁电流的大小和方向调节气隙磁密，对永磁磁场起到增磁或去磁的作用。混合励磁磁通切换电机具有以下优点：结构简单、效率高，工作可靠，调压方便且调压范围宽，故障保护简单。然而，该结构需要额外增加定子外径，导致电机的功率密度有所降低。2008年东南大学花为副教授提出了新型结构的混合励磁磁通切换（Hybrid-excitation flux-switching，HEFS电机）电机，并成功申请国家自然科学基金项目。

虽然混合励磁磁通切换电机的种类发展日新月异，但是却没有适用于该类电机的通用控制方法。

发明内容

本发明要解决的问题是：对于混合励磁磁通切换电机，提出适用于该类电机的通用控制方法。

本发明包括以下步骤：

1）获取混合励磁电机的机械转速和输出机械功率及电机参数；

2）通过计算得出混合励磁电机的机械转速和混合励磁电机的输出机械功率下电机可能的电枢电流、内功率因素角、励磁电流；

3）通过比较得到电机效率最高时的电枢电流、内功率因素角、励磁电流。

其计算方法如图6所示的流程图。

本发明对混合励磁电机采用电流协调控制策略，使电机的电磁损耗与电枢电流、内功率因素角、励磁电流成函数关系，根据输入的电机的机械转速和输出机械功率和电机的其他参数，求解电枢电流、内功率因素角、励磁电流，使得电机的电磁损耗达到最小，实现电机的最优控制。本发明适合任意相结构的包含有永磁体作为励磁源的电机，包括纯永磁电机和混合励磁电机，可使电机的效率达到最高，提高能源的利用率，节约能源成本。

附图说明

图1 为混合励磁电机的直轴等效电路图。

图 2为混合励磁电机的交轴等效电路图。

图 3为混合励磁电机的相量图。

图 4 为混合励磁电机的励磁支路电路图。

图 5为混合励磁电机的通用控制方法流程图。

图6 为计算磁通调整率α使常工作点运行时的效率最高的方法流程图。

图7为混合励磁电机在α=1时的（Ω_*，T _*，η）三维曲线图。图7中：α是混合励磁电机的磁通调整率，α=每相绕组永磁磁通/每相绕组总磁通的最大值；Ω_*是混合励磁电机的机械转速；T _*是混合励磁电机的输出机械转矩；η是混合励磁电机的效率。

图8为混合励磁电机在α=1时的（Ω_*，T _*，k _f ）三维曲线图。

图9为混合励磁电机在α=0.5时的（Ω_*，T _*，η）三维曲线图。

图10为混合励磁电机在α=0.5时的（Ω_*，T _*，k _f ）三维曲线图。

具体实施方式

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种对混合励磁电机采用电流协调控制策略，使电机的电磁损耗与电枢电流、内功率因素角、励磁电流成函数关系，根据输入的电机的机械转速和输出机械功率和电机的其他参数，求解电枢电流、内功率因素角、励磁电流，使得电机的电磁损耗达到最小，实现电机的最优控制，并进一步地提出一种计算混合励磁电机的磁通调整率α（α=每相绕组永磁磁通/每相绕组总磁通的最大值）从而使混合励磁电机在常工作点运行时的效率最高的方法。

本发明是一种对混合励磁电机通用的控制方法，根据输入的电机的机械转速和输出机械功率和电机的其他参数，求解电枢电流、内功率因素角、励磁电流，使得电机的电磁损耗达到最小，实现电机的最优控制。

混合励磁电机的电压方程式为：

则混合励磁电机的等效电路图为图1所示。

混合励磁电机的相量图为图3。

混合励磁电机的励磁支路电路图为图4。

由图5可得：I _f = U _f /r _f 。

且：定义励磁系数k _f 为：

定义磁通调整率α为：

定义电枢和励磁供电功率等级比β为：

为方便计算，采用标幺值进行计算，各参数的基值取混合励磁磁通切换电机的永磁部分的基波幅值：相电流的基值为I _PMm 、相电压的基值为U _PMm 、相电势的基值为pΩ _n Φ _PMm ，能量的基值为I _PMm U _PMm 、阻抗的基值为U _PMm /I _PMm 。

混合励磁磁通切换电机电枢绕组端电压取只有永磁部分同步电动机的基波幅值时，励磁支路此时的各参数值就是各参数标幺化计算时的基值，励磁电流的基值为I _fn 、励磁电压的基值U _fn =I _fn *r _f ，则：

电枢电流I的标幺值I _*=I/I _PMm ，I _*∈[0,1]；

端电压U的标幺值U _*=U/U _PMm ；

输出功率P ₂的标幺值P _2*=P ₂/(U _PMm *I _PMm )；

铜耗p _Cu的标幺值p _{Cu *}=p _Cu /(U _PMm *I _PMm )；

注：因为存在励磁绕组电阻，则混合励磁磁通切换电机在运行时会存在励磁绕组铜耗，这里的铜耗包括电枢绕组铜耗和励磁绕组铜耗；

铁耗p _Fe 的标幺值p _{Fe *}=p _Fe /(U _PMm * _IPMm )；

电枢绕组电阻r _a 的标幺值r _{a *}=(r _a *I _PMm )/U _PMm ；

铁耗电阻r _Fe 的标幺值r _{Fe *}=(r _Fe * _IPMm )/U _PMm ；

励磁电阻r _f 的标幺值r _{f *}=(r _f *I _fn)/U _fn ；

直轴同步电感L _d 的标幺值L _d *=(L _d *I _PMm )/Φ _emax ；

交轴同步电感L _q 的标幺值L _{q *}=ρ*L _d ；

转子转速Ω的标幺值Ω_*=Ω/Ω _n ；

输出转矩T的标幺值T _*=P _2*/Ω_*；

励磁电流I _f 的标幺值I _{f *}=I _f /I _{f n}；

励磁绕组和电枢每相绕组之间的互感M _af 的标幺值M _af* =(M _af *I _fn )/Φ _emax ；

外施电枢电流流过混合励磁磁通切换电机的电枢绕组，在电机的气隙内形成旋转磁场，且输入励磁电流对气隙磁场进行调节，从而带动机械负载转动，实现电能到机械能的转换。显然，在转换的过程中存在损耗，包括机械损耗，铁耗，铜耗，附加损耗。

混合励磁磁通切换电机的功率表达式：

可以得到k _f 与互感标幺值M _*和励磁电流标幺值I _{f *}之间的关系：

α是混合励磁电机的设计参数，对一台给定的电机其值是一定的，不可调节。但是α是一个非常重要的参数，设计者应该设计α使得混合励磁电机在电机的常运行点的效率达到最高。

对于混合励磁电机的特定的运行点（Ω_*，T _*），可以知道：

且混合励磁磁通切换电机的效率可以表示为：

由上式可知，忽略机械损耗的变化和附加损耗的变化，当p _{E *}=p _Cu*+p _Fe*最小时，电机的效率η最高。

通过计算，p _Cu*+p _Fe*可以表示成I, ψ , k _f , α , L _d , ρ , β

的函数表达式：

式中：I, ψ , k _f 是调节参数，α , L _d , ρ , β

是设计参数。

设计参数对一台给定的混合励磁电机是一定的，不可调节。

由以上分析可知由图5的流程图可以根据输入的电机的机械转速、输出机械功率和电机的其他参数，求解电枢电流、内功率因素角、励磁电流，使得电机的电磁损耗达到最小，实现电机的最优控制。

由图6的流程图可以计算混合励磁电机的α从而使混合励磁电机在常工作点运行时的效率最高。

本发明中符号说明：

U 电枢绕组端电压

E _m 永磁磁链形成的空载电动势

E _f 励磁磁链形成的空载电动势

E _a 电枢反应电势

E _ad 电枢反应电势的直轴分量

E _aq 电枢反应电势的直轴分量

I 电枢绕组电流

I _d 电枢绕组电流的直轴分量

I _q 电枢绕组电流的交轴分量

I _od 有效电流的直轴分量

I _oq 有效电流的交轴分量

I _Fed 铁耗电流的直轴分量

I _Feq 铁耗电流的交轴分量

r _a 电枢绕组电阻

r _Fe 铁耗电阻

L _d 直轴电感

L _q 交轴电感

ρ 凸极系数

x _σ 电枢绕组漏抗

x _d 直轴同步电抗

x _q 交轴同步电抗

M _af 励磁绕组和电枢绕组之间的互感

Φ _PM 每相绕组永磁磁通

Φ _exc 每相绕组总磁通

Φ _emax 每相绕组总磁通的最大值

U _f 励磁绕组电压

I _f 励磁绕组电流

ω _e 电角频率

r _f 励磁绕组电阻

α 磁通调整率

β 电枢和励磁供电功率等级比

k _f 调磁系数

p 电机极对数

Ω _n 额定机械转速

P ₁ 输入功率

p _mec 机械损耗

p _Fe 铁耗

p _Cu 铜耗

p _Δ 附加损耗

p _E 电磁损耗

P ₂ 输出功率

ψ 内功率因数角

η 效率。

Claims (1)

1. 一种混合励磁电机的电流协调控制方法，其特征是包括以下步骤：

1）获取混合励磁电机的机械转速和输出机械功率及电机参数；

2）通过计算得出混合励磁电机的机械转速和混合励磁电机的输出机械功率下电机可能的电枢电流、内功率因素角、励磁电流；

3）通过MATLAB仿真计算比较得到电机效率最高时的电枢电流、内功率因素角、励磁电流。