励磁电流负反馈对双凸极电机调压性能的影响

励磁电流负反馈对双凸极电机调压性能的影响 1 引言 双凸极电机是近几年来电工科学领域继开关磁阻电机之后又一全新的研究方向 电励磁双凸极 发电机较永磁双凸极电机由于采用励磁绕组取代永磁体励磁 就可以通过调节励磁电流的大小来实 现调压 不需要可控功率变换器和位置检测装置 从而结构非常简单 可靠性更高 成本更低 但 电励磁双凸极发电机要发出直流电就必须外接三相整流桥 并且输出端需要加一个大的滤波电容 这样使得整个发电系统的时间常数很大 传统的调压器仅仅引入输出电压与给定值相比较后的值经 PI 调节作为励磁回路开关管的驱动 这样输出电压的稳态性能往往不能满足要求 本文以一台 12 8 极 28 5V 直流输出的电励磁双凸极发电机为研究对象 采用在传统调压器的基础上引入励磁电流 负反馈的方法来改善发电机的稳态性能 1 2 电励磁双凸极发电机的发电原理 2 1 电励磁双凸极发电机系统的构成 本文所论述的电励磁双凸极发电系统主要由电励磁双凸极电机本体 三相不可控整理桥 模拟 调压器等三部分组成 文中用到的电机为一台三相 12 8 极结构的电励磁式双凸极电机 图 1 为其截面图 电励磁双凸 极电机转子上无任何绕组 励磁绕组和电枢绕组全部集中在定子上 这台电机的定子极弧为定子齿 距的 1 2 这样保证了一个极下转子齿与定子齿的重叠角恒等于转子极弧 2 而与转子位置无关 从 而使电机中的合成气隙磁导为一个常数 图 1 12 8 极 DSEM 电机截面图 2 2 电励磁双凸极发电机的工作原理 电励磁双凸极发电机发电运行时 输出电压需经过三相整流桥变换成直流电 其工作原理 2 是 当励磁绕组加上恒定直流电时 就产生了励磁磁通 其中大部分磁通经过定子轭部 定子齿部 气 隙 转子轭部 转子齿部形成闭合回路 当电机转子在外力作用下沿某一个方向持续旋转时 由于 磁阻的变化 电枢绕组所匝链的磁链发生变化而产生感应电动势 如果外接负载时 电励磁双凸极 发电机将向外输出电能 当负载或者电机转速变化时调节励磁电流的大小来维持输出电压的恒定 3 电励磁双凸极发电机的调压系统 电励磁双凸极发电机调压主要是通过控制励磁电流来实现的 3 4 传统的调压方式是 取电励 磁双凸极发电机经整流后输出的电压 Uport Uport 并经过差分比例运算电路作为电压负反馈接 入 SG3525 的反相输入端 再与给定值相比较后经过 PI 调节控制励磁回路开关管 在传统的调压电 路的基础上我们再引入励磁电流负反馈 本文励磁回路中的 Mosfet 管的驱动信号产生电路如图 2 所 示 图 2 调压电路驱动信号产生电路 励磁电流经过电流互感器转变为电压信号Uif后也接入 SG3525 的反相输入端 输出电压负反馈 励磁电流负反馈均采用 PI 调节 因为只需一路输出 我们使用 SG3525 的 13 脚作为输出信号 由 于 13 脚是反逻辑输出的 我们在输出后接上一个 OC 门电路来实现正确的开通信号 励磁电流检测 电路如图 3 所示 图 3 励磁电流检测电路 励磁电流检测使用的是磁场平衡式电流传感器 LEM 模块 采用正负 15V 供电 它将互感器 磁场放大器 霍尔元件和电子线路集成在一起 套在励磁线圈上就可以工作 LEM 具有精度高 零 漂小 动态响应快及抗干扰能力强的优点 由于该电流传感器输出为电流信号 因此在它的输出端 需要加合适的采样电阻 本文所使用的电励磁双凸极发电机的额定励磁工作电流约为If 20A 因为 励磁电流的最大电流较大 可达 25A 左右 选用的电流传感器的电流变比Ki 1 1000 在额定工作点 霍尔传感器输出电流It 20A 1000 20mA 选R1 200 则励磁电流的反馈量Uif R21 It 200 0 02 4V 运算放大器 LM358 构成射极跟随器 用于提高带载能力和抗干扰能力 4 两种调压方式对稳态特性影响比较 4 1 利用 simulink 仿真对两种调压方法比较 由于调压系统环节众多 电路结构比较复杂 往往为高阶系统 使得模型建立和分析相当困难 5 Matlab 软件中的 simulink 工具箱是电机仿真的重要工具 Matlab 软件从 5 2 版本开始推出电气模 块库 Power system blockset PSB PSB 涵盖了电力电子 电力系统等电工科学中常用的基本 元件和系统仿真模型 虽然 PSB 是在 simulink 的基础上发展起来的 但 PSB 信号与 simulink 的信 号不同 需要通过中间接口模块来实现两种信号的传递 DSEM 发电机的数学模型主要包括磁链方程和电压方程 由于 DSEM 电机结构的特点决定了 DSEM 电机 每相绕组间自感和相绕组与励磁绕组间的互感都随着转子位置改变而改变 对相绕组间的自感 相 绕组与励磁绕组间的互感采取分段线性化处理 磁链方程和电压方程可以表示为 1 三相绕组电流数学表达式为 2 3 式中 ua ub uc分别表示 A B C 相对中性点 N 的电压 uf if表示励磁电压和励磁电流 ra rb rc表示每相绕组的电阻 L 表示每相绕组的自感或互感 ia ib ic表示三相电流 p 表示微 分算子 利用 Simulink 和 PSB 模块库搭建电励磁双凸极发电机调压系统的模型 首先进行只引入输出电 压负反馈 在转速 4775r min 励磁电流 20A 负载 20A 时的仿真 图 4 是其输出电压的仿真波形 从图 4 中可以看出在只有输出电压负反馈时的输出电压脉动比较大 U 1V 然后在输出电压负反馈的基础上 再引入励磁电流负反馈 在转速 4775r min 励磁电流 20A 负载 20A 时进行仿真 图 5 是其输出电压的仿真波形 从图 5 中可以看出再加上励磁电流负反馈后的输 出电压脉动比较小 U 0 4V 图 4 n 4775r min I0 20A 时仅有电压负反馈的调压方式 从仿真波形可以看出 引入励磁电流负反馈后 能够明显改善输出电压的稳态精度 减小输出 电压脉动 4 2 通过实验对两种调压方法进行比较 在上述仿真结论的基础上 我们再通过实验来考察引入励磁电流负反馈对输出电压性能的影响 图 6 图 7 是转速 4860r min 励磁电流 20A 负载在 12A 下分别只有电压负反馈和加上励磁电流负 反馈的调压波形 其中通道 1 为励磁回路中开关管的驱动波形 使用差分探头缩小 20 倍观测 通道 3 为输出电压的交流分量 也是使用差分探头缩小 20 倍观测 通道 4 是电励磁双凸极电机 A 相电流 转变为电压信号后的波形 A 相电流通过 LEM 缩小 1000 倍后流过 20 的检测电阻后转变为电压信 号 使用普通探头检测电阻两端电压达到观测 A 相电流的目的 图 5 n 4775r min I0 20A 时有两种负反馈的调压方式 从图 6 图 7 中的通道 3 波形对比可以看出在相同的转速 负载等条件下 加上励磁电流负反 馈的调压电路输出电压纹波 约为 0 8V 要远小于仅有电压负反馈的调压电路的输出电压纹波 约为 2 1V 图 6 I0 13A 时仅有电压负反馈的调压实验波形 图 7 I0 13A 时加上励磁电流负反馈的调压实验波形 图 8 图 9 是转速 4750r min 励磁电流 20A 负载在 30A 下分别只有电压负反馈和加上励磁电 流负反馈的调压波形 使用的探头同图 6 图 7 图 8 I0 30A 时仅有电压负反馈的调压实验波形 图 9 I0 30A 时加上励磁电流负反馈的调压实验波形 从图 8 图 9 中的通道 3 波形对比也可以看出在相同的条件下 加上励磁电流负反馈的调压电 路输出电压纹波 约为 1V 要远小于仅有电压负反馈的调压电路的输出电压纹波 约为 2 5V 同 时也可以看出随着负载电流的增大两种调压方式下的输出电压纹波均有所增大 6 这是因为随着负 载电流的增加 电枢反应会使相绕组磁链随位置角变化的波形发生变化 电枢反应的退磁作用将使 相磁链减小 电枢反应的增磁作用使相绕组磁链增加 当磁路饱和时退磁作用大 在磁路完全退饱 和前 随着负载电流的增加 输出直流电压纹波会缓慢增加 当负载电流足够大 使磁路完全退饱 和 相磁链峰值减小量大 相电势峰值随负载电流增加而减小 使输出直流电压纹波减小 所以对 输出电压纹波有很高的要求时可以再考虑引入负载电流负反馈 5 结束语 本文介绍了电励磁双凸极电机的发电原理 详细分析比较了两种调压方式下的直流输出纹波大 小 首先利用 Simulink 软件对两种调压方式进行仿真 看出仅有电压