CN105281632A - 一种混合励磁电机的电流协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合励磁电机的电流协调控制方法，包括如下步骤：步骤一、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；步骤二、通过计算得出该机械转速和该输出机械功率下电机的电枢电流、内功率因素角、励磁电流；步骤三、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。本发明一种混合励磁电机的电流协调控制方法，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。

Description

一种混合励磁电机的电流协调控制方法

技术领域

本发明涉及电机驱动与控制技术领域，具体涉及混合励磁电机的控制方法。

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心力，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-SalientPermanentMagnetMotor)；

2.1996年由罗马尼亚学者I.Boldea提出的磁通反向电机(FluxReversalMachine)；

3.1997年由法国学者E.Hoang提出的磁通切换型永磁电机(Flux-SwitchingPermanentMagnetMachine)。

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”形导磁铁心，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07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-excitationflux-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

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种混合励磁电机的电流协调控制方法，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。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种混合励磁电机的电流协调控制方法，包括如下步骤：

步骤一、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；

步骤二、通过计算得出该机械转速和该输出机械功率下电机的电枢电流、内功率因素角、励磁电流；

步骤三、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。

进一步地，所述混合励磁电机的电流协调控制方法基于空间矢量。

进一步地，所述永磁电机为任意相结构的包含有永磁体作为励磁源的电机。

进一步地，所述永磁电机为纯永磁电机。

进一步地，所述永磁电机为混合励磁电机。

进一步地，所述混合励磁电机为混合励磁磁通切换电机。

进一步地，所述混合励磁磁通切换电机为任意结构的混合励磁磁通切换电机。

进一步地，所述混合励磁磁通切换电机为转子永磁型混合励磁磁通切换电机。

进一步地，所述混合励磁磁通切换电机为定子永磁型混合励磁磁通切换电机。

进一步的，所述混合励磁磁通切换电机采用电流协调控制。

本发明一种混合励磁电机的电流协调控制方法，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，使用安全可靠。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。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明混合励磁电机的通用控制方法程序流程图；

图2是本发明计算磁通调整率α使常工作点运行时的效率最高的方法程序流程图；

图3是本发明混合励磁电机的直轴等效电路图；

图4是本发明混合励磁电机的交轴等效电路图；

图5是本发明混合励磁电机的相量图；

图6是本发明混合励磁电机的励磁支路电路图；

图7是本发明混合励磁电机在α＝1时的(Ω_*，T_*，η)三维曲线图；

图8是本发明混合励磁电机在α＝1时的(Ω_*，T_*，k_f)三维曲线图；

图9是本发明混合励磁电机在α＝0.5时的(Ω_*，T_*，η)三维曲线图；

图10是本发明混合励磁电机在α＝0.5时的(Ω_*，T_*，k_f)三维曲线图。

符号代表的缩写词：

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

P₁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

P₂输出功率

ψ内功率因数角

η效率

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种混合励磁电机的电流协调控制方法，包括如下步骤：

步骤一、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；

步骤二、通过计算得出该机械转速和该输出机械功率下电机的电枢电流、内功率因素角、励磁电流；

步骤三、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。

所述混合励磁电机的电流协调控制方法基于空间矢量；所述永磁电机为任意相结构的包含有永磁体作为励磁源的电机；所述永磁电机为纯永磁电机；所述永磁电机为混合励磁电机；所述混合励磁电机为混合励磁磁通切换电机；所述混合励磁磁通切换电机为任意结构的混合励磁磁通切换电机；所述混合励磁磁通切换电机为转子永磁型混合励磁磁通切换电机；所述混合励磁磁通切换电机为定子永磁型混合励磁磁通切换电机；所述混合励磁磁通切换电机采用电流协调控制。

本发明一种混合励磁电机的电流协调控制方法，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，使用安全可靠。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

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：

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{U}={\stackrel{\·}{E}}_m+{\stackrel{\·}{E}}_f+{\stackrel{\·}{E}}_a+{\stackrel{\·}{I}}_1{r}_a+j{\stackrel{\·}{I}}_1{x}_{\mathrm{\σ}}\\ ={\stackrel{\·}{E}}_m+{\stackrel{\·}{E}}_f+{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{ad}}+{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{aq}}+j{\stackrel{\·}{I}}_1{x}_{\mathrm{\σ}}+{\stackrel{\·}{I}}_1{r}_a\\ ={\stackrel{\·}{E}}_m+{\stackrel{\·}{E}}_f+j{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{od}}{x}_d+j{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{oq}}{x}_q+{\stackrel{\·}{I}}_1{r}_a\end{array}$

式中：

${\stackrel{\·}{E}}_m=w_e*{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{PM}}$

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{I}={\stackrel{\·}{I}}_d+{\stackrel{\·}{I}}_q\\ ={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{od}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Fed}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{oq}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Feq}}\end{array}$

$\stackrel{\·}{U}={\stackrel{\·}{U}}_d+{\stackrel{\·}{U}}_q$

且：

${\stackrel{\·}{I}}_d={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{od}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Fed}}$

${\stackrel{\·}{I}}_q={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{oq}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Feq}}$

则混合励磁电机的等效电路图如图3所示。

如图4中：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_d={\stackrel{\·}{I}}_d{r}_a+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Fed}}{r}_f\\ ={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{oq}}{x}_q(1+\frac{r_a}{r_f})+r_a{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{od}}\end{array}$

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_q={\stackrel{\·}{I}}_q{r}_a+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Feq}}{r}_f\\ =({\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{od}}{x}_d+E_{\mathrm{PM}}+E_f)(1+\frac{r_a}{r_f})+r_a{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{oq}}\end{array}$

混合励磁电机的相量图如图5所示；

混合励磁电机的励磁支路电路图如图6所示。

由图5可得：I_f＝U_f/r_f。

且：定义励磁系数k_f为：

Φ_exc＝Φ_PM+Φ_f＝k_f·Φ_emax

定义磁通调整率α为：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{PM}}}{{\mathrm{\Φ}}_{e\max }}$

定义电枢和励磁供电功率等级比β为：

$\mathrm{\β}=\frac{V_m\·I_m}{V_{\mathrm{em}}\·I_{\mathrm{em}}}$

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_nΦ_PMm，能量的基值为I_PMmU_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P₂的标幺值P_2*＝P₂/(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_fn；

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HEFS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：

P_1*＝p_mec*+p_Fe*+p_Cu*+p_Δ*+P_2*

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：

$\begin{array}{c}{k}_f=\mathrm{\α}+\frac{{\mathrm{MI}}_f}{{\mathrm{\Φ}}_{e\max }}=\mathrm{\α}+\frac{{\mathrm{MI}}_f}{{\mathrm{\Φ}}_{e\max }}=\mathrm{\α}+\frac{M_{*}{U}_{\mathrm{PMm}}{I}_f}{{\mathrm{\ω}}_n{\mathrm{\Φ}}_{e\max }{I}_{\mathrm{fN}}}\\ =\mathrm{\α}+\frac{M_{*}{\mathrm{\Φ}}_{e\max }p{\mathrm{\Ω}}_n{I}_f}{{\mathrm{\ω}}_n{\mathrm{\Φ}}_{e\max }{I}_{\mathrm{fN}}}=\mathrm{\α}+\frac{M_{*}p{\mathrm{\Ω}}_n{I}_f}{{\mathrm{\ω}}_n{I}_{\mathrm{fN}}}\\ =\mathrm{\α}+M_{*}{I}_{f*}\end{array}$

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：

P_2*＝Ω_**T_*

且混合励磁磁通切换电机的效率η可以表示为：

$\mathrm{\η}=\frac{P_{2*}}{P_{1*}}=\frac{{\mathrm{\Ω}}_{*}*T_{*}}{{\mathrm{\Ω}}_{*}*T_{*}+p_{\mathrm{Cu}*}+p_{\mathrm{Fe}*}+p_{\mathrm{mec}*}+p_{\mathrm{\Δ}*}}$

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：

p_Cu*+p_Fe*＝f(I,ψ,k_f,α,L_d,ρ,β)

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1的流程图程序可以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。由图2的流程图程序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。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合励磁电机的电流协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、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；

步骤二、通过计算得出该机械转速和该输出机械功率下电机的电枢电流、内功率因素角、励磁电流；

步骤三、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。

2.根据权利要求1所述的一种混合励磁电机的电流协调控制方法，其特征在于：所述混合励磁电机的电流协调控制方法基于空间矢量。

3.根据权利要求1所述的一种混合励磁电机的电流协调控制方法，其特征在于：所述永磁电机为任意相结构的包含有永磁体作为励磁源的电机。

4.根据权利要求3所述的一种混合励磁电机的电流协调控制方法，其特征在于：所述永磁电机为纯永磁电机。

5.根据权利要求3所述的一种混合励磁电机的电流协调控制方法，其特征在于：所述永磁电机为混合励磁电机。

6.根据权利要求3所述的一种混合励磁电机的电流协调控制方法，其特征在于：所述混合励磁电机为混合励磁磁通切换电机。

7.根据权利要求6所述的一种混合励磁电机的电流协调控制方法，其特征在于：所述混合励磁磁通切换电机为任意结构的混合励磁磁通切换电机。

8.根据权利要求6所述的一种混合励磁电机的电流协调控制方法，其特征在于：所述混合励磁磁通切换电机为转子永磁型混合励磁磁通切换电机。

9.根据权利要求6所述的一种混合励磁电机的电流协调控制方法，其特征在于：所述混合励磁磁通切换电机为定子永磁型混合励磁磁通切换电机。

10.根据权利要求1所述的一种混合励磁电机的电流协调控制方法，其特征在于：所述混合励磁磁通切换电机采用电流协调控制。