（电力电子与电力传动专业论文）基于双绕组电磁式双凸极电机的双余度发电系统的研究.pdf

基于双绕组电磁式双凸极电机的双余度发电系统的研究 a b s t r a c t t h e t e c h n o l o g yo fm u l t i p l ec h a n n e l si sh e l p f u lt oi n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo f t h ea e r op o w e r - s u p p l ys y s t e m i th a sa t t r a c t e dm u c hm o r ea t t e n t i o no n d o u b l ys a l i e n t e l e c t r o - m a g n e t i cm o t o rr e c e n t l yb e c a u s eo fi t su n i q u es t r u c t u r ea n do u t s t a n d i n g c h a r a c t e r i s t i c s m u l t i p l e - c h a n n e lb r u s h l e s sd cg e n e r a t o ri sa n e wk i n do f g e n e r a t o l w h i c hi sm a d eu po fd o u b l ys a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cm o t o r i tc a ni m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo f t h ep o w e r - s u p p l ys y s t e mo f h e l i c o p t e r s t h i st h e s i ss t u d i e st w o c h a n n e l d o u b l ys a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t o rs y s t e mf r o m f o u r p e r s p e c t i v e s ，s u c h a st h e b a s i ct h e o r y , c o n t r o l ，m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na n dt h eh a r d w a l ed e s i g nf o rt h e s y s t e m f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r e ，s t a t i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo f t w o c h a n n e ld o u b l ys a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t o rs y s t e m t h er e l a t i o nb e t w e e nt h em o s t p a r a m e t e r so f t h es y s t e mi sa n a l y z e d a sar e s u l t t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e mi sb u i l t t h e n ，w i t ht h eh e l po fs i m u l i n k p s b t o o l b o xi nm a t l a b ，t h et h e s i si n t r o d u c e sak i n do f w a y t om o d e lt h es y s t e m m a n y p i e c e so ft h e o r yi nt h et h e s i sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e do nt h i sm o d e l f i n a l l y , t h e d e t a i l e dh a r d w a r ed e s i g nf o rt h es y s t e mi sg i v e n a p r o t o t y p eo f t h es y s t e mi sb u i l t u p t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa l eo b t a i n e do nt h ep r o t o t y p e ，w h i c hp r o v et h a tt h e t h e o r i e sa n dt h es i m u l a t i o n a n a l y s i sa l ec o w e c t k e y w o r d s ：t w oc h a n n e l ，d u a lw i n d i n g s ，d o u b l ys a l i e n tm o t o r , e l e c t r o m a g n e t i c n 承诺书 本人郑熏声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它手段保存论文。 作者签名： 日 期：泗噬! ；! 星 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 一、缩略词 d c d c直直变换 p w m脉宽调制 p s b s i m p o w e r s y s t e m s b l o c k s e t ( 电气系统模块工具箱) 二、公式用符号 g磁导 f磁势 口角度 毋磁通 ，、i电流 l 电感 沙磁链 u电压 r电阻 p功率 ，转矩 。角速度 矿 储能 e 电势 ”转速 d 占空比 r m i n 转分钟 绕组匝数 p i 比例积分 t h e t a 转子位置角 口 转子重叠角 r e m ( )m a t l a b 求余函数 x 基于双绕组电磁式般凸极电机的双余度发电系统的研究 三、电路用符号 c电容 ，频率 d二极管 q三极管 丁 功率管 g n d 电源地 上 发光二极管 v c c + 1 5 v 电源 v e e 一1 5 v 电源 四、主要下标 c ，铜 g给定 ， 转子 z 电感 c 电容 ，励磁绕组 “ 合成气隙 a 、b 、c 三相相位 q 、b l 、c 1a 套三相电枢绕组 d 2 、b 2 、c 2b 套三相电枢绕组 x 南京航空航天大学硕士学位论文 0 1 双凸极电机的发展 绪论 1 9 8 0 年，l e e d s 大学的l a w r e n s o n 教授等人发表了著名论文变速开关磁 阻电机，标志着开关磁阻电机正式得到国际社会的承认。开关磁阻电机结构非 常简单，定子和转子都是凸极齿槽结构，其转子上没有任何绕组，转子结构简 单、坚固，适合高速运行，并且对温度不敏感，高温环境下运行能力强：定子 上只有集中绕组，制造工艺简单，而且各相绕组在物理和电磁上独立，使之成 为高容错能力的电机可靠性高，容易实现无刷起动发电。正是由于开关磁阻 电机的诸多优点，使得国外对开关磁阻发电机及开关磁阻起动发电机的研究十 分活跃f 8 1 们。 在开关磁阻电机研究的基础上，上世纪9 0 年代美国w i s c o n s i n 大学l i p o 教 授等提出了新型开关磁阻电机永磁式双凸极电机( 也称双凸极永磁电机或 永磁式开关磁阻电机) n “。这种电机仍然使用开关磁阻电机结构，即定转子均 为凸极齿槽结构，只是在定子或转子上增加了一套简单的励磁装置。在控制上， 双凸极电机与无刷直流电机相近。永磁式双凸极电机最初是作为无刷直流调速 电动机提出的，由于其结构简单，国内外均在尝试将其推广用作发电机。但永 磁式双凸极电机与一般永磁电机一样，存在调压嗣难、不能用灭磁方法进行故 障保护的问题。另外，永磁材料的使用削弱了磁阻电机高温环境下运行的优势。 1 9 9 8 年南京航空航天大学航空电源重点实验室在永磁式双凸极电机的基 础上，提出了新型电磁式双凸极无刷直流发电机，并申请了国家发明专利( 2 0 0 2 年批准) 。由于励磁线圈和永磁体对电机磁路磁导影响不同，电磁式双凸极电机 与永磁双凸极电机在电磁特性上有较大差别【伸】：电枢自感变化规律完全不同； 电磁式双凸极电机相绕组间互感近似为0 ，两永磁式双凸极电机不为0 。此外电 磁式双凸极无刷直流发电机在运行原理和控制方法上与开关磁阻发电机也有较 大不同：( 1 ) 开关磁阻电机在一个自感周期内半周通电，而双凸极电机全周期 通电；( 2 ) 开关磁阻电机只有磁阻力矩，而双凸极电机有磁阻力矩和励磁力矩， 且其平均力矩主要取决于励磁力矩：( 3 ) 开关磁阻电机在可控功率变换器控制 基于双绕组电磁式般凸极电机的双余度发电系统的研究 下实现励磁与发电的周期性分时控制，电磁式双凸极电机输出经二极管整流得 到直流电，调节励磁电流可方便实现调压。电磁式双凸极电机解决了永磁式双 凸极电机调压困难和无法实现故障灭磁的问题，并且比较适合在高温环境下运 行，所以电磁式双凸极发电机系统有很广阔的研究和使用前景。 0 2 直升机电源的发展 与固定翼飞机不同，直升机要求在没有专门机场和地面设旋的情况下也可 以起飞和降落，从而在很多场合并没有专门的地勤人员对其进行维护和检修； 直升机的飞行速度和高度比固定翼飞机低，但是振动较大。因此，直升机电源 系统的技术状态与固定翼飞机电源系统不完全一样，它对可靠性、可维修性要 求更高。随着直升机战技指标的提高和所用机载设备的增加，不仅要求增加电 源系统的功率容量，而且对电源系统的质量和可靠性提出了越来越高的要求。 高压直流电源系统结构简单，容易实现电能供给的余度、容错及不中断， 是实现高性能、高可靠性直升机电源的重要技术途径。因此，研究高性能、高 可靠性的新型无刷直流发电机成为先进直升机电气技术发展的一个重要方面。 发电机是高压直流电源系统的核心。新代高性能直升机电源发电机的要求是： ( 1 ) 无刷化，解决有刷电机带来的严重可靠性问题；( 2 ) 有更轻的重量，以适 应直升机战术技术性能要求；( 3 ) 高的生存力和可靠性、维修性、保障性；( 4 ) 发电机控制器数字化，具有自检测、故障诊断和保护功能。无刷直流发电机是 交流无刷电机和功率变换器( 多数情况下为二极管整流器) 的组合，选用的电 机类型很大程度上决定了无刷壹流电源系统的性能。 余度技术是提高电源系统可靠性的重要手段。目前，电源系统实现余度供 电通常做法是一套电源作为一个通道，多余度意味着多套电源系统并联供电或 非并联供电( 独立供电) ，因此余度电源系统需配置多台发电机( 或其它电源装 置) 。这种方案的缺点是结构较为复杂。还有一种方案是借鉴余度机电作动系统 的磁综合余度方法，即在一台发电机上实现余度发电。具体做法是：发电机电 枢中设置多套绕组( 如两至三套三相绕组) ，各套绕组分别与各自的功率变换器 构成独立的发电通道。该方案的特点是：共用一个转子，结构简单，可靠性高。 由于双凸极电机的定子采用集中绕组，比较容易实现多套绕组的设置，易构成 余度发电所需的无刷直流发电机。因此，由双凸极电机构成的多余度无刷直流 2 南京航空航天大学硕士学位论文 发电机是实现高可靠性直升机电源系统较为理想的一种新型无刷电机。 0 3 本文的主要内容 本文对双余度无刷直流发电机系统的研究采用理论分析、数字仿真和系统 实验相结合的方法，主要研究内容包括以下六个部分： ( 1 ) 绪论主要介绍双凸极电机的发展和研究现状以及直升机电源的发 展趋势 ( 2 ) 第一章介绍双余度电磁式双凸极发电机系统的结构与工作原理 ( 3 ) 第二章介绍双余度电磁式双凸极发电机系统的m a t l a b 建模 ( 4 ) 第三章介绍双余度电磁式双凸极发电机系统的仿真与分析 ( 5 ) 第四章介绍双余度电磁式双凸极发电机系统的硬件设计与实现 ( 6 ) 第五章给出了系统的实验结果并作了相应的分析 基于双绕组电磁式双凸极电机的双余度发电系统的研究 第一章双余度电磁式双凸极发电机系统的结构与工作原理 本章先介绍双余度电磁式双凸极发电机系统的结构特点及其工作方式，接 着比较详细地介绍了双绕组电磁式双凸极电机的静态特性，由此得到了电机发 电运行时的数学模型，并在此基础上讨论了双绕组电磁式双凸极电机发电运行 时的工作原理。 1 1 双余度电磁式双凸极发电机系统构成及其工作方式 双余度电磁式双凸极发电机系统主要由双绕组电磁式双凸极电机本体、励 磁电路、主电路( 包括三相整流滤波电路、d c d c 变换电路等) 和控制与驱动 电路( 包括检测电路、通道转换电路、p w m 电路、驱动电路和各种保护电路) 等四大部分组成，系统整体结构如图1 1 所示。 图1 1 双余度电磁式双凸极发电机系统结构图 系统对外的双余度供电是通过在发电机内部定子上设置两套电枢绕组来实 现的，每套电枢绕组构成一个独立的发电通道，有各自相对完整的功率变换装 置、整流滤波电路和控制与保护电路。其中一个发电通道( a 通道) 直接通过 调节励磁电流实现调压，另一个发电通道( b 通道) 通过d c d c 变换电路实现 小范围内调压( 在励磁电流调压的基础上确保该通道输出电压保持额定值) 。考 4 南京航空航天大学硕士学位论文 虑到调节励磁电流的同时，b 通道的d c d c 变换电路输入级电压也在相应的变 化，故该d c d c 变换电路必须具有升降压变换功能。常用的升降压变换电 路主要有b u c k - b o o s t 变换电路和c u k 变换电路，出于c u k 变换电路是利用电 容来实现能量的传输，其电容的充放电电流很大，所以必须选择低损耗的高频 电解电容，并且电容值要足够大，在实际情况下选取不方便，故本文选用 b u c k b o o s t 变换电路。两个发电通道的最后输出并联对负载供电或者分别独立 对负载供电。 图1 2 是双绕组电磁式双凸极电机( 6 4 结构) 的截面图。其基本结构与普 通电磁式双凸极电机相似，定转子均为凸极齿槽结构，由硅钢片叠压而成，转 子上没有绕组，定子上除了安装有三相电枢绕组以外，还安装了励磁绕组，各 绕组均为集中式绕组，相差1 8 0 0 机械角的两个电枢绕组相互串连形成一相。定 子极弧为定子齿距的1 1 2 ，这样可保证所有极下的转子齿和定子齿的重叠角之 和恒等于一个定子极弧长度，而与转子位置无关。该电机继承了开关磁阻电机 结构简单、可在高速和恶劣条件下运行的优点。不同的是，它借鉴了余度机电 作动系统磁综合余魔的方法，即在电机的电枢绕组位置上设置了a 、b 两套电 枢绕组( 如图1 2 所示，a 1 、b 1 、c l ( a 套三相绕组) 和a 2 、b 2 、c 2 ( b 套三 相绕组) ，其中a 1 和a 2 、b l 和b 2 、c l 和c 2 分别同槽放置) ，各套绕组分别与 自己的功率变换装置构成独立的发电通道( a 通道和b 通道) ，从而在共用一 个转子的情况下构成双余度发电机系统。 定子 转子 图1 2 双绕组电磁式双凸极电机截面图 1 2 双绕组电磁式双凸极电机的静态特性 电怄绕组 励磁绕组 基于双绕组电磁式双凸极屯机的双余度发电系统的研究 双绕组电磁式双凸极电机的静态特性主要指电机静态时各参数随转子位 置角和电流变化的特性。由于双绕组电磁式双凸极电机定、转子极均为凸极齿 槽结构，随着转子的稳速转动，电机内部的磁场分布将会作周期性的变化，呈 现出一种脉动特性，因而磁场在电机内部气隙中的分布很不均匀，存在着显著 的边缘效应和高度的局部饱和现象，所以电机气隙磁场的空间分布非常的复杂。 各个相绕组的电感不仅随着转子位置的变化而变化，而且也受到相电流的制约， 与此同时，励磁绕组的电感( 包括励磁绕组和相绕组之间的互感) 也随着位置 和电流的变化而变化，再加上双绕组的设置使得情况更为复杂，若同时考虑到 磁路饱和以及边缘效应的影响，则电机的磁链、电感以及转矩相对于转子位置 和电流的变化难以用解析的方法表示出来，故通常用曲线簇来表示。 用有限元方法对电机的非线性磁场进行仿真研究可以比较精确的得到电 机的静态特性，这方面研究发现转子位置对电机的各参数特性影响较大。为讨 论方便，本文忽略了电机的磁路饱和以及边缘效应的影响，也就是近似认为电 感不随电流变化，这种简化的电机模型被称为线性模型，特作出以下假设： ( 1 ) 各相绕组电感，包括相绕组之间的互感( 主要是不同发电通道绕组之间的 互感) ，仅随转子位鼹变化，而不随相电流变化； ( 2 ) 励磁绕组自感不随励磁电流变化，即励磁绕组自感为一常数； ( 3 ) 相绕组和励磁绕组之间的互感仅随转子位置变化； 即整个电机模型是以分段线性电感作为基础。 双绕组电磁式双凸极电机定子和转子的槽深较定转子齿间气隙大得多，故 稽中的气隙磁导很小，可以忽略。电机的等效磁路如图1 3 所示，其中g ，和一 分别为励磁部分的磁导和虚拟磁动势：g 。、g 、g 。分别为a l ( a 2 ) 、b l ( b 2 ) 、 e l ( c 2 ) 三楣定予齿与转子齿之间的气隙磁导c a 、b 、c 表示三相相位，1 、2 分别表示a 通道和b 通道) 。定转子齿间气隙磁导与定转子重合角有关，而定 转子的重合角可表示为转子位嚣角只的分段线性函数，如图1 4 所示，其中口。、 、口。分别为a 、b 、c 三相定转子重叠角，图中重叠角不变的区域对应于转子 极弧比定子极弧宽的部分。为方便讨论，定义合成气隙磁导g = g + 。+ ，o gg 它与电机定转子齿重叠角之和成正比。因为电磁式双凸极电机定转予齿蘑叠角 与转子位置角无关，所以合成气隙磁导为一常数【1 9 1 。f o ，、r ，、f ，、e ，、o 只，分别为a 1 、b 1 、c 1 、a 2 、b 2 、c 2 各绕组的电枢反应磁势。 堕塞堕窒堕茎查鲎堡主堂生堡茎 由于 图1 3 双绕组电磁式裂凸极电机的等效磁路图 吒 q q ：订u ：仆 卜0 ：小l ： 。fll l il l i i ll 。 iii 爪ii i i 胛 il 厂fi 、ii r ，j o 图1 4 各相定转子重叠角随转子位置角变化曲线 令电枢反应磁势f o 。= e ，= c = r o ：= e ：= c ：- - 0 ，则励磁磁通为 办= g ，瓯= f ，g ，g ：+ q 瓦l ，产 生 9 j n f r g j 乞。= 口- g a ( q g 口+ g ，) 【i9 】 砟硝秒1 ( 卿，6 c ) 九。若舞一 其中，n ，为励磁绕组匝数，n o 为a l 绕组匝数。 由等效磁路图可以得到以下一些结论： ( 1 ) 双绕组电磁式双凸极电机励磁绕组自感 ( 11 ) ( 1 2 ) ( 1 _ 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 7 基于取绕组电磁式双凸极电机的双余度发电系统的研究 l j f = ? 卜= n ，2 ( g ， s ) n i 嫡f g d 当电机确定后，瓯、g ，和哆均为常数，则励磁绕组自感，亦为一常数。 ( 2 ) 相绕组和励磁绕组之间的互感( 以a 1 绕组为例) ：等：筝一叫嗤巩啊器。， 因为d 。和，都是常数，所以l 州和g 。成正比，是转子位置角的分段线性函数。 ( 3 ) 相绕组自感 厶，= 等2 n l o , c o = 虬- 2 e ，( 嘭+ q g o ) = 虬t ( 4 ) 相绕组之间的互感 ：吒( q + q 一瓯) q + q 1 ) 同通道绕组之间的互感( 以a 1 绕组和b 1 绕组为例) k 。訾= 半 ( 1 8 ) 巩焘惦崛一g 口+ g z m ，器( 1 9 ) 2 ) 不同通道绕组之间的互感( 以a l 绕组与a 2 绕组和a l 绕组与b 2 绕组 为例) k k 警a l = 等= 半等警 1 1mo ，“ 巩瞒等等 k k 等2 警砜地：器 由于g z 瓯，所以有 l f * n ? g 。 厶l ，n 0 1 n ，q 乞l 。1 2 q 8 ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 l = 厶“0 ( 1 。1 5 ) l a b 2 = l o ! mz n 、虬! g 。 ( 1 1 6 ) l o = l b 2 。i 0 ( 1 1 7 ) 当虬+ = q ：时，则有l a ，。：= l ：。“l o ；。比较式( 1 、1 3 ) 和式( 1 1 4 ) 可以看到， 相绕组和励磁绕组之间的互感上。与相绕组自感乞，近似为一线性关系，其比值 为励磁绕组匝数和相绕组匝数的比值为一常数，设为k ，则有 ， 三。，= 子l o l = k l 。l ( 1 1 8 ) o a l 相绕组与励磁绕组之间的互感三吖和相绕组自感三。的特性曲线如图1 5 所示。 工 图1 5 双绕组电磁式双凸极电机相绕组与励磁绕组间互感和相绕组自感特性曲线 1 3 双绕组电磁式双凸极电机发电运行的数学模型 双绕组电磁式双凸极电机的数学模型包括磁链方程、电压方程、功率方程、 转矩方程和机械方程。它们描述了双绕组电磁式双凸极电机各主要物理量之间 的联系，是双绕组电磁式双凸极电机理论研究的基础。 ( 1 ) 磁链方程 m2 时【印 ( 1 ，1 9 ) 式中各参量分别为 基于双绕组电磁式双凸极电机的双余度发电系统的研究 砂】 _ ；f ，。i b 1 f i 妒。2 缈6 2 c 2 y f l 】= 上州 0 0 l 。2 0 0 工埘 0 厶， 0 0 上 孙 0 声l 0 0 三。1 0 0 m 弦j 三m 口2 0 0 。2 0 0 k ： 0 厶】6 2 0 0 厶z 0 z 0 0 三c l c 2 0 0 上。2 上盘2 其中。、l ，分别为电枢绕组磁链和自感；三。为电枢绕组间互感；广，分 别为励磁绕组磁链和自感：l ，、l 删为励磁绕组与电枢绕组间互感；，、j ，分 别为电枢绕组电流和励磁绕组电流( 其中p = a , b ，c ；i = 1 , 2 ；j = 1 , 2 ：以下类 同) 。 ( 2 ) 电压方程 眇】：掣一阱【，】 ( 1 2 。) 其中 【u 】= 虬 u u c l 乩： z u 。2 u f = y 。 矿 p 。i 少a 2 6 2 g f 2 y ， 嘲= r 口1 心。 r c i r 口2 r 6 2 r 。2 r ， u ，、r ，分别为电枢绕组两端输出电压和电阻：u ，、r ，分别为励磁绕组两端 电压和电阻。 ( 3 ) 功率方程 = l m 刚= 圪一 1 t r i 阱 掣阱小阱掣( 1 2 - ) 也可用以下形式表示 e 。= 只一只一t 啡一上 ( 1 2 2 ) 1 0 “如如以 ， 二 ， ， ， ， k k k k 如 k珀k肠k如以 南京航空航天大学硕士学位论文 其中，阡j = 要【，r 陋】【，】为磁场储能，最。= 【，卜陋】 ，】为电机铜耗，只，为外 界输入的总功率，t 为电机阻转矩，是转子角速度。 1 4 双绕组电磁式双凸极电机发电工作原理 当双绕组电磁式双凸极电机只有励磁绕组通电、# l - 3 n 机械力使得其转子转 动时，各相绕组所匝链的励磁磁链将不断变化，从而在电枢绕组内产生感应电 势。以电枢绕组外接纯阻性负载为例，电枢电流的方向和感应电势的方向一致， 电机处于发电运行状态。如果以发电机的电流( 或者电压) 的方向为参考正方 向，即以励磁绕组和电枢绕组互感磁链方向为正方向，则电机电枢绕组的电压 方程可以改写为( 以a 1 绕组为例) = 掣小掣一警掣 z s ， 假设电机在稳态运行时励磁电流不变，同时忽略电枢绕组的内阻，则电枢电压 方程为 = f ，等一( i o 。百d lj + j 口2 挚也。鲁心。：鲁) ( 1 - 2 4 ) 其中e 。= 一( 乞。! + 上。：譬) 是由于电枢绕组电流变化引起电枢磁链变化而 产生的感应电势，被称为变压器电势； 巳，= 一( 屯。i d l r 1 + 屯：鱼笋) 是由于转子位 霹变化，电枢绕组闭合的磁路磁阻随之变化，在电枢绕组中产生的感应电势， 一， 被称为磁阻电势；p 。= f ，= ；卫是由于转子位置变化，励磁磁链随之变化而在 a t 电枢绕组中感应出的电势，被称为励磁电势。在发电运行过程中，外界输入的 励磁电流所建立的磁场为主磁场。电枢电流所产生的磁场在电感上升区( 前半 周) 起去磁作用，而在电感下降区( 后半周) 起增磁作用，在电感上升区，磁 阻电势和励磁电势反向，在电感下降区，磁阻电势和励磁电势同向。 励磁电势和磁阻电势都是由于转子位鬻变化即电机转子转动产生的，属于 运动电势，它们与电机的机电能量转换直接相关。图1 6 为恒定励磁电流和恒 基于双绕组电磁式双凸极电机的双余度发电系统的研究 定输出电流的情况下，励磁电势、磁阻电势和各相电感的变化曲线。其中，励 磁电势幅值与励磁电流的大小成正比磁阻电势的幅值与电枢电流大小成正比。 黔：钐兮格荔矛弋悼毒磊界牿 ：；f 丝粥；：严砰： 越：步叙! 髟 i i5 p 翮ii l 再贸觋 p 带：p 带j ： ；：绦；溯科 胡ili 瞄盘喇iii z 翻淤l | 臻l ! lili i liil i ii越1 1 ；i ：燃ir ；ii ；l r州rr叫r门产r1ii i l jil iii j ! 嫩i 烩! rt下_ ( a ) 励磁电势( b ) 磁阻电势 图1 6 各绕组励磁电势与磁阻电势随电感变化曲线 双绕组电磁式双凸极电机空载运行时相电流为o ，此时变压器电势和磁阻 电势均为o ，只有励磁电势起作用；当电机处于带载运行状态时，电机的输出 还要受到电机变压器电势和磁阻电势的影响。 从双绕组电磁式双凸极电机的发电工作原理可知，发电机励磁电势大小和 励磁电流以及相绕组与励磁绕组之间的互感有关，对于一台电机而言，其相绕 组与励磁绕组之间的互感是其固有属性，故而要改变励磁电势只能通过改变励 磁电流的大小来实现。通过控制励磁电流的大小从而控制双绕组电磁式双凸极 电机的输出电压，并且在整个发电运行的过程中并不需要知道转子的位置( 即 无需设置位置传感器) ，这正是电磁式双凸极电机应用于发电的一个优势。 1 s 小结 双余度电磁式双凸极发电机系统是以双绕组电磁式双凸极电机作为电机本 体，通过在普通的电磁式双凸极电机电枢绕组位置设置两套电枢绕组来实现系 统的双余度。电机内部电枢绕组的多套设置并没有改变电磁式双凸极电机发电 运行的工作原理和运行方式，它保留了调节励磁电流即可实现调压以及可以实 现故障灭磁等特点。由于电枢绕组的多套设置使得电机内部本身就很复杂的磁 场更加复杂化，各套电枢绕组形成的磁场相互影响，从而使得其特性又有别于 普通的电磁式双凸极电机。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章双余度电磁式双凸极发电机系统的m a t l a b 建模 m a t l a b 是种具有强大矩阵计算功能的仿真软件，主要为控制领域和系统 设计领域编写，其它领域的学者利用其矩阵计算功能，编写了许多具有特殊功 能的工具箱。其中“电气系统模块工具箱( s i m p o w e r s y s t c m s b l o c k s e t ，以下简 称p s b ) ”以s i m u l i n k ( m a t l a b 中种常用的图形化建模界面) 为运行环境， 涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元器件 模型。p s b 实现了m a t l a b 对电路的仿真，并且用p s b 搭建的电气模型可与在 s i m l i n k 中搭建的其它模型相连接构成完整的系统。p s b 的这些功能使得 m a t l a b 在电气系统仿真研究领域得以推广。 本章针对双绕组电磁式双凸极电机的特点，以分段线性电感为基础，在系 统数学模型的基础上利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k p s b 工具箱，对双绕组 电磁式双凸极电机采用结构化和模块化的建模方法，得到了双余度电磁式双凸 极发电机系统的m a t l a b 仿真模型。在m a t l a b 环境下建立系统模型时，将系统 模型根据实际系统的主要功能分为主发电机模型、整流电路模型、励磁电路模 型、d c d c 变换电路模型四大模块，先建立各模块模型，然后再将其连接组成 完整的系统模型。 2 1 主发电机建模 根据电枢绕组的电压方程( 以a l 绕组为例，见式( 1 2 3 ) ) ，建立电枢绕组 的m a d a b 模型如图2 1 所示，图2 1 ( b ) 为图2 ，1 ( a ) 的封装形式。由于整个 模型是以分段线性电感为基础，在此条件下，电感( 电枢绕组自感、电枢绕组 间互感、电枢绕组和励磁绕组间互感) 都只随转子位置变化，所以在模型中只 要知道转子位置角t h e t a ，通过电感随位置变化曲线，查表就可以得到任意时刻 的电感参数。另外利用转子位置和电感参数的周期性交化规律，可以使得模型 进步简化。如图2 1 所示，单相电枢绕组m a t l a b 模型中有5 个输入端和2 个 输出端，输入端1 到5 分别为a 通道电枢绕组电流i 。励磁绕组电流f ，、转子 位鼹信号t h e t a 、两套电枢绕组间互感。：和b 通道电抠绕组电流i 。，：输出端 基于双绕组电磁式双凸极电机的双余度发电系统的研究 分别为电枢绕组两端电压u 。和电枢绕组自感。其中n t 为分段线性电感模块， 输入位置信号( t h e t a ) 经过模块( 实现查表功能) 后得到相应的电感参数；由 于转子的位置信号具有周期性的变化规律，每隔4 5 度( 机械角度) 重复一次， 故可以对位置信号t h e t a 进行求余处理，相应的处理模块为n ，刹用m a t l 曲自 带数学函数库里的求余函数r e m 0 来实现：为乘积模块，实现点乘运算；吼为 代数和差运算模块；为求导运算模块。 ( a ) 电枢绕组( b ) 对应封装 图2 ，1 单相电枢绕组m a t l a b 模型 在单相电枢绕组模型的基础上，通过三相绕组的位置关系，可以得到另外 两相绕组的模型( 具体模型和图2 1 类似) ，从而建立电机三相电枢绕组的m a t l a b 模型，如图2 2 所示。其中模块a 1 、b l 、c 1 分别为a l 绕组、b l 绕组和c l 绕组 模型的封装( s u b s y s t e m ) 。图2 2 ( b ) 为单通道电枢绕组模型的封装，即图2 2 ( b ) 为图2 2 ( a ) 的封装形式。三相电枢绕组模型有11 个输入端，包括a 通 道三相电枢绕组电流( 输入端1 、2 、3 ) 、b 通道三相电枢绕组电流( 输入端9 、 1 0 、1 1 ) 、两套电枢绕组之间的互感( 输入端4 、5 、6 ) 、励磁绕组电流( 输入 端8 ) 和转子位置信号( 输入端7 ) ：输出端有6 个，包括a 通道三相电枢绕组 电压( 输出端1 、2 、3 ) 和三相电枢绕组自感( 输出端4 、5 、6 ) 。 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 l a l t h e t a l b l 吐 l 吐 u a l l a 如 k ( a ) - - - 相电枢绕组( b ) 对应封装 图2 2 三相电枢绕组m a t l a b 模型 励磁绕组电压方程为 一，r lq - 了a ( i z z d 一型d t 叶川，鲁+ 。等一警 鲁( 2 1 ) 根据式( 2 1 ) 建立励磁绕组模型如图2 3 ( a ) 所示，其封装形式如图2 3 ( b ) 所示。如图2 3 ( a ) ，励磁绕组模型中共有8 个输入端，分别为a 通道三相 电枢绕组电流( 输入端1 、2 、3 ) 、b 通道三相电枢绕组电流( 输入端4 、5 、6 ) 、 角度位置信号t h e t a ( 输入端7 ) 、励磁绕组电流f ，( 输入端8 ) ；输出端只有一 个，即励磁绕组两端电压v ，。其中，模块r 6 强为常数模块，和a 相位置信号 实现代数和运算，得到其余两相位置信号；q 。n t 。为代数求余运算模块，即调 用m a t l a b 数学函数库内的r e m o 函数；强，为分段线性电感模块，代表的是励磁 绕组自感，输入位置信号通过查表得到任意时刻的励磁绕组电感值，由于整个 模型是建立在分段线性电感的基础上，在此情况下，励磁绕组自感为一常量， 故查表曲线为一直线。 删地 一垭 基于双绕组电磁式双凸极电机的般余度发电系统的研究 ( a ) 励磁绕组对应封装 图2 3 励磁绕组m a t l a b 模型 利用两通道绕组相位之间的关系可得到另一个通道三相绕组( b 通道三相 绕组) 的模型( 放置在同一个槽内的电枢绕组属于同相位绕组，即a i 和a 2 同 相位) ，从而建立整个双绕组电磁式双凸极电机的模型，如图2 4 所示( 包括两 套电枢绕组和一套励磁绕组) 。图2 4 ( a ) 中w i n d i n 9 1 、w i n d i n 9 2 分别为两套 电枢绕组模型，e x c i t a t i o n 为励磁绕组模型。位置信号获取部分的模型如图2 4 ( b ) 所示，其中强。为时间模块，q ，为电机转速输入( 由外界手工输入) ，输 出端8 为转速输出；根据转速n ( 转，分钟) 和角速度c o ( 度秒) 的函数关系 咖= 三3 6 0 得到位置信号t h e t a 。整个电机系统模型的封装形式如图2 4 ( c ) 所 南京航空航天大学硕士学位论文 n 1 9 ( a ) 双绕组电机模型 u 仉j u i ( b ) 位置信号获取部分模型 ( c ) 电机模型封装 图2 4 双绕组电磁式双凸极电机m a t l a b 模型 基于双绕组电磁式双凸极电机的双余度发电系统的研究 2 2 整流电路建模 整流电路如图2 5 ( a ) 所示，虽然m a 廿a b 中的p s b 模块库中有现成的整 流电路模块( 如图2 5 ( b ) 所示) ，但是在建模的过程中，需要将任意时刻三相 电枢绕组的电流值作为电机模型的输入参数，这在现成的整流模块中难以获于寻， 虽然它自带有测量各个桥臂的电压和电流功能，但是只能输出到示波器模块 ( s c o p e ) 或者工作平台( w o r k s p a c e ) ，不能加以利用。故利用p s b 模块中的 基本元器件模块搭建整流电路，同时通过电流测量模块n 2 ，f 将p s b 模型中的 电流值取出) 和受控电压源模块n 2 。( 将s i m u l i n k 模型中的电压值转换成p s b 中的电压源) 来实现s i m u l i n k 和p s b 之间的相互转换，其中三相开关主 要是用于模拟绕组故障，整个整流电路具体模型如图2 5 ( c ) 所示，整流电路 模型封装形式如图2 5 ( d ) 所示。搭建整流电路模型时主要是用二极管模块n ，、 完成，m a t l a b 中的该模块在二极管上并联了一个分时电阻，该电阻在二极管导 通和关断时有不同的电阻值，j 乙为导通电阻值，数值很小；r 为关断电阻值， 数值很大，m a t l a b 利用这个分时电阻来模拟实际电路中二极管的正向导通和反 向截止状态。 a b c 一一_ ，_ 一 ljljl _l_ 】ljkjl ( a ) 整流电路( b ) m a u a b 整流模块 南京航空航天大学硕士学位论文 瓣 ( c ) 整流电路模型( d ) 整流电路模型封装 图2 5整流电路m a t l a b 模型 2 3 励磁电路建摸 由于电磁式双凸极电机是通过调节励磁电流的大小来实现对发电机输出电 压的调节，所以对励磁电流采用闭环控制方式就可以控制发电机输出电压的大 小。本文励磁控制部分采用的是p i 控制方式，同时考虑到励磁回路中当励磁功 率管关断时励磁能量的泄放，在电路中设置了续流二极管，另外为了加快励磁 电流过大时的能量泄放速度，特在电路中设置了逆磁功率管，整个励磁电路如 图2 6 ( a ) 所示，在m a t l a b 中建立的模型如图2 6 ( b ) 所示，对应的封装形式 如图2 6 ( c ) 中的e x c i t a t i o n c i r e l e 模块。由于励磁电压由励磁机提供，而且励 磁机和主发电机是同轴连接的，故转速的变化将影响到励磁电压的变化，所以 模型中调用m a t l a b f u n c t i o n 模块，利用m a t i a b 语言编写m 函数实现励磁电压 随转速变化( 实际系统实验过程中，由于发电机本体的限制，用的是普通的单 绕组电磁式双凸极电机，励磁电压不是由同轴的励磁机提供，而是由直流电源 提供，所以后来仿真过程中的函数值有所改动，其不在随转速大小变化) 。整个 励磁电路闭环模型如图2 6 ( c ) 所示，对应的封装形式如图2 6 ( d ) 。如图2 6 ( c ) 所示，啦，为励磁功率管p w m 信号产生环节，输入为整流电路输出电压， 输出为功率管p w m 信号，由于励磁电路的功率管( 包括逆磁功率管) 采用 m a t l a b 中的单相桥模块( 玛。) ，该模块桥臂中有两个功率管，相应的p w m 信 号输入端p u l s e 必须为两路信号，故利用m a t l a b 中的m u x 模块( ) 对p w m 基于双绕组电磁式双凸极电机的双余度发电系统的研究 信号进行处理，给单相桥输入完整的p w m 信号，为逆磁功率管p w m 信号。 续流二撮管 ( a ) 励磁电路 ( b ) 励磁电路模型 ( c ) 励磁控制电路 ( d ) 对应封装 图2 6 励磁控制电路m a t l a b 模型 南京航空航天大学硕士学位论文 2 4d c d c 变换电路建模 d c d c 燹换电路采用的是b u c k b o o s t 电路，其主电路如图2 7 所示。 u i 日+ u i n td u o u t + 嘲2 7b u c k - b o o s t 电路 虽然利用m a t l a b 中的p s b 模块可以直接建立该电路模型，但是过多的p s b 模块的使用会导致m a u a b 仿真运行速度的减慢，有时甚至出现仿真无法进行到 底的情况，毕竟m a t l a b 不是针对电路系统的仿真软件，所以适当减少p s b 模 块的使用很有必要。在建立b u c k - b o o s t 模型时，通过功率管导通和关断两种不 同状态下输出与输入之间的关系，建立状态方程如下： 1 ) 功率管t 导通时有 u i = u 。 = l f u ，d t 吨= 吉j j 。前 ； u 。f l = 一一 。 r 其中，为电感电压，u i 为输入电压，为电感电流，为输出电压，址为 电容电压，为电容电流。 2 ) 功率管t 关断时有 基于坝绕组电磁式双凸极电机的叔余度发电系统的研究 u f = 一u 。 卜圭j 啪 ，划。= 抄。击 f 。f 堕 。 。 r 引入一个单独的状态参数a 来表示功率管t 的工作状态( a = 0 时表示功率管 t 关断，a = 1 时表示功率管t 导通) ，则有 u i = a u 。+ ( 爿一1 ) u 。 弘圭p ，摩 ，= 云1 f i c d t 2 _ 2 t = ( 1 一m i j u k 。* t 一 式( 2 2 ) 即为b u c k b o o s t 电路的数学模型，在此基础上建立的m a t l a b 模型如 图2 8 ( a ) 所示，对应的封装形式如图2 8 ( b ) 所示；系统中的d c d c 变换电 路闭环控制模型如图2 8 ( c ) 所示，对应的封装形式如图2 8 ( d ) 所示。图2 8 ( a ) 中心，为式( 2 2 ) 中第一个方程的模型，为第四个方程的模型，坞。和坞。 分别是乘积运算模块，r 6 ，为积分模块：如图2 8 ( c ) ，n 3 ：为三角波发生器模块， 强，为p i 调节器模块。 ( a ) b u c k - b o o s t 电路模型 a ( b ) 对应封装 南京航空航天大学硕士学位论文 2 5 小结 ( c ) b u c k b o o s t 控胄, je g 路( d ) 对应封装 图2 8b u c k b o o s t 电路的m a t l a b 模型 由于对双余度电磁式双凸极发电机系统进行了一定的理想化处理( 主要是 对电机电感的分段线性处理) ，使得电机系统内部的各主要参数之间的相互关系 可以用比较简单的数学公式来表示，为系统的建模提供了一定的方便。在m a t l a b 的s i m u l i n k 环境下，利用状态方程可以很方便的建立各个物理量之间的联 系，以此搭建系统的s i m u l i n k 模型部分。对于整个发电机系统，由于包含了 大量的电气部分，尤其是主电路、励磁电路等部分，用单纯的s i m u l i n k 建模 存在一定的困难，故建模过程中还调用了m a t l a b 的p s b 工具箱中相应