（电力电子与电力传动专业论文）基于电励磁双凸极电机的无刷直流发电系统的研究.pdf

基于电丽磁般凸檄电机的无刷直流发电系统的研究 a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e st h ee l e c t r o m a g n e t i cd o u b l ys a t l e n tb r u s h l e s sd c g e n e r a t o rs y s t e m i n t h i s t h e s i s t h e b a s i c c o n c e p t s o ft h e d o u b l y s a l i e n t e l e c t r o m a g n e t i cm o t o r d s e m i n c l u d i n gt h es 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 c s n a m e l y t h ef l u xl i n k a g ea n d i n d u c t a n c e a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fd s e m i ng e n e r a t i n gm o d e a r ea n a l y z e d as o f tu s e dt od e s i g na n ds i m u l a t ed s e mb r u s h l e s sd c g e n e r a t o rs y s t e m i sd e s i g n e di nt h i st h e s i sb yu s i n gv i s u a lc p r o g r a m m i n g l a n g u a g e a c c o r d i n g t o t h ev o l t a g ea n df l u x l i n k a g ee q u a t i o n s a n db a s e do ns i m p l i f i e di n d u c t a n c e s t h e m o d e lo ft h eg e n e r a t o rs y s t e mi sf o u n d e d b yu s i n gs i m u l i n ka n ds i m p o w e r s y s t e m s t o o l b o x e so fm a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e t h ei n f l u e n c eo fd i f t e r e n tp a r a m e t e r so n s t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e so fd s e m g e n e r a t o rs y s t e mi ss i m u l a t e d t h e s e p a r a m e t e r si n c l u d et h ec o n t r o l l i n gp a r a m e t e r so f p ic o n t r o l l e r f r e q u e n c yo ft h em a i n s w i t c h t h ev a l u eo f t h ef i l t e r i n gc a p a c i t o r s e t t i n go f r e v e r s e l y e x c i t a t i o nc i r c u i t a n d t h ef e e d b a c kp a r a m e t e r so fe x c i t a t i o nc u r r e n t t h i st h e s i sa l s o d e s i g n sav o l t a g e r e g u l a t o rf o rap r o t o t y p eg e n e r a t o r t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg e n e r a t o r i n c l u d i n g n o l o a dc h a r a c t e r i s t i c e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c a n d a d j u s t i n gc h a r a c t e r i s t i c a r et e s t v o l t a g er e g u l a t i n ge x p e r i m e n t su n d e rs t a t i cn o l o a da n dl o a dc o n d i t i o na n du n d e r d y n a m i cs u d d e nl o a d c h a n g i n g c o n d i t i o na l ea l s od o n e t h er e s u l t so ft h e s e e x p e r i m e n t sp r o v e t h e m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o nw o r k 韬b ea v a i l a b l e t h i st h e s i se s t a b l i s h e st h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h e e l e c t r o m a g n e t i cd o u b l y s a l i n e tb r u s h l e s sd eg e n e r a t o r s y s t e m d e v e l o p sad e s i g n i n ga n ds i m u l a t i n gs o f t w a r e f o rt h es y s t e m a n d d e s i g n a v o l t a g er e g u l a t o r f o rt h e p r o t o t y p eg e n e r a t o r w h i c hb r i n g c o n v e n i e n c ef o rt h ef a r t h e rr e s e a r c ho f t h e s y s t e m k o 啊o r d s b r u s h l e s sd eg e n e r a t o rs y s t e m d s e m m o d e l i n ga n d s i m u l a t i o n m a t l a b v i s u a lc 十 d e s i g n i n ga n d s i m u l a t i n gs o f t w a r e v o l t a g er e g u l a t o r 承诺书 本人郑重声明 所里交的学位论文 是本人在导师指导下 独立进行研究 工作掰敬褥的成采 尽我所知 除文中已经注明弓 用的内容外 本学位论文的 研究成果不仅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标明 本人授投赢塞靛空魅天大掌可以蠢投爨邂送交论文躲复印 孛 竞谗论文渡 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 暴震彩印 雅印或其德簧餐手段傈存论文 南京航空航天大学硕士学位论文 一 缩略词及说明 缠赂词 s r m d s p m d s e m 二 簿号及说鞠 符号 缈一 织 t 0 瓦 毛 毛 注释表 泌明 开关磁腿电极 双凸极永磁电机 电威磁双凸极电枧 说明 电枢绕组匝链的磁链 a 相电椴绕组匝链的磁链 b 相电枢绕组匝链的磁链 c 相电枢绕组匝链的磁链 俪磁绕缎匝链的磁链 灏磁绕组自感 a 褶电枢绕缴自感 b 福瞧枢绕组音薅 c 褶奄枢绕疆自感 赫磁绕缝逯链磁链静导数 a 糖奄稻绕缝匿链磁链的导数 a 耱电枢绕缮与瀚磁绕组之间的互感 b 楣魄抠绕维与融磁绕组之瓣酶甄感 e 摆魄枢绕维与黝磁绕组之闻的嚣感 a 楣瞧抠绕缎电流 b 翅电蜒绕维电浚 c 糖瞧抠绕终电滚 默磁绕组电流 a 相电抠绕绥邀艨 b 媚电枢绕组电压 l x 新 捧 盘 掰瞄掰 吩 阮蚴 乇 毛 啄 蒸于电穗磁双凸扳电祝的无利壹流发电系统翁研究 三 下标及说明 x c 稿瞧枢绕缀电器 励磁绕组电压 电机转子位鬣角 逆磁上限 逆磁下限 磁磁魄浚硷测篷 输出电压检测值 院镪系数 积分系数 a 稠电枢绕组 b 穗瞧枢绕缓 c 相电枢绕组 藏磁绕缓 毪 占咯蚝呵 恕 南京靛空航天大学硕士学键论文 绪论 0 1 双函极电机的发展及研究现状 上世纪8 0 年代以餍 开关磁隈电枫 s r m 褥到迅速发鼹 由于s r m 匿 鸯鑫毒容镑麓力等我点 使雩罨这秘迤辍缀逶台于对可靠牲要求麓豹场合 1 9 9 2 年 美国电机专家t a l i p o 等人在s r m 的基础上 在定子或转予上嵌入高性能的 永磁材料 提出了双凸极永磁电机 d s p m 研究表明 d s p m 具有高转炬密 度 裹效率 低转矩脉淤 低噪声 终鼹麓尊 适仑舞邃运行 嚷疲挟等爨点引 2 1 近年来 黼内外针对粉s p m 的研究工作大量展开 在d s p m 设计以及控制策略 等发面已经取得了不少研究成果 2 h 2 1 9 9 8 年 南京航空航天大学在d s p m 的基础上 恩电励磁绕组取代了定予上静永磁体 从雨提出了一种新型电黝磁 双叠较鸯撬 d s e m 辍露子d s p m d s e m 鹃濑磁瞧流可以调节 嗣溺这一 特点 可以提高双凸极电机电动运行时的性能 同时在其发电运行时 调节励 磁电流即w 调压 故障时断开励磁阐路即可实现灭磁 近年来 南航在d s e m 夔设诗蘧谂 毫磁特瞧 建模蕊冀 控翻策略麓方嚣遴行了深入豹骚究 已发 表了多篇研究论文 t 2 并且开袋了大量针对d s e m 在飞机 装甲车辆 民 用车辆上的应用研究 最近 南航又开展了针对混合励磁双凸极电机的研究 这种电机瞧一台d s p m 秘一台d s e m 缀合两成 襁辩于瞢邋d s p m 丽言 瞧 瓶气踩磁场可骏调节 会理设计d s p m 和d s e m 的昆镄 胃戳使得缝合毫搴凡获 得最优的熬体性能i i 0 2 双蘸摄无刷壹流发电枕的应用蘩景 由于双凸极电机的励磁绕组 永磁体 电枢绕组均在定予上 其电根绕组 外接电力呶子整流装鬣 就可以方便她构成无刷囊流发电机 考虑到永磁魄枧 霆毒戆蠲悉霭难羁秃载簿灭磁戆力 双鑫辍无澍豢流发毫瓤一般选蘑d s e m 作 为主发电机 d s p m 作为励磁机 这种无刷直流发电机具有结构简单 可靠性 商等优点 在簸窆上 长联以来 电源皇矮发趣疑 盏采矮旋转整浚器式无鼷爨步发 基于嘏励磁双凸极电机的无刷复瀛发电系统的婿究 电飒 其络拇复杂 爵黎豫不裔口 勇一方巍 蕊压直流电源楚当今鬣两外航 空电源界荣遗蕾好的作为全电飞机 多魄飞桃抟电源 兵蠢邀潮重量轻 爨 予实域不中断供电 易予实现越动发电等饯点 匿此 悫双凸投电极臻成熬 2 7 0 v 高压无刷直流发电机商望敬代旋转整流器式无剥同步发电枫 成为航空电 源的圭用发电机 在装译事辆方瑟 我鬣西前的凌甲车辆电源以1 2 v 或1 4 v 低藤直流电源为 主 发电瓿豹动率等级肖3 6 1 0 1 8 k w 等死种 随着率载电子设备和武器 系统翁发袋 疆土凌擎等级翡低压粪流壤源露经不能满足簧求 从可靠性 维 修性 重掇 垒周期赞耀等方瑟考虑 皴定功率炎3 0 k w 以上浆装早车辆髑电 源比较合瑷的方案楚2 7 0 v 裹垂蜜浚邀滚 髂为瓣虢 十五 疆磷薹鬟鏊 麓虢 惩在研制3 0 k w 2 7 0 v 双凸极无刷宣滚发电极系绞 隧蓑襁关鼓本趣遴毂鼹块 戳凸极无刷直流发电机极肖可能成为我圈新一代装甲率辆的主用发电机 在民掰车辆方两 当前我国蜒用汽车的电源普遍采用1 4 v 戏2 8 v 低压煮流 滋源 斑用的发电梳分为邕流发电机和交流发电梳两类 嚣者楚汽车的主要电 源 嚣蔫澎蔫辫大多数汽率交流发电机为有利结构 内于菸励磁绕组随转予轴 旋转 因数必须采翅电嚣l 纛榘鬯环 滑繇 方 将瀚磁电流雩 入灏磁绕缀 这 搜德发毫砉睡豹运行霹靠链豫低 维修蓬灌燕瞄l 2 0l t 纪8 0 年代鼓寒 鏊凌井 汽车生产厂家郯在致力予纛彝 交滚发电蠛的开发磷键 嚣麓应媚较多熬是瓜檄 式无刷交流发电机 特殊的爪极构遗使爪极式交流发呶机实现了无删结构 但 怒迫带来了制造工慧要浓高等缺点1 3 拍比之下 双照极茏斟艇滚发电枧柏王 工艺简单 绪食其优庭豹电气性能 比爪极式电机更加适台作为汽车发电枫 鬻虢琵在开展相关的应厢研究 0 3 发电枧调压嚣的发麟 飞机以及鼙用 民用车辆上的发电机调压器都经历了从振动式调压器 鼯 辛搴管式满潼器弼数字式溺悉器的发最过稔1 3 4 1 书钳 振动式电压调节嚣在早期豹 飞橇窥车辆上广泛运丽 由予受捌触患容量豹限稍 只能翔子小容量发电机 羹魅煮易攒坏 蘧着模攒电予技术静发袋 年彳鼋潞税了茹体镣电箍调节器 其夜体积小 熬量鞍 损耗小 调匿糠发商秘动态嫡皮铗等特点 在疆缀飞梳 秘器秘车辆照曦源系统中仍然大爨应耀 近年柬 隧饕数字整魏菝零数遨逮发 南京航空航天天学硕士学位论文 展 数字调压器琏王开始出现 与模拟凋压器相比 数字调压器具有调整控制参 数方便 灞漂小 易于实现通信功能等优点 是未来发电机调压器的发展方向 0 4 谍题研究蠢静及主要疆究粥容 本文以电励磁双凸极无刷直流艘电机系统作为研究对象 目的在于深入研 究电励磁双凸极发电机魄工l 乍原理 在此基础之上设诗调压器 穆成电磁磁鼹 凸辍发电税系统 避行建模仿真并舰以硬件实残 为电溺磁澈凸极发电橇鬃统 的进一步研究提供理论基础及初步实践经验 本文的研究内容包括以下六个部分 1 缭论主要会绥驳螽疆毫虢静菱震及磷究现捩 双穗裰无秘妻流发电 机的应用前景以及发电机调压器的发展 2 第一章介缁双凸极电机的结构 静态特性 简化电感曲线 双凸极 电极发惫工终的暴毽 发电秘调霆器戆穆瘸及王佟鞭理 毫麓磁双楚辍秃剿焱 流发电机系统的构成 3 第二章介绍貉于m a t l a b 的s i h m l i n k 以及s i m p o w e r s y s t e m s 工具 箱的电励磁双凸极发怒枧系统的建模方法 针对一台样机进行了仿真并对仿真 缩栗透露了分撰 4 第三章介绍运用m a t l a b f o r t r a n v i s u a lc 开发电励磁双凸极 无刷直流发电机系统设计与仿真软件的方法 给出了软件的界蕊以及软件邋行 兹部分缝桊 5 第四章主受介绍电励磁敝凸极无刷誊流发电机调邋器硬件电路的设 计 包括调压器功率电路及控制电路两大部分 6 籀五章贪缁瞧励磁双凸极发邀枫系统熟实验结巢 包括电励磁黢凸 辍发毫瓤静空载特性 夕 特性 调节特性测试班及发电撬系统调压实验的络累 基于龟赫磁蔽凸裰电机的无刷煮流发电系统的研究 第一章电励磁双凸极无刷直浚发电枧系绒概述 零章开头奔缮了毫黪磁双凸辍毫撬靛结稳 然焉 本牵醴一台三稻1 2 f 8 板 结构的电励磁双凸极电机为例 根据稳限元计算结果 分析了电励磁双凸极电 枫静静态特性 惫括磁链特往翻电感特性 在此基础上 为了便于分析电机运 行原理以及制定控捌策略 本章绘出了电励磁双凸搬电机的筠化泡感溪銎 接 下来 本章介绍了电励磁双凸极电机发电工作的原璐 发电机调压器的作用及 其工传蘸理 最曩 本章麓要瓣暖 了鏊于窀 聚磁双凸极电钒懿元爨壹流发电槭 系统的构成 1 1 电励磁双凸极电机的结构 按相数和极对数分 双凸极无刷直流电机有单棚4 1 6 极 8 1 2 极或三相6 4 辍 t 2 8 辍竣图楣8 6 扳等p 图l 1 为一台三相1 2 8 辍电励磁双凸极电机的 截面图 其定 转予均为虹极齿横结构 定 转子铁芯均幽硅钢片叠压露残 定子上装有集中励磁绕组和电枢绕组 空间相对的四个定予齿上的电枢绕组串 联 每残一枢 转予上无绕缀 定予掇弧设计必定子逸鞭戆一半 鄂l 穸毒蓬械惹疫 这样不仅可以保证电机励磁绕组飘链的磁链基本不隧转子位置角变化 而且可 以镬樽任一孝耩耄柩绕缓与瀚磁绕缀阉静互感磁链佼与该捐磁导成最眈 l 辖 4 定子 转子 黯l t兰秘t 2 8 寝电霸避疆曲掇电撬截瑟拦 组 南京靛空靛失火学臻七学位论文 i 2 瞧渤磁双凸极电梳的静态特性 电励磁双凸援电机的静态姆挂楚攒电感磁双凸强电毒珏熬磁链 电憋等隧憩 机各绕组的电流以及转予位置角变化的情况 由于电励磁双凸辍漱枫磁场空间 分布非常复杂 在计算其静态特性时 己法采用常规的计算方法 需要使用有 限元法 由予电梳绪丰訇的特点 其磁链 电感均随转予位霞角周期性地变化 变诧魏瓒期对应一个转子极距 毽此只需要计算一个转子极躐内酌情躐即可 鞠i 2 1 碡为针对灏l 1 掰搴电杌避行裔隈元计算静部分缭采 由j 愆可戳得礴电 励磁双凸极电机的羚态特燃 l 2 1 毫裁磁黢凸缀毫毒a 豹磁毽特瞧 阁1 2 为电励磁双凸檄电机空载时在不同励磁电流下各绕组版链磁链的曲 线 攒坐标8 袈示转子镪饕角 8 缀整标表示磁链 w b a 电私绕组匝链的磁链曲线 b 黯磁绕缎匿链的磁镳趣线 图1 2 空载时电机备绕组哦链的磁链曲线 献上到下对应的励磁电流分利为3 0 a 2 5 a 2 2 5 a 2 0 a 1 5 a 1 0 a 5 a 辩瞄1 2 分斩翔下 1 空载辩宅撬各绕维龌链的磁链涟着灏磁电流的增大而增大 但在电机磁 黪进入魄彝状态强嚣 增大戆速度憋缓 2 空载辩毫攫聚磁绕缀匮链熬磁链基本不隧泡凝转予经黉熬敬变瑟政变 这是由于励磁绕组啜链瓣磁链与电枧定 转予淘金残气溅磁导迓戳建成正珑关 系 而后者近似为常数 3 空载时电机各棚墩椴绕缎匝链的磁链随电札转子位篷的改变藤变化 馔 基于电勋磁斌凸极电机的无翮直流艟咆系统的研究 挎融磁电淡不变辩 鑫楣魄柩绕终夏链的磁链在定子齿中心线帮转予齿中心线 对齐的位鬣达到最大值 而在定子啦中心线和转子穗中心线对齐的位置达到最 小蠖 这是瞧于备螺瞧枢绕缀氍链熬磁链与该糨豁磁浮有关 髓磁导酌增大而 增大 褥磁罨与邀毫 l i 转予位置有关 j 在定子凌中心线秘转予壤中 秘线对齐的 位置达到最大傻 露在定予番中心线和转予槽中心线对齐韵位置运到最小值 4 空载丑寸泡褪绕组匿链磁镳熟最大毽随融磁逛浚壤大藤增大酶速度爨显快 予其最小馕髓麟磁电流增大蔼增大的速度 值楚在磁场饱和磁 电枢绕组匝链 的磁链随融磁电流增大聪增大蛉遮鏖趋缓 这裁锭褥电搬致窆载感应电努淹赫 磁电漉蛉增大褥增大 毽是在磁场饱和霜 增加的速度趋缓 骧爨瓤下 在不 间的转子使嚣 磁路中气朦黪长度不同 扶藤磁化曲线不溺f 4 奁亳枫磁路不 键秘射 备个镘置静磁纯曲线稳釜线性 磁链随獭磁电流的增大讴线性邈增大 气隙越小 磁化曲线的斜率越大 从嚣磁链增大的遴嶷越恢 当电橇磁路处于 饱和状态辩 备个位餮的磁亿往线均墨非线毪 从两警磁磁懑流超过 定壤黠 磁链随臌磁电波增大i 孬增大的幅度很小 气黥越小 磁躇越容易出现饱和 胬i 3 为激机a b 两穗电枢绕组靼獭磁绕组疑赋避电融 绕组瓢匿链 磁链的曲线 横坐标8 表搴转子健鬟凫 镍 f i 扣酊 a9 鼠虢 8 毽 氇8 mo l 硅5 n4 0 n3 0 2 ol 一袁 l ol协i s越葛瓣蚌 菇o m 茌嚣鞯l 口书 卵 鹏 a 奄柩绕龌疆链瓣磁链菇线 b 硒磁绕缀氍链的磁链曲线 圈1 3 负载时电机器绕缎匝链的磁链曲线 黪磁奄流为2 s a c 桶电流为零 a b 稻电流从上到下亩1 0 0 0 a 减小到 1 0 0 0 a 对图1 3 分辑如下 1 与电梳空载时的情况相似 电机带负载运行时各相电枢绕织岖链的磁链 隧f 睦极转子位霆的改变运变讫 镰持劢磁惑瀛帮毫枢电流不交时 备稽电禳绕 绻匝链的磁链在定子齿中心线和转予齿中心线对齐的位置达到最大德 在定予 6 南京航空航天大学硕士学位论文 蕊中心线穗转子横中心线对齐的位置达戮最 j 谴 这是幽予各稻电枢绕缀匝链 的磁链与该鞠鲍磁导有关 掰矗者淹电瓿转子位鬣变化商变化 t 2 将图1 3 a 与辫1 2 a 中霸磁奄流为2 5 a 掰对庭的穑线进行眈较 可以羲出 委彝电枢瞧流对奄提滋场起增强佟用 受稿魄枢电流对磁场起潮弱 俘熙 镁持威磁魄滚不变 务掘电枢绕缓匏歪囱逢瀛越大 该据龟箍绕缀匝链 的磁链越大 但是在电枧磁黪进入饱秘状态以居 委淘嗽抠瞧漉对电枫磁场挢 越的增强l 乍用不明显 楗 之 f 受自电枢电淡对磁场蹶起瓣赘弱髂爆裂比较 明显 电枢绕组暾链的磁链甚至会出理受馕 由于双凸投无剥壹浚发宅瓠带受 载运行时 电枢绕组电流赝产生牧磁场教一令通瞧凰期的蔻半爨为去磁 爱半 周为增磁 由于磁路饱和的影响 总灼暾枢薮应为去磁反应脚t 3 图l 3 a 中随着a 棚电抠绕组魄流 b 相电枢绕组电滚变化 a 提电 枢绕组匝链的磁链v b 相电枢绕组匝链的磁锋v 明显激变 穗c 趣魄枢绕 组匝链的磁链v 则改变不大 说明各相电枢绕组电流对该相电枢绕缀联隧键磁 链的影响比较大 对其它相电枢绕组所匝链磁链的影响则比较小 可忽略不计 4 将图1 3 b 与圈1 2 b 励磁电流为2 5 a 所对虚的的曲线进行比较 可以发现电机带负载时励磁绕组暾链的磁链随转予位 霪变化两稍有变化 这是 由于电机带负载时 受电枢反应的影响 电机励磁绕组匝链的磁链在数傻上网 空载时相比有所变化 同对由于不同转子位置对成的磁化曲线不同 4 1 1 从丽在 不同转子位置电枢反应的强弱不同 从而导致在不同转子位鼹处 励磁绕组匝 链的磁链与电机空载时相比 改变的幅度不同 1 2 2 瞧殿磁双凸投电枧的电镶特性 鬣1 4 茺精磁绕缎与b 鞠电褓绕组同时通电时电机各绕组自感及绕组之间 蔓潜熬菇线 横坐标0 表豕转予位置角 缓登标表示电感 h x 0 7 基予电融磁磁凸檄毫祝的无嗣矗流发电系统的研究 b b 槽电枢绕组与励磁绕缀之间互感曲线 x 0 c b 樱电抠绕维鑫感趋线 d a 捐泡糨绕组与藏磁绕缴之阔互感曲线 x1 0 年 e a 柱电蜒绕维鑫感强线 f a b 涎摇奄枢绕缀之闻互感趋线 鹜1 4 受载时激机备绕缝崮撼及绕缀乏阉静互感曲线 躲避奄漉兔1 2 5 a a c 耦龟流为零 b 相电流飙上判下为依谯为 6 0 0 a 3 0 0 a 0 3 0 0 a 6 0 0 a 对圈i 4 分析如下 1 图l 4 a 中对或b 掘电攥电滚麓0 豹巷线裘鞠融磁绕缀的舀感奁毫橇 空载时基本不隧转予缀鬟翡改变焉改变 这是由予藏磁绕组的自感与电机定 转予淘合戏气陈磁罨 i 琏徽她成夔魄关系 丽后者避似为常数 1 慝1 4 a 中 其它几条曲线受h 衷鞠巍嗽机受载时 融磁绕组躯囊感受惠枢爱敷黪影嘲会较窑 簸时有历变化 当电抠缝组中滚过的必菠囱电流时 患枢反应越潜磁佟焉 正 魔电滚越大 毫秘磁路越锶察 飘磁缝缀裔感越 j 当电枢绕缀中流 j 童的为反 离赣流潼 电枢反旋越去磁作鞠 负向电流越大 电机磁鼹越不魄鄹 慰磁绕 组自感越大 2 图l 4 b c 表明魄撬堍枢绕缀与黪磁绕缀之灏韵互惑戳及电枢绕 鳃鳃鑫感隧奄枕转子霞鹫焦e 交纯褥燹优 在电枫磁路不镪和时 保持励磁电 8 南京航空麟犬大学硕士学撼论文 流和电橇绕组电流不变 电枢绕组与励磁绕组之间的互感以及电枢绕组的自感 在定子齿中心线和转予齿中心线对齐的位置达到最大值 而在定子齿中心线和 转子槽中心线对齐的位置达到最小傻 在电枫磁踌谗和时 彀枢绕缝童感懿最 大僵著不恁密现在定予翡中心线和鬻予齿中心线对齐钓位置 丽是墨现在这个 位置的附近 电枢绕组自感的最小假姗仍旧出现在定子齿中心线和转子槽中心 线对齐的位置 电枢绕组与励磁绕缎之间互感的最大值与最小值出现的位辫则 与电掇磁路不键霹辩藤阚 这是出予一方嚣 套稳窀撂绕缀与麓磁绕组之潮的 互感以及电枢绕组的露感与该相的磁导有关 随磁导的增大而增大 而磁母与 电机转子位置有关口4j 另一方面 释相电枢绕组与励磁绕组之间的互感以及电 掇绕组的彝感还要受到瞧枢反应的影穗 3 躺1 4 b c 表明电枫魄枢绕组与融磁绕组之间的互感以及电积绕 组的自感是该相电枢绕组电流的非线性函数 当电枢绕组中流过的为正向电流 时 电枢反应起增磁体用 正向电流越大 电机磁鼹越饱和 最大值电感越小 墨邀褪绕缀串滚逶浆梵受两毫漉嚣誊 迤枢反应越去磁棒霜 受秘毫流越大 电 机磁路越不饱和 最大值电感越大 最小值电感则基本不受电枢反应的影响 这是由于在不同的转予位置 磁路中气隙的长度不同 从而受电枢反应影响的 强弱程度不露 最大馕嚷感出现在气骧最小处 爱电枢反应瓣影穗穰大 瑟最 小值电感国现在气豫鬣小处 受电椴反应的影响缎小 4 将图1 4 c 剖与图1 4 f 相比较 可以发现电枢绕组之削的互 感与电枢绕组的自感摺比 数值缀小 可忽略不计f 2 4 l 5 褥銎1 4 国 c 分鬟与黼l 4 d e 进行跑较 可蛰发璃菜襁电 枢绕组的电流对该相电枢绕组的自感以及该相龟椴绕组与励磁绕组之间的互感 的影响比较大 而对其它相电枢绕缀电感的影响则比较小 可忽略不计 l 2 3 毫辩磁双蠡极毫搴莛戆藩程毫戆麴线 出上蕊的分析可知 电励磁双幽极电机的电感是电机转予位置角0 和梅绕 组电流的非线性函数 假设电机磁路不饱和 电机电感与电流无关 仅仅憝转 予位鬟受戆分羧线整灏数 可鞋褥劐窝1 5 瑟示三穗1 2 8 辍缝擒毫聚磁瑟酝援 电机的简化电感曲线 l i j 图中上线为电枢绕组与励磁绕组之间的互感波形 f 线为电枢绕组的自感波形 由图可见 各电感随转子位置角掇分段线性变化 垃上b 相电褪绕筑为倒 英皇惑以及它与弦磁绕缝之阀弱互感褒7 s o 5 2 5 秽l 缓 9 基于电蕊磁双凸掇电杭的无劂蠹流发电系统的研究 角内盼交纯筑律如下 在7 5 2 2 5 肉随0 线性增大 在2 2 5 3 7 5 两随e 线 性减小 在3 7 5 0 5 2 5 0 内保持为最小饭不变 4 5 0 枫械角为一个转子极距 对 应一个电感蔺期 a c 柏电枢绕组的自感以及它们与励磁绕组的互感除了相 位分别比b 搬超裁 滞慝1 5 0 机械受之外 这0 变化的规博稳霹 霪l 5 模型尽 管对电感作了理想化的处理 但是对于分析电机运行原理以及制定控制策略仍 爨寿耋要豹参考徐藏 缝黧瀛获 f 匕冬鲶 扣 r 菇r 而 打1 曹1 f k 多姒 矗 毫f 苗r 菇r 赢f 确 图1 5 三相1 2 1 8 极结构电励磁双凸搬电机的简化电感曲线 1 3 电励磁双凸极电机发电工作的原理 镪 龟 一 t 兰 卜 气 幽1 6 三相不控整溅电路隧1 7 电机磁场势毒圈 电耥磁双凸极电机发电工作时 其三相电枢绕组一般采用星形连接 并外 羧凰1 6 甄汞三提不控整浚电路发爨塞流毫 簇本王俸霖毯鲡下 当毫褫灏磁 绕组中通有一定电流时 将在电机内产生图1 7 所示的磁场分布 磁通经过定 予辍郝 定子诲象 空气骤 转予齿帮 转子辘部形成溺合磁潞 夕 加枫械力 使电机转予沿 定方向旋转 各棚电枢绕组匝键的磁链随若转子位曼改变藤变 亿 从而在吾稠电枢绕组中将产生感应电动势 如果将电机电枢绕组通过三相 1 0 南京航空靛天大学硕士学位论文 整流器外接负载 电机将向负载发出直流电能 1 4 发魄枧调压器的作用及工作原理 1 4 1 发电机调压器的作用 传动发电机的发动机转速变化 负载改变等阙索都会导致发电机的输出电 压不稳定 发毫掇零巍并不其冬瞧藤蠢凌调节功糍 霆笾 黉要设嚣调压嚣 通过改变发电机的励磁电流来调节输出电压m 1 除此之鼬 为了防止发电 机或用电设备损坏以及确保供电质艇 调压器还儒要完成如下 些功能 1 发 电枕输爨邀压过压 欠压延时绦护 妇果发电壤输惑电压在一段聪越内持续缝 过压或欠箍 调压器将采取一定的保护措施 2 发电机瓣磁魄流过流保护 当 发电机励磁电流过大时 为防止励磁绕组等损坏 调压器将会采取断开励磁绕 组等保护幼作 3 软起动功能 如粜发电机在藏速运行时突然建压 可能鼯致 茇毫辊赣滋毫莲趣谲逡大 毽赘 调压器霉要浚爨软起凌功辘 绩发龟辍蕊嚣 过程比较平稳 4 逆磁功能 发电机在突卸负载成转速突然增加的情况下 其 输出电压会有很大的过冲 为了限制输出电压的过冲以及缩短渤态过程的调节 时闯 调耀器嚣要竣鬏遂磁功能 使聚磁绕缝静魄淡逐速建下辩 姨纛骥发l 电 机输出魄愿迅速埯恢复至正常蕊 1 4 2 发电机调压器的点作原理 发电瓿调嚣爨奎羧豢 电臻帮j 鸯搴龟夔组成 蕤中凌率邀爨癌凌率嚣美警及 功率二极镣组成 作用是为发电机提供励磁功率 本文调压嚣所采用的功率电 路如图1 8 所示 励磁 电源 图1 8 调压器功率电路原理圈 p 一 蚋臌掩撼 一围 基于电融滋暇凸搬电机的蠢刷囊流发电系统的研究 溪1 8 中k 为主功率管 k 为逆磁功率餐 取为续滚二辍警 d 为邋磁 二极管 曩三常馕强下 k 壹导邋 枝 处于开关工佟羧态 k 开逶 励磁电 灏经 i 窭k 瓢加在威磁绕组上 发电弧融磁电流援蕊 k 关断 融磁泡雾蓑经 过励磁绕缀 d k 构成的回路续流 磁磁魄流域小 通过调节k 的占空嫩 即可调节发电机励磁电流 从而调节发电机的输出电压 在发电机卸载等过程 中 其输潞龟珏过 撺很大 在这种情况下 k 和k 一起关断 励磁电流经过 翩磁绕组 d 藏磁毫源 d 擒藏的邋磁豳路将能爨回馈给瀚磁电源 励磁 滔流遨速下洚 发穰杌输国龟歪也麓之鞍快下降 调压嚣控制电路最然本装功髓楚产生励磁功攀惫路功褰管鹃开关信号 歇 瓣实瑷对缴毫援熬磁瞧浚熬控到珏璇节箕辕爨毫爨 必筵 调捱嚣控铡邀鼹撞 彼包含检测 比较 p l 调节 脉变调制 功率放大等蒺本坯节 冀工 乍原璞是 采样发电机输出电压 岛参考电压相比较 再依次经过p i 调节 脉宽调制 功 攀放大等步骤产生功率赣的开关信号 此外 调愿器控制嗽路还需要完成保护 信号产生 逆磁控制等功能 当检测到发电枫输出电艇 输出电流 励磁电流 麓过厩常德范潮时 控铡电路应该能够产生封锁功率管驱动 使继电器动作等 控制铬号 至于邀磁控簇功糍 零文采彀了两耪擦铡方式 鹌 薷一稀跫当检测 劐发嗽撬瓣出魄莲趣过一定建u 爵 逆澈毫爨作麓 灏磁魄流努始下辩 一焦 发电机羧嗽嘏蹑下蹲至 u 以下露 逆磁魄路停业黪焉 奉文将淀群控麓方式称 为单逆磁限控制 可以用电压比较器实现 第二种控制方式是懑捻测到发电机 输出电压越过 定傻u 时 逆磁电路开始作用 翩磁电滚下降 童劐发电枫输 出电箍下降到比u 略低的另一个梭u 时 逆磁电路才停上匕作用 本文将 这种控稍方式称为双逆磁限控制 可以阁滞环比较器实现 有时为了提高系统 熬稳态洼黥 弼鞋将裁磁嘏流捡灞信号邋过特定酾电黼 链容辩络耦合到输国 壤歪稔溺接号上 郄采教翻磁电流反镶 秘畿一个校歪环节泓 l j f 1 本文 辩l 魄瞧送行 尝试 1 5 电励磁双凸极无刷蠹流发电视系统的构成 毫瓣磁双爨极炙穰瀛流发电梳系统静稳成弼萄1 9 所示 主要由原韵平凡 励磁电源 电嫩磁双凸极发电规 调愿嚣 整渡滤波魄憝 受载凡帮分缀成 原动枧与发电机转予圆皴安装 繁动发愈瓤转予一起旋转 一般为发动极 在 1 2 南京戴窆魑天大学碛一 学位论文 实验室条件下常朋拖劝台或电动机代替 励磁电源一般由与发电机同轴安装的 永磁双凸极励磁机整流后提供 本文则由三相交流市电连接三相调朕器樽经整 流后提供 威线框所示为调腰器 由功率电路及控制电路两部分组成 蕤流滤 波电路 般采用豳1 6 所示三相不控整流及大电容滤波 1 6 本耄小结 一一霭燕黍 一 图 9 电融磁双凸辍无翮矗流发电机系统示意替 本章是对电励磁双凸极光刷点流发电机系统的总体介绍 者惠说明了电励 磁双凸极电机的静态特性 分析表明电励磁双凸极电机的磁链 电感均是电机 转子能置角以及各绕组电流的非线性函数 为了简化分析 可以使用简化电感 模型 本章还说明了电励磁双凸极电机发电工作的原理在于器相电枢绕组匝链 的磁镳随转予旋转而发生变化 最后 本章说明了调压器应具有电压调节 保 护 软起劲 逆磁等功能 逆磁控制可以采取单逆磁限控制 双逆磁限控制两 种方式 基于电励磁双凸极电机的无刷直漩发电系统的研究 第二章电励磁双凸极无刷直流发电机系统建模及仿真 本章介绍了电励磁双凸极无刷直流发电机系统的建模及搪真 开头介绍了 建模及仿真的意义以及选择m a t l a b 的s i m u l i n k 以及s i m p o w e r s y s t e m s 题个 工舆箱作为仿真平台的原因 接下来 详细介绍了电励磁双凸极凭刷点流发电 机 调压器 整流器及负载的建模 将这几部分模型综合起来 便得到了发电 视系统的整体模型 然后 本章利用该模型针对一台样机进行了仿真 主要仿 真研究了p i 参数 滤波电容容值 主功率管开关频率 励磁电流反馈参数的设 置对发电机系统稳态和突卸 突嬲负载动态性能的影响以及逆磁电路的设鬣对 系统突卸负载橼能的影响 2 1 建模及传囊概述 2 1 i 建模及仿舆的屡的和意义 电皴磁鼹鼓极茏稻矗流发电税系统是自发电机 谰压器组成的复杂电机系 统 在系统设计完藏之看 萁各项性能指标是否麓这蓟设计要求 醣前只能通 过卷 捧霖理样梳来检验 这释轿究过稳存在一定的菇陵 疑耗时长 成本高 隧蓑计舞枫傍冀技朱翡发震 远孀计算梳建立系统秘禳墅并邀行仿真分析被越 来越多蛙弓 入到复杂系统翡设诗过程孛来 零牵工作的霹静正在予运溺褶关的 秘学计算软传 建立发瞧极系统静模型 采雳合适的计算方法 琵较龛面德横 凇发嗽桃系统鲶各秘特性 既珂鞋检验发电枕本镕设计斡合理性 又可敬确定 调援器应该采取侮摹孛控测方式 并基能够糕略缝确定按制参数豹范围 从而为 澜魇器硬馋瞧路靛设计提供重要鲍参考依攒 2 1 2 系统彷冀平台的选择 传统的电机系统建模和仿真的平台有两种 一种是s i m u l i n k 侧羹于述l 亍 整个控制系统的仿真 根据各环节的微分方程零出传递函数 组成系统的结携 框图进行仿真 但怒 s i m u l i n k 不熊宣接进行电路仿真 茏法涉及系统的媳路 特性 而调压器是发电机系统的一个重要环节 设计时往往需要分辑功率管等 电路特殊点的电压与电流波形 显然 单纯采用s i m u l i n k 不能对电机与功率变 1 4 南索筑空莸天大学殒士学位论文 挨电爨进行一俸化鹃建模与彷粪 另一释乎台是p s p i c e 翻重予进行毫路的仿 真 利用其模型库中丰富的电路元件搭建系统模型 可以对系统的工作过程进 行誊流 交流 暂态等分析 键p s p i c e 中没有电机模型 要嗣等效电路模型 代替 而电励磁双凸极纛刷直流发电枧由于其复杂性 难以鼹缓确的等效电鼹 模型代替 m a t l a b6 s 豹出现解决了控制系统与翘气系绞混合建摸与饶卖懿难题 它包含电气系统模块库 s i m p o w e r s y s t e m s s i m p o w e r s y s t e m s 以s i m u l i n k 为运 芎亍嚣凌 涵菔了鸯路 魄力电予 电气传动鞠电力系统等电工擎科中常用的蒸 本元件和系统的仿真模型 s i m p o w e r s y s t e m s 模块和s i m u t i n k 模块的结合可以 实现电气系统和控制系统的混合仿真辩l 辫1 可用来解决复杂电机系统建模与仿 真的困难 飘此 电励磁双凸极无剔鬟流发电极系统鲍仿褒选鼷m a t l a b6 s 作为平台 并且采用s i m u l i n k 和s i m p o w e r s y s t e m s 两个模块库 2 2 系统仿真模型 电励磁鞭凸极无刷直流发电机系统仿真模型分为电励磁双凸极无刷直流发 瞧辍模型 调匿嚣摸登 程括调蘧器控镧毫路模型和调歪器功率电路模挺 熬 流器及负载模型三部分 下面逐个介绍仿真模型的备个组成部分 2 2 1 电励磁双凸檄无刷激流发电机模泌 电励磁敝凸辍无耐赢流发电机各绕组的磁链方程以及屯箧方程分别如式 2 1 2 2 所承 虬 虬 争 镌 哎 屯 0 0 影 0 毛 0 m 女 0 0 丘 麓 m t 秘 m d 三 十 一j 4 一 一k f r 致 冁 p 2 一 2 2 式 2 1 2 2 中 1 1 i l m r 分别表示发电机备绕组匝链的 s 鏊于电励磁双凸极电机的无刷赢流发电系统的研究 戳链 绕缀蠓瞧压 绕缀魄漉 绕缝自感 绕缝蛹懿互感 绕缌惫疆 下撼a b c f 分别表示发电机a b c 三棚电枢绕组以及励磁绕组 从对象基本的数学方瑕出发 楚剥恩m a t l a b 建模的辏零愚路 运用 s i m u l i n k 丰富的数学模块 以式 2 1 2 2 为依据 可方便地建立电励磁双 i 璺j 极发电机备绕组的模挺 图2 1 2 2 分别为励磁绕组和a 相电枢绕组的模裂 謦2 1 模凝激聚磁绕缀端电箍u 三裙电橙电流i i i 作为输入量 狠 攒式 2 2 求褥融磁绕组所匿链静磁键 静簿数审f 积分褥熟v 孬根攒式 2 1 求褥融磁彀流 佟必输出豢 模块錾岛 t 日 i 分剐完裁积 分 比例放大 乘法和加 减法运算 隧2 1 縻磁绕组模型 圈2 2 模激娃a 提电糖电流i 皴磁电滚每馋为输入量 艰撰式 2 1 2 2 求得a 相电撼绕组所匝链磁链 l 的导数 i 然后根据式 2 2 求褥a 相电枢 绕组的端电压u 作为输爨量 模块毛凰的功熊是完成徽分运算 b c 枢 电枢绕组建模方法与a 檑嘏梃绕组褶间 不荔赘述 强2 2a 勰毽抠绕缀模型 利用建囊予系统 c r e a t es u b s y s t e m 技术 将发电枫务绕缀瓣仿囊模型搀 成子系统 发电机s i m u l i n k 模型 如图2 3 所示 幂q 用图2 3 这一个模块 就 可以表示发电执各绕组荫真模型豹组台 从而增强了系统模型的可滚往 图2 3 摸窿是s i m u l i n k 模型 箕输入端子n j i i u f 分荆表示电机的转速 1 6 离京航空蓝走夫学矮 学位论文 三鞠漱褪绕缌抟邀漉醛及藏磁毫压 输出端予u u u i 分嚣 表示三褶电 枢绕组端电压和励磁电流 s i m u l i n k 氍型 强2 3 发电飘s i m u l i n k 模型 下文将鲠建立的调雎器模型是s i m p o w e r s y s t e m s 模型 与圈2 3 发电毒凡 s i m u l i n k 模羹之间福互连接必须进行相斑的转化 4 蚓 其相互转化的模型如图 2 4 所示 发电机s i m u l i n k 模型蛇输出端子n u 娃 外接受控彀压源知 转 化成s i m p o w e r s y s t e m s 端子a b c 表示发电机三相电枢绕组出线端 输出 端子娃夕 接受控电流瀑 i 罐壤 转绽戏s i m p o w e r s y s t e m s 端孑 与表暴发邀罄毛秘磁 绕组接线端的e 和e 相遗 输入端子i i b i 由电流测量模块鄹得到 s i m u l i n k 信譬 输入端子u 弱密电匿溯璧模块堂 i 得到s i m u l i n k 信号 圈2 4s i m u l i n k 模型与s i m p o w e r s y s t e m s 模型相互转化的模型 裁灞势装予系统 m a s ks u b s y s t e m 技术 涛餮2 4 模挺葑装成图2 5 左圉 所示 发电机 模块 该模块的输入端子f 和e 表示发电机励磁绕组接线端 输出端子a b c u 分潮表示发电机三相电枢绕组如线端以及励磁电流的数 傻 在仿真模型中双击 发电极 摸块 会弹爨强2 5 裹饕鞭示参数竣箨对话 框 在该对话框内可以设激电机转速 励磁绕组自感 励磁绕组电阻等参数 lr t hr b ikf j 雨 口m i l 麓 01 j1 1 j1 基于电融磁粳凸嘏电机的无刷壹流发电系统的研究 仿真嚣尊m a t l a b 会自动将这些参数传递给发电机番绕组静仿真模型 发电机 圈2 5 封装形式的发电机模块及其参数殴置对话框 2 2 2 清篷器攘型 2 2 2 1 调压器功率瞧路模数 图2 6 为调压器功率电路原理图 图中k 为主功率管 k 为逆磁功率管 域为续流二檄管 d 2 为逆磁二极管 箕工作原理如第一章所述 鹚避 电张 翻2 6 调压器功率电路原理图 图2 7 为根据图2 6 建立的调压嚣功率电路模型 采耀s i m p o w e r s y s t e m s 中的u n i v e r s a lb r i d g e 模块 将其设置为2 个桥储 功率管选用m o s f e t d i o d e s 端予p w m 与i n v f 分别燕由调痿爨控制迄 路产生懿主珐率饕鞋及逆磁功率管 的开关信号 f 和f 两个端子接发电机励磁绕组 8 图27 调压器功率电路模型 南京航空航天大学硕士学位论文 爆2 8 模型为露2 彳摸型懿内帮结秘 q 跫主功率管 q 是邀磁功率管 镳 q 两个管予的门极信号均为零 即这鼹个管子一囊处于关断状态 只是利用了 它们的反并二极管 q 的反并二极管作为续流二极麓 q 的反并二搬管俸为 逆磁二极篱 r 和f 两个灞子接发电机励磁绕组 圈2 8 调压器功搴电路内帮搂溅 2 2 2 2 调压潞控制照爨摸微 调疰器羧懿毫路豹传鬻是当发魄梳系统处予溉常工幸筝清猿随 穰据检测尉 黪发魄枫浚爨瞧压 产生调莲爨功率瞧鼹功率管赫开关信号 便发奄梳输穗电 胍保持恒定 在出现故障时 封锁功率簿弱开关僚号 防止嚣传撰坏 本文调愿器采用敕控剃方法是p i 谡节 图2 9 是p 调蕈嚣豹朦理墅 圈c 争 1 1 是发电机输出电压的检测值 通过电阻r 接入p i 调节器的反棚端 u 是 发电机励磁电流的检测值 通过电容c 和电阻r 按入p i 调节器的殿相端 与u 祸合夜 怒 u 为参考电驻 经过电阻疑 和电容c 弼成豹延时电鼹接在p i 调 节器豹同穗端 实璇了较越动静功麓 诡运敖同确端电压为醢 电阻轧和魄 察e 蹋寒诵整p l 参鼗 u 为p l 谲节嚣靛输密电隧 圈2 9p j 谪节器艨遵嗣 校诺r e 充毫电路和p i 调节嚣的原理 可戳褥到u u 臼句复数域表达 式以及毙锻系数k 积分系数k 豹表达式 分别如式 2 3 一 2 5 搿示 9 罄予电赫磁鼹凸极避辆瓣光瘸赢流发泡系统鲍研究 瓯 s 2 志咚 2 3 姒跏 跗弧 飞舻 气塞爹仲 s u i l t 硼凌警舞 2 4 足 1 2 p 意 一2 丽 2 5 瞧式 2 4 可以看如 耍2 9 联示