混合励磁无刷直流电机（共7篇）
混合励磁无刷直流电机 篇1
1 引言
永磁电机包括永磁同步电机与永磁无刷直流电机,以其结构简单、效率高、可靠性好等优点而得到了越来越广泛的应用,但在诸如机床主轴传动以及电动汽车驱动等一些要求具有低速大力矩与大调速范围的应用场合,常规的永磁电机往往难以满足,主要原因在于调磁困难,尽管有不少文献研究了基于矢量控制理论施加直轴电流以实现弱磁升速的方法[1,2,3,4,5,6],但效果并不理想,难以应用在电动汽车的驱动中。原因在于:第一,永磁材料对外加磁势具有很高的磁阻,弱磁效果差;第二,弱磁电流的产生大大增加了控制器的容量与成本、降低了控制器的功率密度;第三,能量损耗与发热增加,效率降低。而以上每一个指标对电动汽车驱动而言都是非常关键的。导致的结果是目前永磁电机在电动汽车的驱动应用中被迫采用妥协的方案,即保留变速箱或超配电机功率,增加了成本且未能充分发挥电动汽车的优势。为了利用永磁电机的优势,同时在低速时输出更大的力矩以及在轻负载时能弱磁升速,一些文献提出了混合励磁的策略[7,8,9,10],但这些文献都是针对永磁同步电机展开的。与永磁同步电机相比,永磁无刷直流电机具有更高的功率密度与效率,更加适合在电动汽车中应用。为此,本文提出并研制了一种混合励磁永磁无刷电机,并采用了外转子结构以进一步增加输出力矩与高速时的可靠性。在这种电机中,定子铁芯中安装有三相常规工作绕组(定子电枢绕组)和励磁绕组,励磁绕组沿圆周方向安装在定子铁芯的中间位置。外转子内侧交替安装永磁极与铁芯极,后者为励磁绕组产生的磁势有效形成磁通提供磁路。气隙磁通由两部分组成:一部分是由永磁片产生的幅值不变的永磁磁通,另一部分是由励磁绕组产生的可根据励磁电流大小与方向而改变的励磁磁通,其产生的磁势沿定子铁芯穿过气隙经转子上的铁芯极再经气隙回到定子铁芯形成励磁磁通。当励磁磁通与永磁磁通方向一致时,产生了增磁效果,反之,则是去磁。这样,在额定转速以下需要大力矩时,就突破了以往的永磁无刷电机只能通过短时加过载电流来实现的不利状况,通过增磁,即使不增加定子电流也能轻松实现长时间连续的低速大力矩运行,通过适当设计,增磁效果可达基础磁通(没有施加励磁电流时纯粹由永磁片提供的磁通)的两倍以上。同样,在额定转速以上,可轻易实现恒功率下的弱磁升速,磁通可到基础磁通一半以下。这样,大大拓宽了原来普通永磁无刷电机的调速范围与力矩范围,同时具有效率高、功率密度大的特点,特别适合电动汽车的驱动应用。
2 电机结构与调磁原理
外转子混合励磁无刷电机的总体结构如图1所示。首先,其定子与常规的永磁无刷电机的区别在于:除了定子电枢绕组外,在中间圆周方向开槽,并在槽中安装励磁绕组;其次,在圆筒型转子的内侧交替安装永磁极与调磁极,转子的展开结构如图2所示,图中,N极的永磁极用PN表示,S极的永磁极用PS表示,调磁极用PT表示,调磁极由铁芯组成。水平方向的一个PN与一个PT组成一个对外表现为N极的合成磁极;同样水平方向的一个PS与一个PT组成一个对外表现为S极的合成磁极。在励磁绕组未加励磁电流时(励磁磁通为零),N极的合成磁极中的PT被圆周方向的相邻两个PS磁化为N极;S极的合成磁极中的PT被圆周方向的相邻两个PN磁化为S极。
当在励磁绕组中施加正向励磁电流时(图1中所示方向),由于永磁极对外加磁势的磁阻很大,而调磁极则由于是铁芯材料构成,是良好的导磁体,励磁励磁产生的励磁磁势主要由左边气隙进入转子左边的PT再经右边的PT出来,经右边气隙回到定子铁芯形成回路产生励磁磁通,无论是左边PT的还是右边的PT,励磁电流产生的磁通的方向都是与各自同一合成磁极中的永磁极中的磁通方向相同的,见图3所示,因此达到了增磁的效果,通过调节励磁电流的大小可非常方面调节增磁的程度。同样,施加反向励磁电流,也可以实现弱磁,如图4所示。
3 数学模型与控制策略研究
3.1 数学模型研究
设ua、ub、uc和uf分别是施加到三相定子电枢绕组和励磁绕组上的电压,ia、ib、ic和if是相应的绕组电流,Ra、Rb、Rc、Rf和La、Lb、Lc、Lf分别是相应绕组的电阻与电感,ea、eb、ec是三相电枢绕组上的反电势,忽略绕组间的互感,则可以得到:
并有:Ra=Rb=Rc,La=Lb=Lc。
假定θ是转子的位置角(转子直轴与a相绕组轴线之间的夹角),Φ是每个合成磁极的磁通,则有:
式(2)中:ke是反电势系数;fa(θ)、fb(θ)和fc(θ)分别是ea、eb和ec的波形系数[11,12]。
根据第二节的分析,合成磁极的磁通Φ可用下列公式来计算:
式(3)中:Φm是永磁极提供的磁通;Φf是励磁电流产生的磁通;kf是励磁系数;if是励磁电流。
设Te是电磁力矩,Ω是角速度,Pe代表电磁功率,则有:
电磁力矩Te可表达为:
将式(2)代入式(5),可得:
假定混合励磁无刷电机采用120°导通、60°换向的工作模式,定子电枢绕组采用Y型连接,在稳态下,由式(1)~(3)可得电压平衡方程式如下:
式(7)中:U为控制器母线电压;I和E分别代表定子绕组在导通阶段的稳态电流与反电势;R是定子绕组的内阻。
由式(3)与(6)可得到:
其中,KT是转矩系数。
3.2 控制策略研究
从前面的分析可知,该电机有纯永磁、增磁与弱磁三种工作模式。假定nr代表额定转速,Tr代表额定电磁力矩,Ir代表定子绕组的额定电流,则有:
其中,Um是控制器的最大母线电压。
则控制策略设计如下。
(1)基本工作模式
如果n≤nr并且总的负载力矩TL≤Tr,则励磁绕组无需工作,电机就可满足给定力矩与速度要求,此时,电机运行于基本工作状态,励磁电流为0,转速控制完全象常规的永磁无刷电机的控制方式一样,以速度与定子电枢电流双闭环通过PWM方式加以实现,公式如下:
其中,U是脉宽调制后的两相导通绕组的稳态线电压。
(2)增磁工作模式
如果n≤nr并且总的负载力矩TL≤Tr,在这种情况下,由式(10)可知,仅仅依靠永磁通Φm和额定电流Ir无法满足力矩要求,在不想施加过载电流的情况下,只有依靠增磁来达到要求。此时,电机通过两个闭环调节系统加以控制,一个是常规的速度与定子电枢电流双闭环串级控制系统,简称主调节系统;另一个是励磁电流的闭环调节系统,简称辅调节系统。其中,辅调节系统的给定励磁电流由以下方法计算:假定不通过增磁而是通过施加过载电流来满足力矩要求,如果电流为Is时产生的力矩能满足系统要求,则励磁电流If为[13]:
(3)弱磁工作模式
若n>nr,则需要通过弱磁升速来实现。由公式(7)可知,混合励磁无刷电机的最大运行速度可由以下公式来计算:
对照公式(9),显然,当在励磁线圈上施加负的励磁电流时,系统进入弱磁状态,可达到的最大转速nm将大于额定转速nr,其速度调节方法与传统的电磁式直流电机弱磁升速方法类似。
4 实验结果与分析
所研究开发的电动汽车驱动用外转子水冷式混合励磁无刷电机样机如图5所示,主要参数如下:额定功率55k W,额定电流155A,额定转速3000r/min,励磁电流-8A~+8A,电机极对数为6。
为了测试该电机的增磁与弱磁效果,在维持控制器母线电压360V不变的情况下,让电枢电压控制系统的PWM为100%,即母线电压全部输出到定子电枢绕组上,通过调节励磁电流来测试励磁电流与电机最高转速的关系,初步试验结果如图6所示。从图6中可看出,在电枢绕组施加额定电压下,增磁时电机最高转速随励磁电流的增加而下降,弱磁时电机最高转速随励磁电流的反向增加而升高,试验表明该电机具有优异的增磁与弱磁效果,达到了预期的目标,但增磁效果比弱磁效果更好。更多试验有待进一步完善。
5 结论
扩展永磁无刷电机的低速转矩,使之能象传统有刷直流电机一样实现恒功率弱磁升速一直是该领域的科研工作者追求的目标,在电动汽车的驱动中意义尤其重大。本文提出并研究开发的混合励磁无刷电机不但高效地实现了上述目标,通过试验证实了增磁与弱磁的效果。还通过外转子水冷式设计进一步提高了力矩密度与功率密度,优化了散热效果,增强了磁片在高速下的稳定性,为电动汽车提供了一种更加理想的电机驱动系统,应用前景非常广阔。
Abstracts
channel signal acquisition and analysis system.This system adopt NI USB-9234 data collection card,with the virtual instrument and related technology for the signal collecting and processing system.The design of the system of access to data collection and gathering data at that time,the signal time domain and frequency domain analysis,FFT conversion of the waterfall,and also the implementation of the signal for functions simulations.On the basis of analyzing the systems functioning demand,a detailed description of the functional programming and design of the front panel is approached.At last,the possibilities experiments of system is inspected and detailed.Experience has shown that the virtual instrument is a good solution to the efficient implementation of various missions.
Key words:Lab VIEW;signal acquisition;statistical characteristics of value;time domain frequency domain analysis;waterfall;simulation
11-08-46 Design of Ultrasonic Transmit Circuit Based on MAX038
LU Yun-fei,ZHANG Yong-jun,WANG Yu-qiang,PI Ding(Guangdong
University of Technology,Guangzhou 510006,China)
Abstract:An ultrasonic transmit circuit based on MAX038 is introduced.The control component is STC89C52,and the circuit is also composed by DAC,high speed operational amplifier and inverter circuit.This ultrasonic transmit circuit can carry out low cost,high precision and the frequency can controlled by the program.
Key words:MAX038;MCU;frequency;ultrasonic transmit
11-08-48 Design of High-Speed Sampling System Based on
Guangzhou 510006,China)
Abstract:Introduction of a high-speed sampling system based on CPLD.The high-speed high-precision chip AD9244-65 is used for the system front-end sampling AD,four AD synchronous sampling,and then use the dual port RAM as data buffer.Dual-port RAM extracted the sampled data to the computer parallel.The performances of AD9244-65 are good,the sampling rate up to 65M and 14-bit resolution are fit for the most of the signal sampling requirements.It has been used in engineering practice,and made well effects.
Key words:high speed;sampling;synchronization;CPLD
11-08-50 Control and Monitor System Design Based on PLC,Wireless and Industry Computer
Abstract:The running of the PLC is controlled and monitored by industry computer and wireless communication base on programmable logic controller,wireless and industry computer techniques.In the designing work of amusement equipment,we often encounter the problem that is the control department is far from the running department,and the wire communication mode can’t reach the controlling requests.This paper uses the wireless mode to meet the design requirements.
Key words:PLC;wireless;industry computer;monitor
11-08-51 Design of Profibus-DP Communicate Interface Based on DSP2812
Abstract:With its excellent technical performance development,the Profibus Fieldbus had more and more users in the whole world.Power meters of industrial field are moving toward intelligent,modular and networking,this paper introduced a new implementation of Profibus-DP communicate interface for power meters and gave software with hardware platform.Experiment proves that the power meter communicate is realtime,stable and reliable.
Key words:Profibus-DP;DSP2812;power meters;communicate interface;SPC3
11-08-53 Study on a Kind of External-Rotor Hybrid
Wuzhoulong Motors Co.,Ltd,Shenzhen518116,China)
Abstract:In order to be applied to the electric vehicles,the drive systems must possess a lot of special performance parameters such as wide speed adjusting range,large torque in low speed,big power density and high efficiency,so current ordinary permanent magnet motors and induct motors are difficult to meet these demands.For this problem,this paper provides a kind of novel external rotor hybrid excitation Brushless DC Motor(BLDCM)with water cooling,in this motor not only larger torque in low speed can be output easily by increasing magnetic flux but also higher speed can be realized by magnet weakening,on the other hand higher efficiency and power density can be possessed.Above mentioned features makes this motor an excellent drive system for the electric vehicle.The test to model machine proved the validity and correctness of this motor.
Key words:electric vehicle;external rotor;hybrid excitation;DLDCM
Abstract:This paper inspected the welding quality through tensile shear strength test and the fracture microstructure,and then explained the fundamental principle of plastic laser welding.To research the welding process with the amorphous polycarbonate materials,and discussed the effect on the tensile shear strength of the welding joint under differen laser parameters and using OM to observe the appearance of the fracture The results illustrated that we can get some welding products with good mechanical properties by plastic laser welding,due to the different energy density,we can get different fractures.And this indicated that laser welding is an effective,quick,and eco-friendly welding method.
Abstract:Aimed at hard design tasks,poor portability,weak transparency and hard maintenance in ECU program design of LIN bus electric windows,a new fast ECU program design method of LIN bus electric windows based on the LIN description files is proposed.LIN bus action is described wholly by the LIN description file,and the automatic building of API program code for LIN rock-bottom drive is realized when relevan LIN drive configuration tool LDC is syncretized,which provides a new plan for designing LIN bus productions efficiently and reliably.
ZHANG Jia-jia,JIANG Hao,HU Zheng-wei(School of Mechanical and Electrical Engineering,CUMT,Xuzhou221008,China)
Abstract:In this paper separate method for coal and gangue on the ground such as jigging,sink and float method was studied.Because al this methods are not suitable for underground using,this paper focus on the separate method underground such as automatic hydraulic separator elastic separation of coal and gangue,rotating impact crush separator and coal preparation system underground.The meaning of separate method for coal and gangue underground was concluded at the end of this paper and the underground method has a wide foreground.
11-08-64 Development on Semiconductor Automatic Sorting System Based on Machine Vision Technology
Abstract:Automatic sorting with large quantities of mixed and used semiconductor components plays a significant role in follow-up environmental regeneration dispose,mainly through manual visua inspection at present,less precision and low efficiency.We designed a automatic sorting system which is based on machine vision OCR Image processing technology,the whole process of feeding image capture identification and classification is computerized According to the test,the technical specifications of system is:sorted rate is 1~2 per second,recognition rate is more than 70%,misclassification rate is less than2%.
Key words:machine vision;optical character recognition;automatic sorting;environmental regeneration
WANG Xing-jiang(Guangzhou Zhongche Railway Vehicles Equipment
发电机无刷励磁系统改造 篇2
屯生建电厂3#发电机无刷励磁调节器由山东博山电器设备厂生产, 自1997年投运以来误动多次, 特别在2003年的一次误动事故中引起机组解列。该调节器为模拟型调节器, 已被淘汰。由于调节器调节速度慢、可靠性差、接线繁琐、故障频发, 已不能满足现代电力系统对动态品质及稳定要求。为此, 采用WLZ型微机型发电机励磁调节器装置代替原调节器, 该装置具有以下特点: (1) 调节器由两个硬件完全独立的通道构成, 每个通道均有AVR和FCR两种运行方式。通道间相互跟踪控制, 故障时实现快速无扰切换。 (2) 具备恒压PID、恒流PI调节, 有功补偿、无功调差;转子、定子电流限制器, 软件给定, 满足软启动、零启升压、自动跟踪, P/Q、V/Hz限制器, 励磁监视、装置自诊断等功能。 (3) 具有故障录波和记忆功能, 为处理故障提供依据, 缩短故障处理时间。 (4) 液晶显示、键盘整定、操作简便直观, 完善的励磁系统管理软件, 可随时查看发电机励磁装置实时运行状态参数及故障信息, 方便运行人员操作维护。 (5) 采用非线性电阻灭磁。在发电机内部发生故障能快速灭磁, 缩短故障点燃弧时间, 避免事故扩大。 (6) 调节装置安装在原励磁调节柜内, 节约了材料费用和安装费用。
通过控制励磁调节器可控硅的导通角, 向发电机的无刷励磁机提供一个可调节的直流电流, 实现直接自动控制发电机励磁, 稳定发电机机端电压, 抑制动态过电压;提供同步发电机无功功率及无功调节, 提供电力系统动态及暂态稳定性。
3#发电机无刷励磁系统改造后, 自2006年12月投运以来有效防止了因系统振荡引起停机解列事故发生。
混合励磁无刷直流电机 篇3
无刷励磁发电机从20世纪60年代问世以来,得到了广泛的应用。由于取消了直流电机励磁系统中的机械整流部分和半导体励磁中的炭刷和集电环,无刷励磁发电机具有噪声小、无碳粉铜末、无火花的优点,而且运行安全可靠,维护简单。从长远看,同步电机采用无刷励磁方式是今后的发展方向。但是由于取消了电刷和滑环,转子的电压、电流及温度难以直接测量,转子接地故障监测也较困难。
发电机励磁回路一点接地故障很常见[1]其对发电机本体不会造成危害,但若相继发生第二点接地故障,则会出现故障点电流过大烧伤转子本体、励磁绕组被短接、气隙磁通失去平衡引起振动及轴系转子磁化等灾难性后果,威胁发电机的安全运行。因此无刷励磁发电机装设转子一点接地保护势在必行。
1 无刷励磁发电机
1.1 结构特点
无刷励磁发电机由主发电机、交流励磁机、旋转整流器等主要部分组成[2]。主发电机转子、励磁机电枢和旋转整流器都装在同一轴上,励磁机磁极固定在定子内侧。主发电机结构大同小异,都是转场式,分为隐极和凸极2种形式,交流励磁机为转枢式。同步发电机由有刷励磁进化到无刷励磁主要是有了交流励磁机和旋转整流器。
1.2 工作原理
当原动机拖动主发电机旋转时,励磁机转子上的电枢绕组首先切割剩磁自励发出交流电,然后经旋转整流器变成直流电后进入主发电机转子绕组以励磁。主发电机转子的励磁绕组建立磁场后旋转,在定子的电枢绕组上产生电势及电流。
2 无刷励磁发电机转子一点接地保护
目前,无刷励磁机组只在励端接有一只测量电刷,固定引出转子绕组的负端,无法同时引出转子绕组两端,无法应用乒乓式转子接地保护[3,4,5,6,7],而注入式转子接地保护原理与机组的励磁方式无关,转子绕组只引出一端时也能提供绝缘检测,适用性更强,值得在无刷励磁机组上推广。
在发电机注入式转子接地保护中,直流注入式接地保护和方波注入式接地保护是2种具有实际应用价值的保护方式[8,9]。考虑到无刷励磁机转子的原有设计结构和转子接地保护的实际情况,无刷励磁机组宜采用单端注入式转子接地保护。这里主要分析单端注入式转子接地保护的原理及一点接地动作判据。
2.1 单端注入式转子接地保护原理分析
单端注入式转子接地保护原理如图1所示。此种保护将一方波电源Us加到转子的负端与大地之间,注入电源的切换周期可根据转子绕组对地电容的大小进行调整,实时求解转子一点接地电阻,保护反映发电机转子对大轴绝缘电阻的下降。单端注入式转子接地保护的工作电路如图1所示。
图1中Rm为测量回路电阻,R为注入大功率电阻,Us为注入方波电源模块,UL为励磁直流电压,Rg为转子绕组对大轴的绝缘电阻。假设在距离负端α点发生接地,方波注入式保护由于在稳态下测量,所以在计算接地电阻时可以不考虑接地电容的作用,因此在每半波周期内,电路可以看作是直流注入。下面分析单端注入式转子接地保护的原理。
2.1.1 励磁电压UL不变
由图2可知,在方波的正半波可列出方程组:
设Um采样电阻Rm两端电压,Um=IRm,可得:
方波在负半波时除注入电压极性改变以外,其他均与正半波时相同,同理可得:
由式(2)、(3)可得:
2.2.2励磁电压UL变化
无刷励磁发电机在强励或者启、停机时,励磁电压将发生变化。当励磁电压变化时,通过图2列写回路方程。
在方波的正半波可列出方程组:
其中:
由此可见,当励磁电压变化时,在接地电阻的计算公式中增加了励磁电压作用的分量。在实际情况下,注入式保护装置没有监测励磁电压的硬件电路,因此监测不到励磁电压的变化。在励磁电压已经变化的情况下,依然用式(4)来计算接地电阻,其误差为:
分析式(9)可知,当励磁电压UL变化时,计算出的接地电阻与实际的接地电阻会有一定误差,当α=0时误差为零,随着向转子正端靠近误差逐渐增大,α=1时误差最大。正负半波测量过程中励磁电压变化越大,误差也越大。据此可以画出误差ΔRg和励磁电压变化量ΔUL的关系曲线,如图2所示。
2.2一点接地动作判据
一点接地的动作判据为:
式中:Rgset为一点接地过渡电阻整定值,一般可取5 kΩ至50 kΩ或者更大[10]。当一点接地故障发生后,根据式(10)整定判据,保护装置可以动作于信号。
3 一点接地仿真分析
3.1 仿真模型
在图1所示电路的基础上,采用Matlab/Simulink软件构建励磁绕组接地故障仿真模型[11],如图3所示。励磁绕组用4段π型等效电路来表示。采用三峡左岸电厂ALSTOM机组参数[12,13].额定电压为475.9V,空载电压为191.8 V,电阻Re=0.1 029Ω,电感Le=158mH,对地电阻R、=5 MΩ,对地电容Cy=1.264μF,Rel=0.25Re,Lel=0.25 Le,Re2=0.15Re,Le2=0.15 Le,Re,3=0.10 Re,Le,3=0.10 Le,Ry1=8 Ry,Cy1=Cy/8,Ry2=4 Ry,Cy2=Cy/4;Zs为励磁系统内阻,阻值很小。
在模型中假设励磁电压不变化,仿真过程中UL为一固定值,用Rg、Cg模拟转子的接地电阻和电容。用一个脉冲发生器模块叠加50 V增益控制受控电压源来模拟±50 V的方波电源Us,通过改变脉冲发生器的周期来改变方波的周期。图4和图5分别为Us和Um的仿真波形。
3.2 仿真试验结果
(1)设置UL=500 V,改变Rg的大小,检测保护的灵敏度和精度,结果见表1。
由表1可知,随着Rg的增加,测量值和实际值之间的偏差也有所增大,但灵敏度满足要求。
(2)设置Rg=20 kΩ,改变UL的值,检测相关测量值的变化,结果见表2。
由表2可知,励磁电压变化时,测量值和实际值之间的偏差并不太大,灵敏度高且一致。
(3)设置UL=0,改变Rg的值,检测保护的灵敏度和精度,结果见表3。
由表3可知,单端注入式转子接地保护可在静止或未加励磁状态下监视转子接地故障。
3.3 仿真结果分析
分析仿真试验结果可知,采用单端注入原理可实时计算转子接地位置,接地电阻测量精度高;在未加励磁电压的情况下,也能监视转子绝缘情况;保护灵敏度与转子接地位置无关,保护无死区,在转子绕组上任一点接地都有很高的灵敏度,能满足无刷励磁机组转子接地保护的要求。
4 结语
根据无刷励磁机组转子绕组的引出方式,本文提出无刷励磁机组宜采用单端注入原理对转子进行一点接地监测。本文阐述了单端注入式转子一点接地保护的原理,并搭建Simulink仿真模型进行仿真分析。仿真结果表明,单端注入式原理在未加励磁电压的情况下也能监视转子绝缘,在转子绕组上任一点接地时,接地电阻测量精度高,保护具有一致的高灵敏度,能够满足现场要求,保证无刷励磁机组的安全运行。
摘要：无刷励磁发电机只在励端装有一个测量电刷,固定引出转子绕组的负端,无法应用乒乓式转子接地保护,为此本文提出采用单端注入方波电压式原理构成转子一点接地保护。介绍单端注入方波电压式转子一点接地保护原理、接地电阻计算方法和保护动作判据,采用Matlab/Simulink软件构建转子绕组一点接地故障仿真模型。仿真试验结果表明,该原理能够满足无刷励磁发电机实际运行需要的精度和灵敏度。
混合励磁无刷直流电机 篇4
无刷励磁发电机取消了直流机励磁系统中的机械整流部分和半导体励磁中的炭刷、集电环,所以,无刷励磁发电机具有噪声小、无碳粉铜末、无火花的优点,但是转子的电压、电流及温度难以直接测量,转子接地故障监测比较困难。发电机励磁回路一点接地故障很常见[1,2,3,4],其对发电机本体并未造成危害,若相继发生第二点接地故障,则会出现故障点电流过大烧伤转子本体、励磁绕组被短接气隙磁通失去平衡引起振动及轴系转子磁化等灾难性的后果。因此,为了保障发电机的安全,本文提出将无刷励磁机组采用定时举刷方式,使转子绕组的引出方式变更为正、负两端引出,然后用双端注入原理对转子进行一点接地监测。
1无刷励磁发电机的结构特点和工作原理
无刷励磁发电机[5,6,7]由主发电机、交流励磁机、旋转整流器等主要部分组成,如图1所示。主发电机转子、励磁机电枢和旋转整流器都装在同轴上一起旋转,励磁机磁极固定在定子内侧。主发电机结构大同小异,都是转场式的,有隐极和凸极,交流励磁机为转枢式的。同步发电机由有刷进化到无刷主要是有了交流励磁机和旋转整流器。
当原动机拖动主发电机旋转时,励磁机转子上的电枢绕组首先切割剩磁自励发出交流电,然后经旋转整流器变成直流电后进入主发电机转子绕组以励磁。主发电机转子的励磁绕组建立磁场后旋转,在定子的电枢绕组上产生电势及电流。这就是无刷励磁发电机的基本原理。
2无刷励磁发电机转子一点接地保护
2.1无刷励磁发电机转子自动举刷装置
目前,多数无刷励磁机组只在励磁端接有1只测量电刷,固定引出转子绕组的负端,一点接地故障只能采用单端注入式原理进行监测[8,9,10,11]。由于单端注入式原理没有同时引出转子绕组的正、负两端,故无法计算转子接地故障的位置。
考虑到励磁机转子的原有设计结构和转子接地保护的实际情况,无刷励磁机组宜采用自动举刷的方式,保留转子绕组的负极测量电刷,再从转子绕组正极引出1根线来增加转子绕组的正极引线。这样,转子绕组正、负两端均引出,则可以采用双端注入式原理对转子接地故障进行监测,同时可以计算转子接地故障的位置。无刷励磁发电机转子自动举刷装置如图2所示。
2.2双端注入式转子一点接地保护
现场采用定时举刷方式后,转子绕组的引出方式变更为正、负两端均引出。注入电源从转子绕组的正负两端与大轴之间注入,注入电源的切换周期可根据转子绕组对地电容的大小进行调整,实时求解转子一点接地电阻,保护反应发电机转子对大轴绝缘电阻的下降。双端注入式转子接地保护的工作电路如图3所示。
Rm-测量回路电阻;Rv-注入大功率电阻;Us-注入方波电源模块;UL-励磁直流电压;Rg-转子绕组对大轴的绝缘电阻。
假设在距离负端α点发生接地。方波注入式保护由于在稳态下测量,所以在计算接地电阻时可以不考虑接地电容的作用,因此在每半波周期内,电路可以看作是直流注入。
2.2.1 励磁电压UL不变
在方波的正半波可列出回路电流方程组为
Us+αUL=(Rv+Rg+Rm)I1+(Rg+Rm)I2, (1)
Us-(1-α)UL=(Rg+Rm)I1+(Rv+
Rg+Rm)I2。 (2)
设Um为采样电阻Rm两端电压,Um=(I1+I2)Rm,由式(1)、式(2)可得到Um的表达式为
方波在负半波时,除注入电压极性改变以外,其它均与正半波时情况相同。因此同理可以得到U′m的表达式为
由式(3)、式(4)可得
将式(5)代入式(3)可得
2.2.2 励磁电压UL变化
无刷励磁发电机在强励或者启、停机时,励磁电压将发生变化。当励磁电压变化时,通过图 3列写回路方程,可以推导出R′g计算公式为
由式(5)减去式(7)可得
分析式(9)可知,当励磁电压UL变化时,计算出的接地电阻与实际的接地电阻会有一定误差,当α=0.5时,误差为零;随着向转子两端靠近,误差逐渐增大;当α=0或1时,误差最大。正负半波测量过程中励磁电压变化得越大,误差也越大;外加电压越高,励磁电压变化引入的误差越小。据此可以画出误差ΔRg和励磁电压变化量ΔUL的关系曲线,如图4所示。
2.2.3 一点接地动作判据一点接地的动作判据为
Rg<Rg set, (10)
式中Rg set为一点接地过渡电阻整定值,一般可取为5～50 kΩ或者更大[12]。当一点接地故障发生后,保护装置可以根据动作判据式(10)作为整定判据,动作于信号。
3无刷励磁发电机转子一点接地仿真分析
3.1仿真模型介绍
在图3 所示电路的基础上,采用Matlab软件构建励磁绕组接地故障仿真模型[13],如图5 所示。励磁绕组用4 段π型等效电路来表示。额定电压为475.9 V,空载电压为191.8 V,电阻Re=0.102 9Ω,电感Le=1.58 mH,对地电阻Ry=5 MΩ,对地电容Cy=1.264 μF,Re1=0.25Re,Le1=0.25Le,Re2=0.15Re,Le2=0.15Le,Re3=0.10Re,Le3=0.10Le,Ry1=8Ry,Cy1=Cy/8,Ry2=4Ry,Cy2=Cy/4,ZS为励磁系统内阻,阻值很小。
在图5模型中,假设励磁电压不变化,仿真过程中UL为固定值,用Rg、Cg模拟转子的接地电阻和电容。用1个脉冲发生器模块叠加 50 V 增益控制受控电压源,模拟±50 V的方波电源Us,通过改变脉冲发生器的周期,改变方波的周期。
3.2仿真试验结果
a. 设置UL=500 V,改变Rg的大小,检测保护的灵敏度和精度,其结果如表1 所示。由表 1 可知,随着Rg的增加,测量值和实际值之间的偏差也有所增大, 但灵敏度满足要求。
b. 设置Rg=20 kΩ,改变UL的数值,检测相关测量数值的变化,结果如表2 所示。由表2 可知,励磁电压变化时, 测量值和实际值之间的偏差并不太大,灵敏度高且一致。
c. 设置UL=0 V,改变Rg的数值,检测保护的灵敏度和精度,结果如表3 所示。由表3 可知,双端注入式转子接地保护原理可在静止或未加励磁状态下监视转子接地故障。
d. 设置UL=500 V,Rg=50 kΩ,改变α的数值检测保护的灵敏度和精度,结果如表4 所示。由表4 可知,双端注入式转子接地保护灵敏度与转子接地位置无关。
3.3 仿真结果分析
从仿真试验结果分析可知,双端注入原理可实时计算转子接地位置,接地电阻测量精度高;可在未加励磁电压的情况下,也能监视转子绝缘情况;保护灵敏度与转子接地位置无关,保护无死区,在转子绕组上任一点接地都有很高的灵敏度;具有定时和手动举刷功能,能满足无刷励磁机组转子接地保护的要求。
4 结论
通过上述分析与仿真,结果表明,双端注入式原理在未加励磁电压的情况下也能监视转子绝缘,在转子绕组上任一点接地时,接地电阻测量精度高,保护具有一致的高灵敏度,能够精确计算出转子接地故障位置,能够满足无刷励磁机组转子接地保护的要求。
混合励磁无刷直流电机 篇5
关键词：混合动力客车,无刷直流电动机,能量回馈
汽车数量的进一步增加,给交通的发展带来一系列问题。混合动力电动汽车是目前解决低排放、大幅度地降低污染最有效最现实的一种环保交通工具。混合动力电动汽车同时拥有电机驱动和内燃机驱动,对电机驱动系统不仅要求具有较高的重量比功率,而且既能作电动机运行,还能作发电机运行。
永磁无刷直流电动机的优点是效率高,启动转矩大,过载能力强,高速操作性能好,无电刷,结构简单牢固,免维护或少维护,体积小质量轻,但会产生转矩脉动,电流损耗大,工作噪声大。所以研究高效的大功率无刷直流电机驱动及再生制动对混合动力是很有意义的。
1 驱动系统构成
混合动力车用无刷直流电机驱动系统由超级电容,三相IGBT逆变器,控制电路组成。电动时由超级电容为直流无刷电机提供能量,当刹车时通过该驱动系统回收动能至超级电容。所以此系统需要同时满足电动和再生制动两种工况的需求。该驱动系统的组成原理见图1。
电机采用的是大功率永磁汽车直流无刷电机,电机额定功率100 k W,额定电压360 V,额定电流277 A,电机极对数2。
2 电动运行及再生制动基本原理
混合动力客车中有3种实际工况,分别是:电动工况,助力工况,再生制动工况。前两者需要电动机工作在电动的状态。再生制动工况将刹车时候动能转换为电能存储在超级电容之内,实现能量的回馈。
2.1 电动运行基本原理及实现过程
如图1,电动时采取二二导通方式,二二导通方式是每次使2个开关管同时导通。
忽略导通管管通压降,可以由简化模型推导出电机转矩为
式中:ω为转子机械角速度。
对V1进行PWM控制,就可控制电流的平均值,从而控制平均电磁转矩。电机内置有霍耳位置传感器。可根据霍耳传感器信息进行换相。换相时刻如图2上半部分所示。
对母线电流进行闭环从而控制电机输出转矩,利用PI控制算法,以占空比作为PI控制器输出,实现对母线电流的闭环,系统控制框图见图3。
可以通过上位机给定主控电路转矩信息对电流进行闭环,进而达到转矩闭环控制的目的。
2.2 再生制动基本原理及实现过程
在发电状态时,将上半桥的IGBT全关闭,这样,因续流二极管的存在,其等效电路转变为1个半控整流电路,如图4所示。
分析电路可见,在再生制动运行过程中,电路相当于Boost拓扑。以A相为例进行说明:上桥臂V1,V3,V5一直处于关断状态,在1个开关周期内,在V4导通时,电机A相反电势为正,B相为负。电流通过V4,V6反并联二极管进行续流,存储能量。在V4关断时,电流流过V1反并联二极管,超级电容组V2反并联二极管。这样计算出输出电压为
式中:UAB为超级电容充电电压;D为下桥臂占空比;eA,eB为A,B两相反电势。
制动运行开关管换相如图2所示。从式(2)可知,控制D的大小,即可使超级电容两端的电压UAB≥UD,以PI闭环控制的方式自动调整PWM占空比D,满足UAB电压不超过超级电容允许的最高充电电压,并满足发电电流不超过超级电容允许的最大充电电流。控制回馈电流相当于控制电机的制动转矩,并实现恒流对超级电容进行充电。控制结构框图如图3所示。给定电流为负值,代表制动转矩,和电动状态相对应。这样便可以通过给定电流代数值来进行电动和制动。
3 电机启动过程分析
电机在尚未转动过程中速度为0,根据反电势E=CeΦen。所以初始反电势也为0,这时需要电机输入最小电流产生最大转矩。试验证明,电机刚刚起步时刻采到霍耳位置后按照图2进行换相可以保证电机可靠启动,产生最大力矩。另外,电机在刚刚启动的过程中,由于转速较低,反电动势还没有建立,所以加在电机某两相的电压不可太大。
本文利用了一种自升频的软启动算法,所有启动过程通过主控板软件实现。电机启动以后,电机转速较低,根据
式中:E为反电势;CeΦe为常数;D为占空比;UDC为母线电压;Z为电机两相阻抗。
本文在每个换相时刻使占空比上升一个台阶,速度越快,反电势E越大,换相时间越短,占空比单位时间增量越大,这样可以保证电机电流稳步上升。实现了自升频启动的过程,等待电机电流到了某一标定值,将切换到PI算法,对母线电流进行闭环,实现可靠启动。
4 实验结果与分析
在电动运行时,对母线电流进行观测。负载恒定下电流达到稳态时母线电流波形如图5所示。
从图5中可以看出,在对母线电流闭环的电动运行过程中,母线电流基本稳定。软启动达到了很好的效果,电流是逐渐升高的,超调不大,反映了良好的动态特性。在对不同母线电流闭环的情况下实际母线电流值如表1所示。
从表1中可以看出,电流闭环达到了很好的稳态精度。电流基本可以跟随给定。可以实现转矩控制。
在制动运行时,对母线电流进行闭环。实现恒转矩制动。利用超级电容作为供电源,当电机运行一段时间超级电容电压会由于输出功率而下降,在达到一定速度以后进行再生制动,这样回馈的能量会为超级电容充电。使超级电容电压升高,电机电动到某一速度值之后自动进行能量回馈,然后对超级电容电压测量。
在Boost占空比限制为90%的情况下,对于不同的回馈电流控制的性能比较如表2所示。
从表2中可以看出,母线电流越大,反馈给超级电容的能量越多,停车时间越短。
电动时间越长,电机电动结束时刻转速越高,则电动结束时刻超级电容两端电压越低,在电动结束时刻不同超级电容两端电压下能量回馈的实验结果如表3所示。
从表3中可以看出,转速越高,反电势越高,在固定Boost占空比限制下回馈的能量越多。
电机能量回馈主要是通过1个Boost电路把电机反电势泵升超过超级电容电压,实现对超级电容充电。所以放开占空比限制有利于将低速下相对应的低反电势能量回馈给超级电容。在不同Boost占空比下对能量回馈效率所得实验结果如表4所示。
从表4可以看出,Boost占空比越高,越有利于将低转速下能量回馈给超级电容,效率越高。
在95%Boost占空比的情况下回馈电流10 A的波形如图6所示。
综上,在电动状态下,通过控制母线电流可以达到控制电机电动转矩的目的,在回馈状态下,制动转矩,飞轮转速,Boost占空比限制对电机能量回馈效率有重要影响。
5 结论
本文设计的混合动力客车用大功率永磁无刷直流汽车电机具有电动和能量回馈(再生制动)复合控制功能,可以可靠地实现电动运行和再生制动运行,适应混合电动客车驱动系统的使用要求。
参考文献
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混合励磁无刷直流电机 篇6
混合励磁同步电机 (HESM) 有两种励磁源,一种是永磁体,另一种是电励磁,它组合了永磁同步电机与电励磁电机的优点,两种励磁源在电机气隙中相互作用产生主磁通。起动阶段通入正向的励磁电流产生正电磁转矩以增加电机起动转矩 ;高速弱磁运行时通入反向励磁电流削弱气隙磁场达到弱磁升速的目的,从而增大电机起动转矩并且拓宽了电机的调速范围[6,7,8]。在21世纪能源危机的大背景下, 本文以电动汽车用轴向磁场磁通切换混合励磁电机为研究对象,构建其数学模型,基于分区控制策略对该电机进行研究,并在Simulink软件中进行仿真。
1混合励磁电机数学模型
HESM相对于PMSM(永磁同步电机)多了一个可控的励磁电流,该电流产生的磁场与电枢电流和永磁体产生的磁场完全耦合,导致HESM的解耦控制要比PMSM更复杂,建立HESM数学模型更难。鉴于HESM与PMSM二者在结构、磁路等的相似性,在忽略温度、磁饱和、磁滞损耗、阻尼绕组的基础之上,HESM在dq坐标系下的等效结构示意图如图1所示。
1.1磁链方程
公式(1)中,id、iq分别为d-q轴电流,Ld、Lq分别为d-q轴电感;ψpm为电枢绕组匝链的永磁磁链幅值;ψpmf为穿过励磁绕组的永磁磁链,由于励磁绕组与永磁体相对位置不变,其值为常数。
1.2电压方程
1.3电磁转矩方程
式中,第一项(3/2)piqψpm为永磁转矩分量;第二项(3/2)pidiq(Ld-Lq)为磁阻转矩分量;第三项 (3/2)p Msfifiq为电励磁转矩分量。
2混合励磁电机控制系统结构及控制策略
HESM调速的关键在于如何根据转速要求与负载变化情况,实现增磁、无直流励磁、弱磁运行方式的动态切换,即如何在主控制器和励磁电流控制器之间建立有效的联系,以保证调压、调磁、调速之间的协调控制。为此,采取分区控制策略,建立了如图2所示的系统控制原理框图。根据混合励磁同步电机的调速特征,即根据负载的状态变化自动实现增磁、永磁、弱磁之间的无扰动衔接。如图3所示,可以将HESM运行区域分为区域Ⅰ(nr≤ nBdec,nr为电机转速,nBdec为弱磁基速)为弱磁基速以下的低速运行区,实施id=0的增磁或无励磁调速;区域Ⅱ(nr>nBdec)为弱磁基速以上的高速运行区在这两个区域之间。如何确定每一种运行状态的条件、判断最优控制方案是控制策略所要解决的问题,即要实现调磁、调速与调压之间的动态最优控制[9,10,11,12]。
2.1低速区(nr≤nBdec)
当HESM的运行转速小于弱磁基速时,根据负载情况,实施增磁或无励磁控制,该调速区采用id=0的矢量控制模式,电流分配为:
(1)无直流励磁时,if= 0,id= 0,iq=2Te/ 3pψpm。在这种情况下,Te≤(3/2)pψpmiq N无需增磁,等同于PMSM恒转矩区域的id=0的控制。
(2)增磁时,当负载转矩大于Te≥(3/2)pψpmiq N时,如果不加直流励磁,HESM就无法提供所需转矩。所以,这种情况下就需要增磁,即给予直流励磁线圈一个正向电流,产生与永磁体磁通方向相同的磁通。
2.2高速区(nr>nBdec)
当HESM进入高速区后,随着转速的升高,电机反电势逐渐接近电枢端电压,导致电流控制器饱和,转速将无法进一步提升。因此,要继续提升电机转速,就必须采用弱磁调速方法,故该区也称为弱磁调速区。根据普通PMSM的弱磁调速原理可知,当电机进入弱磁调速区域后,其反电势随着转速的升高基本保持不变,通过增加反向弱磁电流来提升电机转速。类似于PMSM的弱磁控制,电枢电流与励磁电流的调节要受到电压极限环的限制,稳定运行时,电压矢量幅值应满足:us2=ud2+uq2≤U2lim。
式中,Ulim为电压矢量极限值,由逆变器输出相电压峰值决定。对于HESM控制系统,本质上其电气性能和弱磁调速机理与PMSM类似。对其进行弱磁控制,理论上只需保持Eq小于或等于Ulim即可。由于HESM是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统,各电感参数在不同工况下会发生较大波动。为降低电机参数变化对控制性能影响及充分利用励磁电流的弱磁作用,即首先进行励磁电流弱磁控制,如果励磁电流达到最小值If N时,还不能满足要求,则进一步采用d轴电流弱磁调速,即有:
3混合励磁电机控制系统仿真分析
HESM调速系统由电机本体、主功率变换器、电励磁功率变换器、主控制器和励磁电流控制器等组成。基于所建立的HESM系统仿真模型,来验证控制策略的正确性和调速系统的动态响应,并将HESM调速系统与PMSM调速系统进行对比分析。应用Matlab/Simulink软件建立HESM电机驱动系统模型并仿真,如图4所示。HESM电机参数 :PN=750 W ;nN= 1 500 r/min ;ψpm=0.113 48 ;p=4 ;Rs=2Ω ;Rf=10Ω ;Ld= 0.024 1 H ;Lq=0.014 9 H ;Msf=0.052 0 H。
为了得到HESM与PMSM调速系统的输出特性比较曲线,采用将励磁电流隔离的方式进行仿真,即首先进行HESM控制系统仿真,然后将直流励磁电流隔离再进行PMSM控制系统仿真,仿真结果如图5~图8所示。
1)HESM与PMSM启动仿真
图5所示为HESM在加入直流励磁和不加直流励磁(PMSM)两种情况下起动时速度的变化情况,采用无励磁电流的控制策略电机需要0.05s达到给定转速1 000 r/min;采用加入直流励磁的控制策略时则只需要0.025 s转速就能达到1 000 r/min,显著提高了起动转矩,减少了起动时间。图6所示为起动过程中励磁电流波形,从起动至0.05 s见电机产生一个1 A左右的正向励磁电流,转速稳定后励磁电流为0 A。
2)HESM与PMSM弱磁仿真
图7所示为两种不同控制模式下的转速变化情况,采用的是无励磁的调速策略,电机最高转速约为3 000 r/min;采用励磁电流进行弱磁的控制策略,电机的最高转速约为4 500 r/min,大大提升了电机的调速范围。图8所示为弱磁升速过程中励磁电流变化曲线,起动时出现正向励磁电流以提供较大的起动转矩加快起动过程,当转速超过弱磁基速2 200 r/min时,电机产生负的励磁电流进行弱磁升速。
4结语
本文对电动汽车用混合励磁电机控制策略进行了研究。在构建HESM其数学模型的基础之上,采用了分区控制策略,由仿真结果可看到,混合励磁电机在启动及低速时可以提供更大的转矩,在高速巡航时可以拓宽恒功率调速范围,从而达到了电动汽车低速大转矩、宽调速范围的要求。
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混合励磁无刷直流电机 篇7
混合励磁电机因其具有永磁同步电机与电励磁同步电机的优点, 在变速或负载不稳定的场合具有广泛的应用前景[1,2]。本文提出的并列式混合励磁发电机是可应用在恒压发电场合的一种发电机, 其主要由电励磁磁路和永磁磁路并列组成, 通过调节励磁电流改变气隙磁场的大小, 从而达到在发电机转速或负载波动时输出电压以满足负载电压稳定的要求。一些恒压发电系统往往具有非线性、时变、多参数耦合的特点, 难以建立精确的数学模型;传统PI调节器输出响应速度慢、超调量大、抗干扰能力较差, 其动态与静态性能无法让人满意。
为改善常规PI控制器的性能, 一些智能控制方法得到了广泛关注, 成为研究热点。文献[3]将模糊控制、神经网络与常规PID控制器相结合的智能PID控制器应用在电厂热工控制系统中, 取得了良好的控制效果;文献[4]采用自适应模糊控制方法实现了无刷直流电机转动惯量变化时转速的快速跟踪;文献[5]利用模糊PI控制实现了超声波电机设定速度的自适应跟踪;文献[6]在异步化同步发电机控制系统中采用模糊PID控制器实现了有功功率和无功功率的独立控制, 且具有良好的静态和动态特性。模糊控制能对模型难以建立的非线性系统进行有效控制, 有效地抑制干扰或噪声的影响, 但其控制精度较差, 消除系统稳定误差的能力较弱。
综合PI控制及模糊控制的优点, 本文将模糊PI智能控制应用在并列式混合励磁发电机的励磁调节系统中, 建立了发电机控制系统的仿真模型, 并进行了电机转速变化和负载波动情况下的仿真研究。
1并列式混合励磁发电机结构及工作原理
图1为并列式发电机的结构图[2], 发电机分为定子、转子两部分。定子部分由定子铁芯、定子线圈及励磁线圈等组成, 励磁线圈嵌放在定子铁芯中, 将定子铁芯分为两半;转子部分由永磁体、铁芯极及转子背轭等组成, 永磁体和铁芯极呈交错排列。其工作原理是通过调节励磁线圈中电流的大小和方向来调节电机气隙磁场的强弱, 从而改变发电机感应电动势的大小。
2并列式混合励磁发电机动态数学模型
2.1 数学模型
为便于分析, 假定磁路不饱和, 不计涡流及磁滞损耗, 则磁链方程可表示为:
undefined
。 (1)
其中:Ψa、Ψb、Ψc、Ψf分别为定子相绕组及励磁绕组匝链磁链, Wb;Laa、Lbb、Lcc、Lf分别为定子相绕组及励磁绕组自感, H;Lab、Lba、Lac、Lca、Lbc、Lcb、Laf、Lfa、Lbf、Lfb、Lcf、Lfc分别为定子每两相绕组间互感及相绕组与励磁绕组间互感, H;ia、ib、ic、if分别为定子相绕组及励磁绕组电流, A;Ψpma、Ψpmb、Ψpmc分别为定子相绕组匝链永磁磁链, Wb。
由磁链方程可推导出电压方程为:
undefined。 (2)
其中:U=[uaubucuf]T ,
Ψ=[ΨaΨbΨcΨf]T ,
R=diag[-ra -rb -rcrf] ,
I=[iaibicif]T 。
其中:ua、ub、uc、uf分别为定子相绕组及励磁绕组电压, V;ra、rb、rc、rf分别为定子相绕组及励磁绕组电阻, Ω。
电磁转矩方程可表示为:
undefined。 (3)
其中:p为电机的极对数。
转子机械运动方程可表示为:
undefined。 (4)
其中:J为转动惯量, kg·m2;Tm为机械转矩, N·m;Te为电磁转矩, N·m;F为阻力系数, N·m·s;ωr为机械角速度, rad/s。
2.2 电机控制系统仿真框图
在分析并列式混合励磁发电机数学模型的基础上, 本文利用模块化建模工具MATLAB/Simulink建立了发电机本体模型, 并构建了基于PWM原理的闭环励磁调节系统, 控制系统框图见图2。
闭环控制系统的主要作用为:当电机转速或负载波动时, 输出电压能够自动实时地跟踪给定电压, 达到向负荷提供恒定电压的目的。在闭环控制系统中, 电压控制器采用常规的PI调节器以达到稳压的目的, 但是电压响应速度较慢, 超调量大, 稳态精度低, 本文尝试采用模糊PI智能控制器改善发电机的动态特性和静态特性。
3模糊PI智能控制器设计
3.1 模糊控制的原理
模糊控制器可以在不掌握控制对象精确数学模型情况下, 根据专家经验和控制规则经模糊推理确定控制量的大小, 具有控制灵活和适应性强的优点。
3.1.1 模糊控制系统组成
图3为本文设计的二维模糊控制系统, 其主要包括模糊化、模糊推理、反模糊化等部分。
3.1.2 输入输出变量的模糊化
在模糊控制系统中, 输入变量为电压偏差e与偏差变化率ec, 输出为脉宽调制信号, 定义如下:
e (t) =u (t) -uref 。 (5)
ec (t) =u (t) -u (t-1) 。 (6)
其中:u (t) 为t时刻发电机输出电压;uref为给定电压。图3中Ke和Kec为量化因子, 其作用是分别把电压误差e (t) 和误差变化ec (t) 从实际变化范围变换到对应模糊集合论域;比例因子Ku则把输出量从模糊集合论域变换到实际输出基本论域。
本模糊控制器输入、输出变量的语言变量值均为7个:正大 (PB) 、正中 (PM) 、正小 (PS) 、零 (ZO) 、负小 (NS) 、负中 (NM) 、负大 (NB) , 其隶属函数均采用三角形隶属度函数, 模糊集合的论域均为[-6 6]。
3.1.3 模糊推理
根据电压偏差和偏差的导数得出的模糊控制规则见表1。
设每条规则的模糊关系为Ri, 则整个系统总的模糊关系为:
R=R1∨R2∨…Rn 。 (7)
当输入变量e、ec分别取模糊集E、EC时, 输出变量U可根据模糊推理合成得到:
U= (E×EC) 。R 。 (8)
3.1.4 解模糊化
根据输出U的隶属度函数, 模糊控制器输出控制量由加权平均判决法表示为:
undefined。 (9)
其中:u为清晰化值;ui为自变量的取值;μ (ui) 为对应于ui的隶属度。
以系统电压误差e和误差变化ec为输入变量的模糊控制系统具有常规PD控制器的作用, 由于没有积分环节, 且对输入量的处理是离散而有限的, 即控制曲面是阶梯状而非平滑的, 因此最终存在稳态误差, 也可能在平衡点附近出现小振幅的振荡现象, 静态性能不能令人满意。PI控制在小范围调节效果较为理想, 其积分作用可消除稳态误差, 因此将模糊控制的鲁棒性与PI控制的精确性相结合, 即当误差在设定的阈值之外时, 采用模糊控制, 以获得良好的动态性能;当误差在设定的阈值以内时, 则采用PI控制以获得良好的稳态性能。阈值可以根据控制对象变化做相应调整。
3.2 模糊PI智能控制器设计及控制策略
图4为本文设计的模糊PI智能控制系统, 其主要由模糊控制器、PI控制器、模糊PI智能决策器等部分组成。
其控制策略为:当电压偏差|e|大于设定偏差值eief时, 采用模糊控制, 以提高控制系统的动态性能;当电压偏差|e|小于等于设定偏差值eief时, 采用常规PI控制, 以提高系统的控制精度和稳态性能。本模糊PI智能控制器电压偏差eief设定为5V。
4控制系统仿真
将上面设计的模糊智能PI控制器应用到并列式混合励磁发电机励磁调节系统中。仿真时采用的电机参数为:定子相绕组电阻为0.8Ω, 相绕组自感为0.02H;励磁绕组电阻为30Ω, 电感为1.5H;电机极对数为4;额定转速为400r/min。输出电压由三相不可控整流电路和电容滤波得到。
4.1 负载变化
系统仿真时间为10s, 给定电压为107.5V, 在5s时, 负载电流突然从0.55A增大至1.1A;图5和图6分别给出了常规PI控制和模糊智能PI控制在负载电流变化时发电机输出电压和励磁电流变化的仿真结果。从图5、图6可以看出, 采用常规PI控制的输出电压调整时间为2.8s, 超调量约为20%, 加入负载扰动后需要0.8s才恢复到稳定状态, 而采用模糊PI智能控制方法调整时间只需0.6s, 基本无超调, 负载扰动恢复时间只需0.1s。
4.2 电机转速变化
系统仿真时间为10s, 给定电压为107.5V;在4s时, 发电机转速突然从400r/min降至300r/min;在7s时发电机转速从300r/min上升至500r/min, 图7和图8分别给出了常规PI控制和模糊智能PI控制在转速变化时发电机输出电压和励磁电流变化的仿真结果。从图7和图8可以看出, 采用常规PI控制器时, 输出电压随转速阶跃变化而波动较大, 且需经过一段时间恢复至给定值, 而采用模糊PI智能控制器时, 输出电压波动很小, 恢复时间极短, 具有较好的抗扰动能力。
通过以上两种情况的仿真研究可知, 与传统PI控制器相比, 模糊智能PI控制器不仅具有很强的动态响应性能, 而且抗扰动性能较好, 控制效果比较理想。
5结论
本文综合常规PI控制和模糊控制的优点, 设计了模糊智能PI控制器, 并提出了相应的控制策略, 利用MATLAB/Simulink工具进行了负载和转速扰动情况下的仿真研究。仿真结果表明:模糊智能PI控制具有良好的控制效果, 既可以加快系统输出电压的响应速度, 又具有较好的抗扰动能力和系统稳定性;此控制系统可应用在转速或负载经常波动的恒压发电场合。
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