CN110299878B - 一种电励磁双凸极电机角度位置半控发电控制系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电励磁双凸极电机角度位置半控发电控制系统的控制方法,包括位置检测器、电压检测器、电励磁双凸极电机、主功率变换器、电压调节器与控制器。其中电压调节器根据给定电压与检测电压的差值产生控制角度给定值;控制器根据电机角度位置检测值结合角度位置半控发电方式判断电机所处扇区后,按控制角度给定值对主功率变换器相应开关管进行控制。本发明公开的可控整流控制策略,通过主功率变换器的控制实现了输出电压的调节,有利于改善传统电励磁双凸极电机不控整流发电系统在宽转速发电中存在的励磁机构设计困难问题,从而拓宽应用的转速范围,适合应用于航空、风力发电等行业。
Description
技术领域
本发明涉及一种电励磁双凸极电机角度位置半控发电控制系统及方法,属于电机控制技术领域。
背景技术
电励磁双凸极发电机定、转子均为凸极齿槽结构,定子上集中绕制电枢绕组,定子槽中嵌入励磁绕组,转子上无绕组,具有结构简单、控制灵活、容错性能好的优点,在航空、风力等领域具有广泛应用前景。传统的电励磁双凸极发电机使用二极管全桥电路构成不控整流发电系统,具有结构简单、成本低的优点。但由于其输出电压仅能通过励磁电流进行调节,且励磁电流与电机转速基本成反比例函数关系,当其应用于宽转速范围发电系统时,存在低转速范围励磁电流过大导致励磁机构设计困难,成本升高的问题。
目前,关于电励磁双凸极电机可控整流系统的研究尚处于起步阶段。公开的中国发明专利:电励磁双凸极电机可控半波整流发电系统,申请号:201110161224.2,提出了将二极管全桥电路下管替换为功率开关管的半波变换器,在此基础上根据电机中性点连接方式提出了两种可控整流发电系统。公开的中国发明专利:电励磁双凸极电机可控单相桥整流发电系统,申请号:201110161232.1,将电励磁双凸极电机定子绕组分别接单相桥式可控整流电路独立整流后再并联输出,可分别通过励磁电流实现调压与桥式电路实现功率因数校正。然而,上述研究主要集中于可控发电拓扑的研究,未进行可控整流发电输出电压控制策略的研究。
发明内容
发明目的:为提高可控整流发电方式在宽转速发电中的实际应用能力,本发明提供一种电励磁双凸极电机角度位置半控发电控制系统及方法。
技术方案:为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种电励磁双凸极电机角度位置半控发电控制系统,包括位置检测器、电压检测器、主功率变换器、电压调节器以及控制器,其中:
所述电压检测器用于检测电励磁双凸极电机的电压,得到检测电压u0。
所述电压调节器用于根据给定电压Uref与检测电压u0的差值产生控制角度给定值θc。
所述位置检测器用于检测电励磁双凸极电机的电机角度位置,得到电机角度θ。
所述控制器根据电机角度θ结合角度位置半控发电方式判断电机所处扇区后,按控制角度给定值θc对主功率变换器相应开关管进行控制。
所述主功率变换器根据控制器对相应的开关管进行控制,产生控制信号对电励磁双凸极电机进行控制。
角度位置半控发电方式基于“电感上升区正向储能,电感下降区负向储能”的原则将电感的每一个电角度周期分为三个扇区进行控制。具体控制方式为:
若电机位于第一扇区[0°,120°),控制TA1导通使得A相绕组产生正向电流进行正向储能,控制TC2导通使得C相绕组产生负向电流进行负向储能,导通角度范围为θc。超出导通角度范围后,关闭TA1与TC2进入发电阶段。
若电机位于第二扇区[120°,240°),控制TA2导通使得A相绕组产生负向电流进行负向储能,控制TB1导通使得B相绕组产生正向电流进行正向储能,导通角度范围为θc。超出导通角度范围后,关闭TA2与TB1进入发电阶段。
若电机位于第三扇区[240°,360°),控制TB2导通使得B相绕组产生负向电流进行负向储能,控制TC1导通使得C相绕组产生正向电流进行正向储能,导通角度范围为θc。超出导通角度范围后,关闭TB2与TC1进入发电阶段。
主功率电路由6个上桥臂为二极管,下桥臂为IGBT及反并二极管构成的桥臂单元组成。A相绕组出线端分别接于第一桥臂与第四桥臂的中间点构成A相整流电路。B相绕组出线端分别接于第二桥臂与第五桥臂的中间点构成B相整流电路。C相绕组出线端分别接于第三桥臂与第六桥臂的中间点构成C相整流电路。
本发明相比现有技术,具有以下有益效果:
1.使用仅下桥臂控制的半控整流方式,有利于降低对储能电容电压脉动的影响;
2.在一个扇区内仅开关一次开关管,频率低开关损耗较低,且有利于低器件成本。
3.可结合励磁调压构成双调压控制系统,有利于拓宽电励磁双凸极发电运行转速范围。
附图说明
图1是电励磁双凸极电机角度位置半控发电控制策略结构图。
图2是主功率电路拓扑图。
图3是角度位置半控发电控制方式驱动逻辑图。
图4是第一扇区TA1与TC2开通等效电路图。
图5是第一扇区TA1与TC2关断等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种电励磁双凸极电机角度位置半控发电控制系统,如图1所示,包括位置检测器、电压检测器、主功率变换器、电压调节器以及控制器,其中:
所述电压检测器用于检测电励磁双凸极电机的电压,得到检测电压u0。
所述电压调节器用于根据给定电压Uref与检测电压u0的差值产生控制角度给定值θc。
所述位置检测器用于检测电励磁双凸极电机的电机角度位置,得到电机角度θ。
所述控制器根据电机角度θ结合角度位置半控发电方式判断电机所处扇区后,按控制角度给定值θc对主功率变换器相应开关管进行控制。
所述主功率变换器根据控制器对相应的开关管进行控制,产生控制信号对电励磁双凸极电机进行控制。
如图2所示,所述主功率变换器包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂、电容C、电阻R,所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂、电容C、电阻R并联在电源上,其中:
所述第一桥臂包括第一开关管一TA1、第一二极管一DA1、第一二极管二DA2,所述第一二极管一DA1、第一开关管一TA1相串联,所述第一二极管二DA2反并在第一开关管一TA1上,所述第一二极管一DA1为第一桥臂的上桥臂,所述第一开关管一TA1、第一二极管二DA2组成第一桥臂的下桥臂。
所述第四桥臂包括第一开关管二TA2、第一二极管三DA3、第一二极管四DA4,所述第一二极管三DA3、第一开关管二TA2相串联,所述第一二极管四DA4反并在第一开关管二TA2上,所述第一二极管三DA3为第四桥臂的上桥臂,所述第一开关管二TA2、第一二极管四DA4组成第四桥臂的下桥臂。
A相绕组出线端分别接于第一桥臂与第四桥臂的中间点构成A相整流电路。
所述第二桥臂包括第二开关管一TB1、第二二极管一DB1、第二二极管二DB2,所述第二二极管一DB1、第二开关管一TB1相串联,所述第二二极管二DB2反并在第二开关管一TB1上,所述第二二极管一DB1为第二桥臂的上桥臂,所述第二开关管一TB1、第二二极管二DB2组成第二桥臂的下桥臂。
所述第五桥臂包括第二开关管二TB2、第二二极管三DB3、第二二极管四DB4,所述第二二极管三DB3、第二开关管二TB2相串联,所述第二二极管四DB4反并在第二开关管二TB2上,所述第二二极管三DB3为第五桥臂的上桥臂,所述第二开关管二TB2、第二二极管四DB4组成第五桥臂的下桥臂。
B相绕组出线端分别接于第二桥臂与第五桥臂的中间点构成B相整流电路。
所述第三桥臂包括第三开关管一TC1、第三二极管一DC1、第三二极管二DC2,所述第三二极管一DC1、第三开关管一TC1相串联,所述第三二极管二DC2反并在第三开关管一TC1上,所述第三二极管一DC1为第三桥臂的上桥臂,所述第三开关管一TC1、第三二极管二DC2组成第三桥臂的下桥臂。
所述第六桥臂包括第三开关管二TC2、第三二极管三DC3、第三二极管四DC4,所述第三二极管三DC3、第三开关管二TC2相串联,所述第三二极管四DC4反并在第三开关管二TC2上,所述第三二极管三DC3为第六桥臂的上桥臂,所述第三开关管二TC2、第三二极管四DC4组成第六桥臂的下桥臂。
C相绕组出线端分别接于第三桥臂与第六桥臂的中间点构成C相整流电路。
一种电励磁双凸极电机角度位置半控发电控制系统的控制方法,角度位置半控发电方式如图3所示基于“电感上升区正向储能,电感下降区负向储能”的原则将电感的每一个电角度周期分为三个扇区进行控制。三个扇区分别为第一扇区[0°,120°)、第二扇区[120°,240°)、第三扇区[240°,360°)。
当电机位于第一扇区[0°,120°)时,A相绕组处于电感上升区具有正向的励磁感应电势,此时第一开关管一TA1的导通可构成短路回路TA1-DA4-A相绕组-TA1,该阶段A相绕组产生正向电流进行正向储能。B相绕组处于电感不变区励磁感应电势为零,不具备能量转换能力,无需控制。C相绕组处于电感下降区具有负向的励磁感应电势,此时第三开关管二TC2的导通可构成短路回路TC2-DC2-C相绕组-TC2,该阶段C相绕组产生负向电流进行负向储能。由于储能大小可以通过导通角度的进行控制,从而影响输出电压,因此可构成角度位置半控调压系统,此时导通角度即为由电压调节器输出的给定值θc,相应的等效电路图如图4所示。当超出θc范围后,电机工作于不控整流发电状态,等效电路图如图5所示。
当电机位于第二扇区[120°,240°)时,A相绕组处于电感下降区具有负向的励磁感应电势,此时第一开关管二TA2的导通可构成短路回路TA2-DA2-A相绕组-TA2,该阶段A相绕组产生负向电流进行负向储能。B相绕组处于电感上升区具有正向的励磁感应电势,此时第二开关管一TB1的导通可构成短路回路TB1-DB4-B相绕组-TB1,该阶段B相绕组产生正向电流进行正向储能。C相绕组处于电感不变区励磁感应电势为零,不具备能量转换能力,无需控制。导通角度范围为θc。超出导通角度范围后,关闭TA2和TB1进入不控整流发电阶段。
当电机位于第三扇区[240°,360°)时,A相绕组处于电感不变区励磁感应电势为零,不具备能量转换能力,无需控制。B相绕组处于电感下降区具有负向的励磁感应电势,此时第二开关管二TB2的导通可构成短路回路TB2-DB2-B相绕组-TB2,该阶段B相绕组产生负向电流进行负向储能。C相绕组处于电感上升区具有正向的励磁感应电势,此时第三开关管一TC1的导通可构成短路回路TC1-DC4-C相绕组-TC1,该阶段C相绕组产生正向电流进行正向储能。
本发明通过主功率变换器的控制实现了输出电压的调节,充分利用了电枢绕组在发电中的能力,有利于改善传统电励磁双凸极电机不控整流发电系统在宽转速发电中存在的励磁机构设计困难问题,从而拓宽应用的转速范围,适合应用于航空、风力发电等行业。
本技术领域技术人员可以理解的是,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,文中的中文序号第一、第二、一、二等,只是为了区分各个技术术语,并不对其进行限定。另外诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种电励磁双凸极电机角度位置半控发电控制系统的控制方法,其特征在于:包括位置检测器、电压检测器、主功率变换器、电压调节器以及控制器,其中:
所述电压检测器用于检测电励磁双凸极电机的电压,得到检测电压u0;
所述电压调节器用于根据给定电压Uref与检测电压u0的差值产生控制角度给定值θc;
所述位置检测器用于检测电励磁双凸极电机的电机角度位置,得到电机角度θ;
所述控制器根据电机角度θ结合角度位置半控发电方式判断电机所处扇区后,按控制角度给定值θc对主功率变换器相应开关管进行控制;
所述主功率变换器根据控制器产生的控制信号对相应的开关管进行控制,从而对对电励磁双凸极电机进行控制;
所述主功率变换器包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂、电容C、电阻R,所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂、电容C、电阻R并联在电源上,其中:
所述第一桥臂包括第一开关管一TA1、第一二极管一DA1、第一二极管二DA2,所述第一二极管一DA1、第一开关管一TA1相串联,所述第一二极管二DA2反并在第一开关管一TA1上,所述第一二极管一DA1为第一桥臂的上桥臂,所述第一开关管一TA1、第一二极管二DA2组成第一桥臂的下桥臂;
所述第四桥臂包括第一开关管二TA2、第一二极管三DA3、第一二极管四DA4,所述第一二极管三DA3、第一开关管二TA2相串联,所述第一二极管四DA4反并在第一开关管二TA2上,所述第一二极管三DA3为第四桥臂的上桥臂,所述第一开关管二TA2、第一二极管四DA4组成第四桥臂的下桥臂;
A相绕组出线端分别接于第一桥臂与第四桥臂的中间点构成A相整流电路;
所述第二桥臂包括第二开关管一TB1、第二二极管一DB1、第二二极管二DB2,所述第二二极管一DB1、第二开关管一TB1相串联,所述第二二极管二DB2反并在第二开关管一TB1上,所述第二二极管一DB1为第二桥臂的上桥臂,所述第二开关管一TB1、第二二极管二DB2组成第二桥臂的下桥臂;
所述第五桥臂包括第二开关管二TB2、第二二极管三DB3、第二二极管四DB4,所述第二二极管三DB3、第二开关管二TB2相串联,所述第二二极管四DB4反并在第二开关管二TB2上,所述第二二极管三DB3为第五桥臂的上桥臂,所述第二开关管二TB2、第二二极管四DB4组成第五桥臂的下桥臂;
B相绕组出线端分别接于第二桥臂与第五桥臂的中间点构成B相整流电路;
所述第三桥臂包括第三开关管一TC1、第三二极管一DC1、第三二极管二DC2,所述第三二极管一DC1、第三开关管一TC1相串联,所述第三二极管二DC2反并在第三开关管一TC1上,所述第三二极管一DC1为第三桥臂的上桥臂,所述第三开关管一TC1、第三二极管二DC2组成第三桥臂的下桥臂;
所述第六桥臂包括第三开关管二TC2、第三二极管三DC3、第三二极管四DC4,所述第三二极管三DC3、第三开关管二TC2相串联,所述第三二极管四DC4反并在第三开关管二TC2上,所述第三二极管三DC3为第六桥臂的上桥臂,所述第三开关管二TC2、第三二极管四DC4组成第六桥臂的下桥臂;
C相绕组出线端分别接于第三桥臂与第六桥臂的中间点构成C相整流电路;
将电感的每一个电角度周期分为三个扇区,三个扇区分别为第一扇区[0°,120°)、第二扇区[120°,240°)、第三扇区[240°,360°);
当电机位于第一扇区时,A相绕组处于电感上升区具有正向的励磁感应电势,此时第一开关管一TA1的导通构成短路回路TA1-DA4-A相绕组-TA1,该阶段A相绕组产生正向电流进行正向储能;B相绕组处于电感不变区励磁感应电势为零,不具备能量转换能力,无需控制;C相绕组处于电感下降区具有负向的励磁感应电势,此时第三开关管二TC2的导通可构成短路回路TC2-DC2-C相绕组-TC2,该阶段C相绕组产生负向电流进行负向储能;储能大小通过导通角度进行控制,从而影响输出电压,构成角度位置半控调压系统,此时导通角度即为由电压调节器输出的控制角度给定值θc;当超出控制角度给定值θc范围后,电机工作于不控整流发电状态;
当电机位于第二扇区时,A相绕组处于电感下降区具有负向的励磁感应电势,此时第一开关管二TA2的导通构成短路回路TA2-DA2-A相绕组-TA2,该阶段A相绕组产生负向电流进行负向储能;B相绕组处于电感上升区具有正向的励磁感应电势,此时第二开关管一TB1的导通构成短路回路TB1-DB4-B相绕组-TB1,该阶段B相绕组产生正向电流进行正向储能;C相绕组处于电感不变区励磁感应电势为零,不具备能量转换能力,无需控制;导通角度范围为θc;超出导通角度范围后,电机工作于不控整流发电阶段;
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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