一種雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的控制方法，通過對給定懸浮力方向的判別，確定相應懸浮極上的懸浮繞組導通，通過單獨控制各個懸浮繞組電流大小以獲得所需懸浮力；通過控制兩相激勵繞組的輪流導通以及激勵電流的大小，即可在發(fā)電繞組內獲得期望的發(fā)電電壓。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)磁懸浮開關磁阻電機發(fā)電控制方法中存在的如下技術問題：1.懸浮力和發(fā)電電壓之間的強耦合；2.在主繞組的勵磁區(qū)間內無電能輸出而僅在負半周期內向外輸出電能，發(fā)電功率密度低；3.懸浮力隨轉子位置角變化，并且在定、轉子完全對齊的位置處不能有效產生懸浮力。
【專利說明】
-種雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的控制方法，屬于磁懸浮開關磁阻 電機發(fā)電控制的技術領域。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的磁懸浮開關磁阻電機發(fā)電運行方式為周期性分時發(fā)電模式，主繞組在正轉 矩區(qū)間內勵磁，僅在負轉矩區(qū)間內向外輸出電能，發(fā)電功率密度較低。為了提高其功率密 度，2011年發(fā)表于《中國電機工程學報》的文獻"全周期無軸承磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的設 計"提出了一種磁懸浮開關磁阻電機的全周期發(fā)電運行方式，懸浮繞組同時擔任懸浮和勵 磁兩種功能，并且在懸浮繞組完成勵磁關斷電流后，主繞組仍能續(xù)流發(fā)電。并且在申請?zhí)枮?200910026777.4的發(fā)明專利"無軸承開關磁阻電機全周期發(fā)電機的控制方法"中，從最小懸 浮功耗的角度構造了懸浮繞組電流控制方法。但是懸浮繞組和主繞組在磁路上相互影響， 存在復雜的非線性強禪合關系，數學模型推導、非線性解禪W及運行控制的難度較大，懸浮 和發(fā)電性能也有待提高。
[0003] 申請?zhí)枮?00910263106.X的發(fā)明專利"一種單相無軸承開關磁阻電機"提出了一 種單相的無軸承開關磁阻電機，懸浮繞組和主繞組禪合較小，但是發(fā)電運行時，不能在整個 相工作周期內均向外輸出電能，具有發(fā)電功率密度低的缺陷。
[0004] 雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機是將磁懸浮開關磁阻電機技術和雙繞組發(fā)電機技 術相結合。由懸浮極的懸浮力繞組提供懸浮力。由發(fā)電極的激勵繞組提供勵磁。由發(fā)電極的 發(fā)電繞組輸出發(fā)電電壓。能顯著減弱懸浮和發(fā)電系統(tǒng)之間的禪合影響，并且發(fā)電繞組在整 個周期內均向外輸出電能，發(fā)電功率密度較高。因此，研究雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的 控制方法是非常有必要的。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有磁懸浮開關磁阻電機發(fā)電技術存在的缺陷，提供一種雙繞 組磁懸浮開關磁阻電機的發(fā)電控制方法，解決懸浮和發(fā)電系統(tǒng)禪合W及發(fā)電功率密度的問 題。
[0006] 本發(fā)明的技術方案是：
[0007] 本發(fā)明一種雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的控制方法，其特征在于包括如下步 驟：
[000引a)采用X軸的徑向位移傳感器檢測得到所述雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機轉子沿 X軸方向的實時徑向位移信號X。將所述實時徑向位移信號X與給定的雙繞組磁懸浮開關磁 阻電機轉子的X軸方向參考徑向位移信號圣過X軸方向的徑向位移環(huán)得到沿X軸方向的位 移差Δχ。將所述沿X軸方向的位移差Δχ經過第一 PID調節(jié)器得到雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā) 電機X軸方向的給定懸浮力i^。采用y軸的徑向位移傳感器檢測得到所述雙繞組磁懸浮開 關磁阻發(fā)電機轉子沿y軸方向的實時位移信號y。將所述實時徑向位移信號y與給定的雙繞 組磁懸浮開關磁阻電機轉子的y軸方向參考徑向位移信號圣過y軸方向的徑向位移環(huán)得 到沿y軸方向的位移差Ay。將所述沿y軸方向的位移差Ay經過第二PID調節(jié)器得到雙繞組 磁懸浮開關磁阻發(fā)電機y軸方向的給定懸浮力巧：。
[0009] b)通過電流傳感器檢測流經X軸正方向位置懸浮力繞組內的懸浮力電流ixi、流經X 軸負方向位置懸浮力繞組內的懸浮力電流ix2、流經y軸正方向位置懸浮力繞組內的懸浮力 電流iyl、流經y軸負方向位置懸浮力繞組內的懸浮力電流iy2。通過電流傳感器檢測流經發(fā) 電繞組內的發(fā)電電流ig、流經激勵繞組內的激勵電流is。通過位置傳感器檢測得到實際的轉 子位置角9。
[0010] C)通過X軸方向的給定懸浮力巧> 和y軸方向的給定懸浮力巧:經過懸浮繞組控制器 得到給定的懸浮繞組電流4、4、貧、馬。利用滯環(huán)比較器，讓各懸浮力繞組電流跟蹤 4、4、<1、（：。最后再經過懸浮繞組逆變器后，即得到所述雙繞組磁懸浮開關磁阻電機 懸浮繞組的控制電流。
[0011] d)將所述雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機發(fā)電繞組電壓經過整流設備后，通過電壓 傳感器檢測得到實際發(fā)電電壓Ug。將所述實際發(fā)電電壓Ug與給定的參考發(fā)電電壓t/gt經過發(fā) 電電壓環(huán)得到發(fā)電電壓偏差AUg。將所述發(fā)電電壓偏差AUg經過PI調節(jié)器得到給定的勵磁 電流C。
[0012] e)根據雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的磁鏈有限元分析結果，按列文伯格-馬夸 爾特化evenbe巧-Ma巧uardt，簡稱kM)算法擬合得到公式(6)中的分段線性化系數Akg、恥8、 入如、恥g，并預先存儲在一個繞組磁鏈分段線性化系數表中，供激勵繞組電流控制器在控制 過程中查表使用。
[0013] f)將所述給定的勵磁電流（與實際的轉子位置角Θ-起經過分段線性化系數表 后，得到相應的系數Akg、恥g、Asg、恥g。激勵繞組電流控制器根據光電傳感器檢測的電機的轉 子位置角信息Θ，控制A、B兩相輪流激勵，并利用上述查詢預先存儲的分段線性化系數表所 得的系數Akg、恥g、Asg、恥g，結合實際轉速ω，依據式(5)的發(fā)電數學模型模型計算出A、B兩相 相應的激勵電流C、想。最后再經過激勵繞組逆變器后，即得到所述雙繞組磁懸浮開關磁 阻電機激勵繞組的控制電流。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：
[0015] (1)消除了傳統(tǒng)磁懸浮開關磁阻發(fā)電機在定、轉子對齊位置處不能有效產生懸浮 力的問
[0016] 題，懸浮力不隨轉子位置角改變(圖1)。
[0017] (2)發(fā)電繞組在整個周期內均向外輸出電能，提高了發(fā)電功率密度，運是明顯區(qū)別 與傳
[001引統(tǒng)周期性分時發(fā)電模式的（圖5)。
[0019] (3)懸浮極和發(fā)電極分開設置并獨立控制，維護和控制方便，有效克服了傳統(tǒng)磁懸 浮開
[0020] 關磁阻發(fā)電機內懸浮和發(fā)電繞組之間的強禪合影響(表1)。
[0021] 記錄發(fā)電繞組的感應電壓有限元瞬態(tài)分析結果(轉子初始位置角為-18%轉速為 1500化/min)如表1所示。其中 < 為單獨給A相激勵繞組施加激勵電流20A的情形；語為單獨 給yi極懸浮繞組施加懸浮力電流1A的情形；墻為同時施加 A相激勵電流20A和yi極懸浮力電 流1A的情形。對比3種情形下的發(fā)電繞組感應電壓值可W看出，懸浮繞組在發(fā)電繞組中引起 的感應電壓對激勵繞組在發(fā)電繞組中引起感應電壓的影響很小，懸浮繞組和發(fā)電繞組兩者 之間的相互影響很弱。
[0022] 表1懸浮繞組與發(fā)電繞組的禪合程度分析
[0023]

【附圖說明】
[0024] 圖1是雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的基本結構示意圖。
[0025] 圖2是雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的徑向力隨轉子位置角的變化曲線。
[0026] 圖3是雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的發(fā)電繞組磁鏈隨轉子位置角的變化曲線。
[0027] 圖4是雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的發(fā)電繞組磁鏈隨激勵電流的變化曲線。
[0028] 圖5是雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的發(fā)電電壓隨轉子位置角的變化曲線。
[0029] 圖6是本發(fā)明的雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機控制系統(tǒng)原理框圖。
【具體實施方式】
[0030] 如圖1所示，雙繞組磁懸浮開掛磁阻發(fā)電機的基本結構示意圖，包括定子鐵忍1、轉 子鐵屯、2、懸浮極3、發(fā)電極4、懸浮繞組5、激勵繞組6和發(fā)電繞組7,懸浮極3和發(fā)電極4等間隔 設置于定子鐵屯、1上，懸浮極3定子極寬36°，發(fā)電極4定子極寬18°，轉子極極寬18°。四個懸 浮極3上分別繞有獨立的懸浮繞組5,通過單獨控制每個懸浮繞組5電流大小W獲得所需懸 浮力。當ixi導通時，產生X正方向懸浮力，反之，當ix2導通時，產生X負方向懸浮力；同理，y方 向也可產生正、負方向的懸浮力，圖中ixi+，iyi+和ix2+，iy2+分別為x，y軸正方向和負方向懸浮 繞組流入電流;ixl-，iyl-和ix2-，iy2-分別為X，y軸正方向和負方向懸浮繞組流出電流。四個發(fā) 電極4上分別同時疊繞著激勵繞組6和發(fā)電繞組7,徑向相對的兩個激勵繞組6和發(fā)電繞組7 分別串接為一相，共分成A、B兩相，通過控制兩相激勵繞組的輪流導通W及激勵電流的大 小，即可在發(fā)電繞組內獲得期望的發(fā)電電壓，圖中isa+和isb+分別為A相和B相激勵繞組流入 電流；isa-和isb-分別為A相和B相激勵繞組流出電流；iga+和igb +分別為A相和財目發(fā)電繞組流 入電流;iga-和igb-分別為A相和財目激勵繞組流出電流。定義轉子極與A相發(fā)電極對齊時為轉 子位置角Θ的零度位置，W逆時針方向為正。
[0031] 圖2為徑向力隨轉子位置角的變化曲線。給定徑向力繞組電流，在轉子旋轉過程 中，懸浮力僅有微小的波動，可W基本保持恒定不變，發(fā)電機的懸浮性能將提到很大的提 升。
[0032] 圖3為發(fā)電繞組7磁鏈隨激勵電流的變化曲線。隨著激勵電流的增大，發(fā)電繞組7磁 鏈將由線性進入非線性區(qū)間。
[0033] 圖4為發(fā)電繞組7磁鏈隨轉子位置角的變化曲線。在發(fā)電極下定子、轉子不完全對 齊位置期間，發(fā)電繞組7磁鏈不存在平坦區(qū)域，說明除了轉子極與發(fā)電極定子完全對齊W及 完全不對齊位置W外，一直將有發(fā)電繞組7感應電壓產生，非常有利于提高磁懸浮開關帥茲 阻電機的發(fā)電功率密度。
[0034] 圖5為發(fā)電電壓隨轉子位置角的變化曲線。進一步說明，除了轉子極與發(fā)電極定子 完全對齊和完全不對齊位置W外，一直將有發(fā)電電壓產生。
[0035] 如圖6所示，雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的控制系統(tǒng)原理框圖，其特征在于包括 如下步驟：
[0036] 1.根據現(xiàn)有理論建立徑向懸浮力表達式（1)、（2)、（3)、（4)，發(fā)電繞組電壓方程 (5)。
[0037] 2.采用X軸的徑向位移傳感器檢測得到所述雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機轉子沿 X軸方向的實時徑向位移信號X。將所述實時徑向位移信號X與給定的雙繞組磁懸浮開關磁 阻電機轉子的X軸方向參考徑向位移信號圣過X軸方向的徑向位移環(huán)得到沿X軸方向的位 移差Δχ。將沿X軸方向的位移差Δχ。經過PID控制器1調節(jié)后，輸出給定懸浮力《。判斷給定 懸浮力是否大于0。若巧>0，則根據公式(1)計算XI極懸浮力繞組的給定電流4 ;若磚< 0，則 根據公式(2)計算Χ2極懸浮力繞組的給定電流這。
[0038] 3.采用y軸的徑向位移傳感器檢測得到所述雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機轉子沿 y軸方向的實時徑向位移信號y。將所述實時徑向位移信號X與給定的雙繞組磁懸浮開關磁 阻電機轉子的y軸方向參考徑向位移信號/經過y軸方向的徑向位移環(huán)得到沿y軸方向的位 移差Ay。將沿y軸方向的位移差Ay。經過PID控制器2調節(jié)后，輸出給定懸浮力巧。判斷給 定懸浮力是否大于0。若巧> 0 ,則根據公式(3)計算yi極懸浮力繞組的給定電流苗:;若與< 0， 則根據公式(4)計算y2極懸浮力繞組的給定電流這。
[0039] 4.將發(fā)電繞組電壓經過整流設備后，通過電壓傳感器檢測得到實際發(fā)電電壓Ug。 將所述實際發(fā)電電壓Ug與給定的參考發(fā)電電壓《^經過發(fā)電電壓環(huán)得到發(fā)電電壓偏差AUg。 將所述發(fā)電電壓偏差AUg經過PI調節(jié)器得到給定的勵磁電流<。
[0040] 5.根據雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的磁鏈有限元分析結果（圖3、圖4)，按列文 伯格-馬夸爾特化evenberg-Ma巧ua;ndt，簡稱kM)算法擬合得到公式(6)中的發(fā)電繞組磁鏈 分段線性化表達式中的系數λkg、恥g、λSg、恥g，并預先存儲在分段線性化系數表中。
[0041] 6.將步驟3所述的給定勵磁電流C與實際的轉子位置角Θ-起經過步驟4所述的分 段線性化系數表后，查表得到系數λι^；、恥g、Asg、恥g。
[0042] 7.根據光電傳感器檢測的電機的轉子位置角信息Θ，由激勵繞組電流控制器控制 A、B兩相輪流激勵，并根據步驟5所述的系數λkg、φAg、λsg、恥g結合實際轉速ω，依據式(5)的發(fā) 電電壓數學模型模型計算出A、B兩相相應的激勵電流C、4。
[0043] 8.利用滯環(huán)比較器，讓XI和X2極懸浮力繞組電流跟蹤步驟2所述的4、4。然后再 經過X軸懸浮繞組逆變器后，得到所述雙繞組磁懸浮開關磁阻電機XI和X2極懸浮繞組的控制 電流。
[0044] 9.利用滯環(huán)比較器，讓yi和y2極懸浮力繞組電流跟蹤步驟3所述的ζ,、?。然后再 經過y軸懸浮繞組逆變器后，得到所述雙繞組磁懸浮開關磁阻電機yi和y2極懸浮繞組的控制 電流。
[0045] 10.將步驟7所述的A相激勵電流C經過A相激勵繞組逆變器得到所述雙繞組磁懸 浮開關磁阻發(fā)電機A相激勵繞組的控制電流。
[0046] 11.將步驟7所述的B相激勵電流4經過B相激勵繞組逆變器得到所述雙繞組磁懸 浮開關磁阻發(fā)電機B相激勵繞組的控制電流。
[0047] 公式表
[004引
[0049]表中，F(xiàn)xi是沿X軸正方向的徑向懸浮力，F(xiàn)x2是沿X軸負方向的徑向懸浮力，F(xiàn)yi是沿y 軸正方向的徑向懸浮力，F(xiàn)y2是沿y軸負方向的徑向懸浮力，μ〇是真空磁導率，化是懸浮力繞 組的應數，X是發(fā)電機轉子在X軸正方向的偏屯、，y是發(fā)電機轉子在y軸正方向的偏屯、，1〇是平 均氣隙長度，h是定子疊片長度，βτ是轉子極寬，ixl是X軸正方向懸浮極XI上的懸浮繞組電 流，ix2是X軸負方向懸浮極X2上的懸浮繞組電流，iyi是y軸正方向懸浮極yi上的懸浮繞組電 流，iy2是y軸負方向懸浮極y2上的懸浮繞組電流，Rg為發(fā)電繞組電阻值，ug為發(fā)電繞組端電 壓，ig為發(fā)電繞組電流，is為激勵繞組電流，Θ為轉子位置角，ω為轉子轉速，恥是發(fā)電繞組磁 鏈，人1^8、1^八^、崎為發(fā)電繞組磁鏈的分段線性化表達式系數。
【主權項】
1. 一種雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的控制方法，其特征在于:通過單獨控制懸浮極 的懸浮力繞組電流以產生所需懸浮力；通過控制發(fā)電極的激勵繞組電流以提供合適的勵 磁，從而使發(fā)電極的發(fā)電繞組輸出所需的發(fā)電電壓。2. 根據權利要求1所述雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的控制方法，其懸浮控制包括如 下步驟： 1) ·根據現(xiàn)有理論建立徑向懸浮力表達式（1)、（ 2)、（ 3)、（ 4)式中，F(xiàn)xl是沿X軸正方向的徑向懸浮力，F(xiàn)x2是沿X軸負方向的徑向懸浮力，F(xiàn)yl是沿y軸正 方向的徑向懸浮力，F(xiàn)y2是沿y軸負方向的徑向懸浮力，μ〇是真空磁導率，Nf是懸浮力繞組的 阻數，X是發(fā)電機轉子在X軸正方向的偏心，y是發(fā)電機轉子在y軸正方向的偏心，1〇是平均氣 隙長度，h是定子疊片長度，&是轉子極寬，1^是1軸正方向懸浮極^上的懸浮繞組電流，i x2 是X軸負方向懸浮極X2上的懸浮繞組電流，iyl是y軸正方向懸浮極yi上的懸浮繞組電流，iy2 是y軸負方向懸浮極y 2上的懸浮繞組電流； 2) .采用X軸的徑向位移傳感器檢測得到所述雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機轉子沿X軸 方向的實時徑向位移信號X; 將所述實時徑向位移信號X與給定的雙繞組磁懸浮開關磁阻電機轉子的X軸方向參考 徑向位移信號χφ經過X軸方向的徑向位移環(huán)得到沿X軸方向的位移差A X ;將沿X軸方向的位 移差Δ X; 經過PID控制器1調節(jié)后，輸出給定懸浮力Fx、 判斷給定懸浮力是否大于〇; 若FxSo，則根據公式（1)計算xl極懸浮力繞組的給定電流?χιφ; gFx+CO，則根據公式 (2 )計算X2極懸浮力繞組的給定電流i Χ2φ; 3) .采用y軸的徑向位移傳感器檢測得到所述雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機轉子沿y軸 方向的實時徑向位移信號y; 將所述實時徑向位移信號X與給定的雙繞組磁懸浮開關磁阻電機轉子的y軸方向參考 徑向位移信號y41經過y軸方向的徑向位移環(huán)得到沿y軸方向的位移差A y;將沿y軸方向的位 移差A y; 經過PID控制器2調節(jié)后，輸出給定懸浮力Fy、 判斷給定懸浮力是否大于〇; 若FybO,則根據公式(3)計算yi極懸浮力繞組的給定電流1714>;若?74><0，則根據公式 (4) 計算y 2極懸浮力繞組的給定電流i y2φ; 4) .利用滯環(huán)比較器，讓xdPx2極懸浮力繞組電流跟蹤步驟2)所述的?Χ1φ、?χ 2φ;然后再 經過X軸懸浮繞組逆變器后，得到所述雙繞組磁懸浮開關磁阻電機χ#ΡΧ2極懸浮繞組的控制 電流； 5) .利用滯環(huán)比較器，讓y#Py2極懸浮力繞組電流跟蹤步驟3)所述的然后再 經過y軸懸浮繞組逆變器后，得到所述雙繞組磁懸浮開關磁阻電機y#Py2極懸浮繞組的控制 電流。3.根據權利要求1所述雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的控制方法，其發(fā)電控制包括如 下步驟： 1) .根據現(xiàn)有理論建立發(fā)電電壓方程(5);式中，Rg為發(fā)電繞組電阻值，ug為發(fā)電繞組端電壓，is為激勵繞組電流，i g為發(fā)電繞組電 流，ω為轉子轉速，Θ為轉子位置角； 2) .將發(fā)電繞組電壓經過整流設備后，通過電壓傳感器檢測得到實際發(fā)電電壓Ug; 將所述實際發(fā)電電壓4與給定的參考發(fā)電電壓Ug$經過發(fā)電電壓環(huán)得到發(fā)電電壓偏差 Δ Ug; 將所述發(fā)電電壓偏差A Ug經過PI調節(jié)器得到給定的勵磁電流is% 3) .根據雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機的磁鏈有限元分析結果，按列文伯格-馬夸爾特 (Levenberg-Marquardt，簡稱L-M)算法擬合得到發(fā)電繞組磁鏈的分段線性化公式itg = Akgis +'、知=^0+1^』氺=1，2,3,4,5，并將其中的分段線性化系數人1^、1^、\4、1^預先存儲在 分段線性化系數表中； 4) .將步驟2)所述的給定勵磁電流i/與實際的轉子位置角Θ-起經過步驟3)所述的分 段線性化系數表后，查表得到系數數Xk g、iK、ASg、i^g; 5) .根據光電傳感器檢測的電機的轉子位置角信息Θ，由激勵繞組電流控制器控制A、B 兩相輪流激勵，并根據步驟4)所述的查詢所得系數Akg、!hg、ASg、機 g，結合實際轉速ω，依據式 (5) 的發(fā)電數學模型模型計算出Α、Β兩相相應的激勵電流ias'ibs% 6) .將步驟5)所述的A相激勵電流ia/經過A相激勵繞組逆變器得到所述雙繞組磁懸浮 開關磁阻發(fā)電機A相激勵繞組的控制電流； 7) .將步驟5)所述的B相激勵電流ib/經過B相激勵繞組逆變器得到所述雙繞組磁懸浮 開關磁阻發(fā)電機B相激勵繞組的控制電流。
【文檔編號】H02P21/12GK106059425SQ201610087195
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年2月16日 公開號201610087195.7, CN 106059425 A, CN 106059425A, CN 201610087195, CN-A-106059425, CN106059425 A, CN106059425A, CN201610087195, CN201610087195.7
【發(fā)明人】陳鵬, 郭夫然, 徐曉波
【申請人】國家電網公司, 國網河南省電力公司開封供電公司