CN104779747A - Pwm整流器控制下交流永磁发电机系统化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PWM整流器控制下交流永磁发电机系统化设计方法，其主要分为基波特性设计和谐波分析与校核两部分，基波特性设计主要完成电机参数设计和基波性能校核，它在传统的永磁发电机设计方法的基础上，结合了PWM整流器控制；谐波分析与校核是在已有电机设计参数的基础上，分析在系统控制条件下发电机定子电流谐波含量，电磁场空间谐波及其在转子中产生的损耗，并判定是否符合设计要求；本发明继承了现有设计方法中“磁路计算”与“参数计算”解析算法的优点，创造了“基波特性设计”和“谐波计算与校核”相结合的设计方法，解决了现有设计方法不能解决的永磁同步发电机设计中“系统”、“谐波”和“转子损耗”等关键问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种交流永磁发电机系统的设计方法，尤其涉及一种PWM整流器控制下交流永磁发电机系统化的设计方法。
背景技术
现有的永磁发电机的一般设计方法是在传统的同步发电机设计方法基础上结合永磁电机特有的磁路设计方法而形成的，均是针对单一电机，并未考虑电力电子装置对发电机的影响和约束。
首先，现有设计方法是基于电压恒定和恒速恒频运行的前提条件，而PWM整流器控制下的交流永磁发电机的运行转速和定子端电压均是变化的；其次，现有设计方法在发电机性能分析和计算中采用的是基于功角特性的稳态分析方法，并未考虑可控整流器对发电机的控制条件，而PWM整流器控制下的交流永磁发电机的运行特性受到电力电子装置控制策略的控制；最后，现有设计方法一般忽略同步发电机的转子损耗，而PWM整流器控制下的交流永磁发电机由于定子电流中的高次谐波产生的旋转磁场会在永磁体表面产生表面涡流损耗，同时也会在转子铁心中产生铁心损耗，引起转子发热，转子损耗不能忽略而且应该准确评估和计算。
因此现有的基于恒压恒频的交流电机设计与分析理论和方法已经完全不能适应可控永磁发电系统永磁电机的特殊情况。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是从PWM整流器与交流永磁发电机构成 的发电系统的角度出发，形成一种在PWM整流器控制条件下交流永磁发电机的运行特性和系统化设计方法。
为达到上述目的，本发明提出了一种PWM整流器控制下交流永磁发电机系统化设计方法，该设计方法主要分为基波特性设计和谐波分析与校核两个部分。
所述基波特性设计主要完成电机参数设计和基波性能校核，它在传统的永磁发电机设计方法的基础上，结合了PWM整流器控制，主要过程如下：(1)主要尺寸确定：发电机主要初始尺寸的确定与传统电机相同，采用经验公式确定或者根据技术要求确定。
(2)极对数匹配设计：以电机轴向尺寸Lt和控制系统需要的载波比M作为约束条件，综合电机本体和控制系统要求来确定发电机的极对数。
(3)转子磁路匹配设计：永磁电机转子磁路形式多样，对于径向磁路而言，主要包括表贴式和内置式两类。表贴式永磁发电机气隙大、漏磁较小、电枢反应电感小、空载电动波形较好、电压调整率低；内置式永磁发电机气隙小、漏磁较大、电枢反应电感大、空载电动势波形交差、电压调整率较高。但永磁可控发电系统需要电机有较大的电感，以便于控制；又因为表贴式永磁发电机永磁体直接面对气隙，定子电流高次谐波产生的谐波磁动势会在永磁体表面产生涡流损耗，引起永磁体局部发热严重，甚至失磁。因此综合PWM整流器系统需求考虑，可控永磁发电系统中永磁发电机转子磁路选择内置式结构。
(4)永磁体尺寸和匝数匹配设计：以电机性能、系统直流母线电压大小和系统对电机电感量的需求等三个因素综合设计永磁体尺寸和电机绕组匝数。
(5)电机性能核算：
①根据设计得到的电机参数和发电机的运行条件，按照特定的控制策略和发电机的数学模型计算出发电机定子电流d、q轴分量的大小，并判定定子电流是否满足系统的要求，如果不满足则重新设计参数；
②根据发电机数学模型中的电压方程，计算出发电机定子电压d、q轴分量的大小以及定子电压的大小，并判定定子电压是否满足PWM整流器对发电机定子端电压的要求，如果不满足则重新设计参数；
③计算发电机电流密度、效率等其它性能参数；
所述谐波分析与校核是在已有电机设计参数的基础上，分析在系统控制条件下发电机定子电流谐波含量，电磁场空间谐波及其在转子中产生的损耗，并判定是否符合设计要求。
(1)定子电流谐波分析：
①将已有的电机设计参数生成有限元电机模型；
②根据载波比、调制比、直流电压和控制策略等系统约束参数生成PWM整流器模型；
③将电机有限元模型和PWM整流器模型联合起来进行系统联合仿真，模拟电机运行并得到电流波形；
④对生成的电流波形进行傅里叶分解，求取各次谐波含量及其波形畸变率。最后根据得到的定子电流谐波分析结果，判定是否满足设计要求，否则重新调整电机设计参数。
(2)转子损耗分析：
①采用基于Benotti理论建立非正弦分立铁耗计算模型，同时考虑交变磁化和旋转磁化对电机铁耗的影响，利用不同的计算铁耗方法对永磁电机的铁 心损耗进行计算；
②利用分析定子电流谐波时建立的系统仿真模型通过仿真计算转子铁心损耗和永磁体表面涡流损耗；
③利用仿真结果对解析结果进行修正得到最终的转子损耗；
④判断是否符合系统技术的要求，否则重新调整电机设计参数。
与现有永磁同步发电机设计方法相比，本发明提出了全新的永磁同步发电机系统化设计方法，该设计方法继承了现有设计方法中“磁路计算”与“参数计算”解析算法的优点，创造了“基波特性设计”和“谐波计算与校核”相结合的设计方法，解决了现有设计方法不能解决的永磁同步发电机设计中“系统”、“谐波”和“转子损耗”等关键问题。
附图说明
图1所示的是本发明中永磁发电机性能核算流程图；
图2所示的是本发明中永磁同步发电机系统设计方法框图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细地说明。
PWM整流器控制下永磁发电机系统化设计方法技术方案。
本发明以PWM整流器与交流永磁发电机构成的永磁可控发电系统为对象，解决系统条件下永磁同步发电机设计中永磁同步发电机参数匹配设计、永磁发电机谐波电流抑制和永磁发电机转子损耗计算与抑制等三个关键问题，建立全新的可控永磁发电系统永磁同步发电机设计程序和方法。
电机的性能主要由其基波特性决定，谐波会对性能产生一定的影响，特别是在可控永磁发电系统中，由于PWM整流器工作于开关状态，产生的高次谐波电流会对系统发热及可控性产生比较大的影响。因此本发明确立 的可控永磁发电系统永磁同步发电机设计的第一个原则是“以基波为主，兼顾谐波影响”，即在电机设计中主要由基波模型来设计和计算发电机的特性，把基波特性放在第一位，同时也不忽视对谐波的分析和抑制。这个原则既符合电机运行的通用原理，同时也抓住了本发明永磁同步发电机设计中的主要矛盾，简化了设计过程，增加了可行性。
在可控永磁发电系统中，永磁同步发电机始终与PWM整流器一起工作，其特性受到了PWM整流器约束和控制，电机永远是系统中的电机。因此本发明确立的第二个设计原则是“在系统中设计电机”，即不论是在分析基波特性，还是谐波影响时，始终都考虑到系统对电机的影响和约束。
因此本发明将永磁同步发电机的设计分为“基波特性设计”和“谐波分析与校核”两个部分。
基波特性设计主要完成电机参数设计和基波性能校核，它在传统的永磁发电机设计方法的基础上，结合了PWM整流器控制，主要过程如下：
(1)主要尺寸确定：发电机主要初始尺寸的确定与传统电机相同，采用经验公式确定或者根据技术要求确定。
(2)极对数匹配设计：发电机的极对数越多，发电机在主要尺寸一定的条件下定子线圈的端部越短，电机轴向尺寸小，并且铜耗也变小；但极对数增多会使电机基本频率变大，在PWM整流器控制下，若系统的开关频率一定，则会使载波比减小，会使定子电流谐波增多，甚至系统失控。本发明以电机轴向尺寸Lt和控制系统需要的载波比M作为约束条件，综合电机本体和控制系统要求来确定发电机的极对数。
(3)转子磁路匹配设计：永磁电机转子磁路形式多样，对于径向磁路而言，主要包括表贴式和内置式两类。表贴式永磁发电机气隙大、漏磁较小、电 枢反应电感小、空载电动波形较好、电压调整率低；内置式永磁发电机气隙小、漏磁较大、电枢反应电感大、空载电动势波形交差、电压调整率较高。但永磁可控发电系统需要电机有较大的电感，以便于控制；又因为表贴式永磁发电机永磁体直接面对气隙，定子电流高次谐波产生的谐波磁动势会在永磁体表面产生涡流损耗，引起永磁体局部发热严重，甚至失磁。因此综合PWM整流器系统需求考虑，可控永磁发电系统中永磁发电机转子磁路选择内置式结构。
(4)永磁体尺寸和匝数匹配设计：永磁体尺寸和匝数是永磁电机最重要的设计参数，它们主要决定了发电机的永磁磁链(空载电动势)和电感的大小，直接影响电机的性能。对永磁可控发电系统永磁发电机的永磁体尺寸和匝数进行设计时，除了要遵循传统永磁电机一般设计原则外，还必须考虑到与系统参数的匹配。本发明以电机性能、系统直流母线电压大小和系统对电机电感量的需求等三个因素综合设计永磁体尺寸和电机绕组匝数。
(5)电机性能核算：性能核算是电机设计的最后一个步骤，也是最重的一个步骤。传统的永磁发电机性能核算是利用发电机的功角特性和稳态模型，这种核算方法对直接并网型永磁发电机是适用的，但是对于PWM控制下的永磁发电机则不适用了。本发明将PWM整流器的控制策略和对发电机电压、电流的约束引入到发电机的性能核算中，与永磁同步发电机“电流内环、电压(功率)外环”的基本控制策略相对应，建立“先计算电流、后核算电压”的永磁同步发电机性能系统化核算方法。该核算方法共由三个嵌套的判定构成：
①根据设计得到的电机参数和发电机的运行条件，按照特定的控制策略和发电机的数学模型计算出发电机定子电流d、q轴分量的大小，并判定定子 电流是否满足系统的要求，如果不满足则重新设计参数；
②根据发电机数学模型中的电压方程，计算出发电机定子电压d、q轴分量的大小以及定子电压的大小，并判定定子电压是否满足PWM整流器对发电机定子端电压的要求，如果不满足则重新设计参数；
③计算发电机电流密度、效率等其它性能参数；发电机性能核算程序如图1所示。
电机设计中的各个参数对电机性能都有影响，并且它们之间还有强烈的耦合关系，因此本发明在进行电机“基波特性设计”时，拟采用遗传算法将上述步骤联系起来。拟将电机的导线直径、极对数、主要尺寸、匝数、永磁体尺寸等电机设计参数作为设计变量，将直流母线电压、最大电流、调制比、控制策略和系统需要的电感量等系统参数作为约束条件，以发电机的技术指标作为目标函数进行优化设计，以寻求永磁发电机与PWM整流装置最优匹配的电机参数设计。
谐波分析与校核是在已有电机设计参数的基础上，分析在系统控制条件下发电机定子电流谐波含量，电磁场空间谐波及其在转子中产生的损耗，并判定是否符合设计要求，其主要分为：
(1)定子电流谐波分析：可控永磁发电系统中的永磁发电机定子电流谐波主要包括由电机本体非线性引起的低次谐波和由电力电子装置开关引起的高次谐波。低次谐波通过特殊的电磁设计方法可以得到削弱，高次开关谐波则与电力电子装置的开关频率、发电机的电感以及控制参数的选择有关，通过解析的方法求得定子电流高次谐波比较困难，本发明拟借用相关软件对永磁发电机的定子高次谐波进行分析：
①将已有的电机设计参数生成有限元电机模型；
②根据载波比、调制比、直流电压和控制策略等系统约束参数生成PWM整流器模型；
③将电机有限元模型和PWM整流器模型联合起来进行系统联合仿真，模拟电机运行并得到电流波形；
④对生成的电流波形进行傅里叶分解，求取各次谐波含量及其波形畸变率。最后根据得到的定子电流谐波分析结果，判定是否满足设计要求，否则重新调整电机设计参数。
(2)转子损耗分析：转子损耗主要包括永磁体表面涡流损耗和转子铁心损耗，它们不仅与电机本身的磁场有关还与电机定子电流谐波含量有关，因此必须在系统条件下进行转子损耗的分析与计算。本发明拟采用解析分析与系统有限元仿真相结合的方法来分析转子损耗：
①采用基于Benotti理论建立非正弦分立铁耗计算模型，同时考虑交变磁化和旋转磁化对电机铁耗的影响，利用不同的计算铁耗方法对永磁电机的铁心损耗进行计算；
②利用分析定子电流谐波时建立的系统仿真模型通过仿真计算转子铁心损耗和永磁体表面涡流损耗；
③利用仿真结果对解析结果进行修正得到最终的转子损耗；
④判断是否符合系统技术的要求，否则重新调整电机设计参数。
通过上面的分析可知，永磁发电机定子谐波电流和转子损耗与电机本身的设计参数以及系统参数都密切相关，本发明在永磁发电机设计中增加“谐波分析与校核”环节，通过仿真的手段反复寻求上述电机设计参数与系统参数之间的最优匹配关系，以有效地削弱定子高次谐波电流和转子损耗。
将上述各个步骤整合，就形成了本发明提出了可控永磁发电系统永磁同步发电机系统设计方法，其设计流程框图如图2所示。根据所确立的“基波为主，兼顾谐波影响”和“在系统中设计电机”的两个原则，整个设计过程分为相互关联“基波特性设计”和“谐波分析与校核”两大环节，在“基波特性设计”中充分考虑到系统对发电机的约束和影响(图中红色框中的环节都是采用系统化匹配设计的环节)，最终电机系统化设计参数由“基波特性设计”和“谐波分析与校核”两大环节共同确定。
Claims (1)
1.PWM整流器控制下交流永磁发电机系统化设计方法，其特征在于，该设计方法主要分为基波特性设计和谐波分析与校核两个部分，
所述基波特性设计主要完成电机参数设计和基波性能校核，它在传统的永磁发电机设计方法的基础上，结合了PWM整流器控制，主要过程如下：
(1)主要尺寸确定：发电机主要初始尺寸的确定与传统电机相同，采用经验公式确定或者根据技术要求确定；
(2)极对数匹配设计：以电机轴向尺寸Lt和控制系统需要的载波比M作为约束条件，综合电机本体和控制系统要求来确定发电机的极对数；
(3)转子磁路匹配设计：永磁电机转子磁路形式多样，对于径向磁路而言，主要包括表贴式和内置式两类，表贴式永磁发电机气隙大、漏磁较小、电枢反应电感小、空载电动波形较好、电压调整率低；内置式永磁发电机气隙小、漏磁较大、电枢反应电感大、空载电动势波形交差、电压调整率较高，但永磁可控发电系统需要电机有较大的电感，以便于控制；又因为表贴式永磁发电机永磁体直接面对气隙，定子电流高次谐波产生的谐波磁动势会在永磁体表面产生涡流损耗，引起永磁体局部发热严重，甚至失磁，因此综合PWM整流器系统需求考虑，可控永磁发电系统中永磁发电机转子磁路选择内置式结构；
(4)永磁体尺寸和匝数匹配设计：以电机性能、系统直流母线电压大小和系统对电机电感量的需求等三个因素综合设计永磁体尺寸和电机绕组匝数；
(5)电机性能核算：
①根据设计得到的电机参数和发电机的运行条件，按照特定的控制策略和发电机的数学模型计算出发电机定子电流d、q轴分量的大小，并判定定子电流是否满足系统的要求，如果不满足则重新设计参数；
②根据发电机数学模型中的电压方程，计算出发电机定子电压d、q轴分量的大小以及定子电压的大小，并判定定子电压是否满足PWM整流器对发电机定子端电压的要求，如果不满足则重新设计参数；
③计算发电机电流密度、效率等其它性能参数；
所述谐波分析与核算是在已有电机设计参数的基础上，分析在系统控制条件下发电机定子电流谐波含量，电磁场空间谐波及其在转子中产生的损耗，并判定是否符合设计要求；
(1)定子电流谐波分析：
①将已有的电机设计参数生成有限元电机模型；
②根据载波比、调制比、直流电压和控制策略等系统约束参数生成PWM整流器模型；
③将电机有限元模型和PWM整流器模型联合起来进行系统联合仿真，模拟电机运行并得到电流波形；
④对生成的电流波形进行傅里叶分解，求取各次谐波含量及其波形畸变率，最后根据得到的定子电流谐波分析结果，判定是否满足设计要求，否则重新调整电机设计参数，
(2)转子损耗分析：
①采用基于Benotti理论建立非正弦分立铁耗计算模型，同时考虑交变磁化和旋转磁化对电机铁耗的影响，利用不同的计算铁耗方法对永磁电机的铁心损耗进行计算；
②利用分析定子电流谐波时建立的系统仿真模型通过仿真计算转子铁心损耗和永磁体表面涡流损耗；
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④判断是否符合系统技术的要求，否则重新调整电机设计参数。
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