CN111525857A - 电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法，利用整流桥直流侧滤波电容这一储能环节，通过反馈电容能量状态信息，实现对直流侧电压的间接控制。在计及转速和负载的基础上，引入输出电流与励磁电流间比例环节，实现发电机在不同工况下的参数适应。本发明包括以不控整流桥滤波电容存储能量为调节对象的电容能量外环控制；解算不同工况下输出电流与励磁电流关系的比例环节；以励磁电流为调节对象的励磁电流内环控制。本发明能够实现对同步发电机直流输出电压的稳定控制，加速发电机直流侧负载变化时的动态调节过程，对不同的工况具有很强的适应性，能够保持直流侧输出电压的相对稳定，增强供电系统的动态性能。

Description

电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法

技术领域

本发明涉及一种电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法，属于电气控制 技术领域。

背景技术

电励磁直流同步发电机内包含了电枢绕组和励磁绕组。通过调节励磁绕组励磁电流可实 现对发电机输出的控制。电枢绕组通过不控整流器实现整流，输出直流电压。因为电励磁直 流同步发电机具有结构简单、可靠性高、成本低廉、易于故障灭磁等突出优点，特别适用于 航空电源等高转速、严苛环境的应用领域。

发电机是航空供电系统的核心组件，航空供电系统对航空直流发电机的要求很高。

首先，航空直流发电机的输出电压需要保持稳定，在工况发生变化时需要及时响应工况 的变化，适时作出调整，保证输出电压满足相关标准的要求，并尽量缩短动态调节的时间， 平抑动态调节的电压尖峰和低谷。

第二，航空供电系统中的用电设备经常会有剧烈地突加突卸负载动作，从而造成电压的 剧烈波动。

第三，航空发电机转速变化范围大，造成电机在不同转速下的参数发生改变，从而难以 选取适合整个转速范围的控制参数。

航空电励磁直流同步发电机特殊的工作条件使发电机控制较为困难，造成动态调节时间 较长、动态调节中电压波动较大、转速发生改变时控制效果劣化等问题。

现有技术中，针对电励磁直流同步发电机的控制方法，存在动态调节速度慢，动态电压 波动大，转速变化适应性差等缺点，无法满足电励磁直流同步发电机在航空供电系统中的动 态特性的要求和宽转速范围的要求。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种电励磁直流同步发电机不控整流电容 能量外环控制方法，能够加速电励磁直流同步发电机直流输出电压的动态调节速度，缩短动 态调节时间，减小电压波动，并能够实现对于转速变化的良好适应，在不同的转速下保持良 好的控制效果。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种电励磁直流同步发电机不控整流电 容能量外环控制方法，包括如下步骤：

步骤一、在电励磁直流同步发电机转速范围内选取多个采样点，在直流侧输出电流最大 值范围内选取多个采样点，在上述采样点下测量电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流和 直流侧输出电流，根据测量信息拟合出电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流和直流侧输 出电流的函数关系；

步骤二、利用直流侧参考电压和直流侧滤波电容，计算出滤波电容存储能量的参考值；

步骤三、采集直流侧输出电压、输出电流、励磁电流和转速信息，通过直流侧输出电压 和直流侧滤波电容，计算出滤波电容存储能量的实际值；再将滤波电容存储能量的实际值与 步骤二得到的滤波电容存储能量的参考值进行比较，通过负反馈控制解算出使滤波电容存储 能量恢复到参考值所需要的电容电流参考值；

步骤四、通过步骤三得到的电容电流参考值得到电励磁直流同步发电机直流侧输出电流 的参考值；

步骤五、将直流侧输出电流的参考值代入步骤一得到的函数关系，计算出励磁电流参考 值；

步骤六、结合励磁电流参考值与励磁电流反馈值进行负反馈控制计算出励磁电流功率驱 动电路的占空比，实现对励磁电流、直流侧输出电压和输出电容存储能量的控制。

对上述技术方案的进一步设计为：所述的电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流和直 流侧输出电流的函数关系的拟合方法过程为：

根据不同转速下输出电流与励磁电流的关系，拟合出以输出电流和转速为自变量，以励 磁电流为因变量的函数关系，用以表征不同工况下输出电流与励磁电流之间的比例关系。

所述步骤一中在电励磁直流同步发电机转速范围内选取至少五个采样点，在直流侧输出 电流最大值范围内选取至少五个采样点。

所述滤波电容存储能量的参考值的计算公式如下：

E_ref＝CV² _ref/2

式中，E_ref为滤波电容储存能量的参考值，C为滤波电容的容值，V_ref为直流侧参考电压。

所述电励磁直流同步发电机直流侧输出电流的参考值为电容电流参考值与直流侧输出电 流之和。

本发明的有益效果在于：

(1)利用直流侧电容存储能量作为外环控制的目标参数，通过反馈的存储能量实际值计 算出电容电流参考值，并间接达到控制直流侧电压的目的。该方法取代原有的以直流侧输出 电压为控制目标的外环控制。在实现对直流侧输出电压稳定控制的同时，可以同时反馈直流 侧输出电流，实现对负载变化的适应控制。

(2)由于引入了电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流、直流侧输出电流的函数关系， 使发电机控制能够同时适应不同的转速和直流侧输出电流工况。采用本发明提供的电励磁直 流同步发电机控制方法，可以实现对转速变化、负载变化的适应，减少转速变化、负载变化 时产生的电压突变，加速转速变化、负载变化变化时的调节速度，实现对动态性能的优化。

(3)本发明专利所述的电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流、直流侧输出电流的函 数关系通过较少的实验即可拟合获得，因此方便快捷，克服了传统控制方法参数整定困难的 缺点。

附图说明

图1是一种电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法框图；

图2是一种电励磁直流同步发电机输出电流与励磁电流比值关系实测值；

图3是根据电励磁直流同步发电机输出电流与励磁电流比值关系实测值进行的拟合函数；

图4是采用普通电压外环控制方法时9kW发电机在5000r/min转速下，负载在6kW和1kW之间突变时的输出电压响应情况；

图5是采用本发明电容能量外环控制方法时9kW发电机在5000r/min转速下，负载在6kW 和1kW之间突变时的输出电压响应情况；。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明实施例提供一种电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法。其中， 电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法的原理框图如图1所示，包括励磁电 流功率驱动A1，电励磁同步发电机A2，不控整流器A3，直流侧滤波电容A4，直流负载A5， 励磁电流传感器A6，直流侧输出电压传感器A7，直流侧输出电流传感器A8，电容能量外环 A9，负载电流励磁电流比例还价A10和励磁电流内环A11。图1中的参数i_f代表发电机励磁 电流，i_dc代表发电机直流侧输出电流，u_dc代表发电机直流侧输出电压，C代表滤波电容容值， r代表直流侧负载阻值，S_ref代表滤波电容存储能量的参考值，S_e代表滤波电容存储容量的实 际值，i_e代表使滤波电容存储容量到达参考值所需要的电容电流，i_ref代表发电机输出电流才 参考值，k₂用于表征输出电流与励磁电流之间呈现出正比例的关系，i_fref代表励磁电流的参考 值，d代表励磁电流功率驱动电路的占空比。

本实施例电励磁直流同步发电机不控整流测试平台，包括电励磁直流发电机、拖动测试 平台的驱动电机、整流器、负载、控制器和励磁电源；所述控制器包含一种电励磁直流同步 发电机不控整流电容能量外环控制方法和传统电压外环控制方法。

本实施例的电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法，包括如下步骤：

步骤一、保持电励磁直流同步发电机的直流侧输出电压为额定输出电压，在电励磁直流 同步发电机转速范围内选取至少五个采样点，在直流侧输出电流最大值范围内选取至少五个 采样点，在这些采样点下测量并记录电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流、直流侧输出 电流。

根据不同转速下输出电流与励磁电流的关系，拟合出以输出电流和转速为自变量，以励 磁电流为因变量的电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流和直流侧输出电流的函数关系， 该函数关系用以表征不同工况下输出电流与励磁电流之间的比例环节。

计及负载变化与转速变化的电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流、直流侧输出电流 的函数关系能够根据电励磁直流同步发电机的工况选择合适的比例系数，实现输出电流参考 值到励磁电流参考值之间的转换。

电励磁直流同步发电机输出电流和励磁电流的关系为：

上式中，I_dc为电励磁直流同步发电机直流侧电流，I_f为电励磁直流同步发电机励磁电流， L_af、L_cf为电励磁直流同步发电机电枢绕组与励磁绕组之间的互感，L_a、L_c为电励磁直流同步 发电机电枢绕组的自感、R_L为电励磁直流同步发电机直流侧负载电阻、b为电励磁直流同步 发电机电枢绕组与励磁绕组之间互感的变化率。L_a+L_c项很小，可以忽略(L_a+L_c)s不计，因此 可以简化为I_dc与I_f的比例关系：

令系数为k₂，有

电励磁直流同步发电机的输出电流与励磁电流之间呈现出正比例的关系。

步骤二、利用直流侧参考电压和已知的直流侧滤波电容容值信息，计算出滤波电容存储 能量的参考值。

E_ref＝CV² _ref/2

式中，E_ref为滤波电容储存能量的参考值，C为滤波电容的容值，V_ref为直流侧参考电压。

步骤三、采集电励磁直流同步发电机直流侧输出电压、输出电流、励磁电流和转速等信 息。通过直流侧输出电压和已知的直流侧滤波电容容值信息，计算出滤波电容存储能量的实 际值，在与所述电容存储能量的参考值进行比较后，通过负反馈控制解算出使滤波电容存储 能量恢复到参考值所需要的电容电流参考值。

本实施例设计的电容能量控制外环为：

其中，d为微分算子，S_e为电容内存储能量参考值与实际值之差值对时间的积分，V_out为反馈的电励磁直流同步发电机直流侧电压，t为时间；i_e是电容能量外环解算出的输出电流 参考值，P_e是通过电容能量控制外环PID控制器解算出的使电容内存储能量恢复参考值所需 要注入的能量，k_pE是电容能量控制外环PID控制器的比例系数、k_iE是电容能量控制外环PID 控制器的积分系数。

步骤四、通过求取电容电流参考值与直流侧输出电流之和，获得电励磁直流同步发电机 直流侧输出电流的参考值。

I_ref＝i_e+i_dc

步骤五、根据步骤一得到的电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流、直流侧输出电流 的函数关系，基于所述转速和直流侧输出电流的参考值，计算出励磁电流参考值I_fref。

步骤六、结合励磁电流参考值与励磁电流反馈值进行负反馈控制计算出励磁电流功率驱 动电路的占空比，实现对励磁电流、直流侧输出电压和输出电容存储能量的控制。具体计算 方法如下：

ds＝k_pi(I_ref-i_f)+k_iiS_i

式中，S_i是参考励磁电流与励磁电流反馈的积分，i_f是励磁电流的反馈值，k_pi是励磁电流 PID控制的比例系数，k_ii是励磁电流PID控制的积分系数。

测试实例：

基于上述实施例的进一步测试情况如下：

图2是利用所述步骤一中电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流、直流侧输出电流关 系测试方法获得的9kW电励磁直流同步发电机在额定转速范围内(5000r/min～8000r/min)， 以1000r/min间隔进行检测，在直流侧电流在额定电流范围内(0A～35A)，以5A间隔进行 检测获得的电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流、直流侧输出电流的数据。

图3是利用所述9kW电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流、直流侧输出电流数据通 过拟合得到的在额定转速范围内(5000r/min～8000r/min)和直流侧电流在额定电流范围内 (0A～35A)的电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流、直流侧输出电流关系。该函数可以 表示为：

图4是采用传统的电压外环控制方法对电励磁同步发电机进行控制的动态过程波形。在 5000r/min转速下，9kW电励磁直流同步发电机在负载从6kW突卸至1kW和从1kW突加至6kW时的直流侧电压的动态响应波形。当负载从6kW突卸至1kW时，电压峰值为289.6V， 调节时间为110ms；当负载从1kW突加至6kW时，电压谷值为251.8V，调节时间为80.2ms。

图5是采用电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法进行控制的动态过程 波形。在5000r/min转速下，9kW电励磁直流同步发电机在负载从6kW突卸至1kW和从1kW 突加至6kW时的直流侧电压的动态响应波形。当负载从6kW突卸至1kW时，电压峰值为281.2V，调节时间为61.1ms；当负载从1kW突加至6kW时，电压谷值为261.2V，调节时间 为28ms。通过对比图4和图5可以看出，采用电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环 控制方法可以有效抑制动态过程中的电压变化，同时加速动态调节时间，使电励磁直流同步发电机获得更好的动态响应。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉 本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在 本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、在电励磁直流同步发电机转速范围内选取多个采样点，在直流侧输出电流最大值范围内选取多个采样点，在上述采样点下测量电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流和直流侧输出电流，根据测量信息拟合出电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流和直流侧输出电流的函数关系；

步骤二、利用直流侧参考电压和直流侧滤波电容，计算出滤波电容存储能量的参考值；

步骤三、采集直流侧输出电压、输出电流、励磁电流和转速信息，通过直流侧输出电压和直流侧滤波电容，计算出滤波电容存储能量的实际值；再将滤波电容存储能量的实际值与步骤二得到的滤波电容存储能量的参考值进行比较，通过负反馈控制解算出使滤波电容存储能量恢复到参考值所需要的电容电流参考值；

步骤四、通过步骤三得到的电容电流参考值得到电励磁直流同步发电机直流侧输出电流的参考值；

步骤五、将直流侧输出电流的参考值代入步骤一得到的函数关系，计算出励磁电流参考值；

步骤六、结合励磁电流参考值与励磁电流反馈值进行负反馈控制计算出励磁电流功率驱动电路的占空比，实现对励磁电流、直流侧输出电压和输出电容存储能量的控制。

2.根据权利要求1所述电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法，其特征在于，所述的电励磁直流同步发电机的转速、励磁电流和直流侧输出电流的函数关系的拟合方法过程为：

根据不同转速下输出电流与励磁电流的关系，拟合出以输出电流和转速为自变量，以励磁电流为因变量的函数关系，用以表征不同工况下输出电流与励磁电流之间的比例关系。

3.根据权利要求1所述电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法，其特征在于：所述步骤一中在电励磁直流同步发电机转速范围内选取至少五个采样点，在直流侧输出电流最大值范围内选取至少五个采样点。

4.根据权利要求1所述电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法，其特征在于，所述滤波电容存储能量的参考值的计算公式如下：

E_ref＝CV² _ref/2

式中，E_ref为滤波电容储存能量的参考值，C为滤波电容的容值，V_ref为直流侧参考电压。

5.根据权利要求1所述电励磁直流同步发电机不控整流电容能量外环控制方法，其特征在于：电励磁直流同步发电机直流侧输出电流的参考值为电容电流参考值与直流侧输出电流之和。

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