一种双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的控制方法技术

本发明专利技术公开一种双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的控制方法，通过对给定悬浮力方向的判别，确定相应悬浮极上的悬浮绕组导通，通过单独控制各个悬浮绕组电流大小以获得所需悬浮力；通过控制两相激励绕组的轮流导通以及激励电流的大小，即可在发电绕组内获得期望的发电电压。本发明专利技术解决了传统磁悬浮开关磁阻电机发电控制方法中存在的如下技术问题：1.悬浮力和发电电压之间的强耦合；2.在主绕组的励磁区间内无电能输出而仅在负半周期内向外输出电能，发电功率密度低；3.悬浮力随转子位置角变化，并且在定、转子完全对齐的位置处不能有效产生悬浮力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的控制方法，属于磁悬浮开关磁阻电机发电控制的

技术介绍
传统的磁悬浮开关磁阻电机发电运行方式为周期性分时发电模式，主绕组在正转矩区间内励磁，仅在负转矩区间内向外输出电能，发电功率密度较低。为了提高其功率密度，2011年发表于《中国电机工程学报》的文献“全周期无轴承磁悬浮开关磁阻发电机的设计”提出了一种磁悬浮开关磁阻电机的全周期发电运行方式，悬浮绕组同时担任悬浮和励磁两种功能，并且在悬浮绕组完成励磁关断电流后，主绕组仍能续流发电。并且在申请号为200910026777.4的专利技术专利“无轴承开关磁阻电机全周期发电机的控制方法”中，从最小悬浮功耗的角度构造了悬浮绕组电流控制方法。但是悬浮绕组和主绕组在磁路上相互影响，存在复杂的非线性强耦合关系，数学模型推导、非线性解耦以及运行控制的难度较大，悬浮和发电性能也有待提高。申请号为200910263106.X的专利技术专利“一种单相无轴承开关磁阻电机”提出了一种单相的无轴承开关磁阻电机，悬浮绕组和主绕组耦合较小，但是发电运行时，不能在整个相工作周期内均向外输出电能，具有发电功率密度低的缺陷。双绕组磁悬浮开关磁阻发电机是将磁悬浮开关磁阻电机技术和双绕组发电机技术相结合。由悬浮极的悬浮力绕组提供悬浮力。由发电极的激励绕组提供励磁。由发电极的发电绕组输出发电电压。能显著减弱悬浮和发电系统之间的耦合影响，并且发电绕组在整个周期内均向外输出电能，发电功率密度较高。因此，研究双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的控制方法是非常有必要的。
技术实现思路
本专利技术目的是针对现有磁悬浮开关磁阻电机发电技术存在的缺陷，提供一种双绕组磁悬浮开关磁阻电机的发电控制方法，解决悬浮和发电系统耦合以及发电功率密度的问题。本专利技术的技术方案是：本专利技术一种双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的控制方法，其特征在于包括如下步骤：a)采用x轴的径向位移传感器检测得到所述双绕组磁悬浮开关磁阻发电机转子沿x轴方向的实时径向位移信号x。将所述实时径向位移信号x与给定的双绕组磁悬浮开关磁阻电机转子的x轴方向参考径向位移信号x*经过x轴方向的径向位移环得到沿x轴方向的位移差△x。将所述沿x轴方向的位移差△x经过第一PID调节器得到双绕组磁悬浮开关磁阻发电机x轴方向的给定悬浮力采用y轴的径向位移传感器检测得到所述双绕组磁悬浮开关磁阻发电机转子沿y轴方向的实时位移信号y。将所述实时径向位移信号y与给定的双绕组磁悬浮开关磁阻电机转子的y轴方向参考径向位移信号y*经过y轴方向的径向位移环得到沿y轴方向的位移差△y。将所述沿y轴方向的位移差△y经过第二PID调节器得到双绕组磁悬浮开关磁阻发电机y轴方向的给定悬浮力b)通过电流传感器检测流经x轴正方向位置悬浮力绕组内的悬浮力电流ix1、流经x轴负方向位置悬浮力绕组内的悬浮力电流ix2、流经y轴正方向位置悬浮力绕组内的悬浮力电流iy1、流经y轴负方向位置悬浮力绕组内的悬浮力电流iy2。通过电流传感器检测流经发电绕组内的发电电流ig、流经激励绕组内的激励电流is。通过位置传感器检测得到实际的转子位置角θ。c)通过x轴方向的给定悬浮力和y轴方向的给定悬浮力经过悬浮绕组控制器得到给定的悬浮绕组电流利用滞环比较器，让各悬浮力绕组电流跟踪最后再经过悬浮绕组逆变器后，即得到所述双绕组磁悬浮开关磁阻电机悬浮绕组的控制电流。d)将所述双绕组磁悬浮开关磁阻发电机发电绕组电压经过整流设备后，通过电压传感器检测得到实际发电电压Ug。将所述实际发电电压Ug与给定的参考发电电压经过发电电压环得到发电电压偏差△Ug。将所述发电电压偏差△Ug经过PI调节器得到给定的励磁电流e)根据双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的磁链有限元分析结果，按列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt，简称L-M)算法拟合得到公式(6)中的分段线性化系数λkg、ψλg、λδg、ψδg，并预先存储在一个绕组磁链分段线性化系数表中，供激励绕组电流控制器在控制过程中查表使用。f)将所述给定的励磁电流与实际的转子位置角θ一起经过分段线性化系数表后，得到相应的系数λkg、ψλg、λδg、ψδg。激励绕组电流控制器根据光电传感器检测的电机的转子位置角信息θ，控制A、B两相轮流激励，并利用上述查询预先存储的分段线性化系数表所得的系数λkg、ψλg、λδg、ψδg，结合实际转速ω，依据式(5)的发电数学模型模型计算出A、B两相相应的激励电流最后再经过激励绕组逆变器后，即得到所述双绕组磁悬浮开关磁阻电机激励绕组的控制电流。本专利技术的有益效果是：(1)消除了传统磁悬浮开关磁阻发电机在定、转子对齐位置处不能有效产生悬浮力的问题，悬浮力不随转子位置角改变(图1)。(2)发电绕组在整个周期内均向外输出电能，提高了发电功率密度，这是明显区别与传统周期性分时发电模式的(图5)。(3)悬浮极和发电极分开设置并独立控制，维护和控制方便，有效克服了传统磁悬浮开关磁阻发电机内悬浮和发电绕组之间的强耦合影响(表1)。记录发电绕组的感应电压有限元瞬态分析结果(转子初始位置角为-18°，转速为15000r/min)如表1所示。其中为单独给A相激励绕组施加激励电流20A的情形；为单独给y1极悬浮绕组施加悬浮力电流1A的情形；为同时施加A相激励电流20A和y1极悬浮力电流1A的情形。对比3种情形下的发电绕组感应电压值可以看出，悬浮绕组在发电绕组中引起的感应电压对激励绕组在发电绕组中引起感应电压的影响很小，悬浮绕组和发电绕组两者之间的相互影响很弱。表1悬浮绕组与发电绕组的耦合程度分析附图说明图1是双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的基本结构示意图。图2是双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的径向力随转子位置角的变化曲线。图3是双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的发电绕组磁链随转子位置角的变化曲线。图4是双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的发电绕组磁链随激励电流的变化曲线。图5是双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的发电电压随转子位置角的变化曲线。图6是本专利技术的双绕组磁悬浮开关磁阻发电机控制系统原理框图。具体实施方式如图1所示，双绕组磁悬浮开挂磁阻发电机的基本结构示意图，包括定子铁芯1、转子铁心2、悬浮极3、发电极4、悬浮绕组5、激励绕组6和发电绕组7，悬浮极3和发电极4等间隔设置于定子铁心1上，悬浮极3定子极宽36°，发电极4定子极宽18°，转子极极宽18°。四个悬浮极3上分别绕有独立的悬浮绕组5，通过单独控制每个悬浮绕组5电流大小以获得所需悬浮力。当ix1导通时，产生x正方向悬浮力，反之，当ix2导通时，产生x负方向悬浮力；同理，y方向也可产生正、负方向的悬浮力，图中ix1+，iy1+和ix2+，iy2+分别为x，y轴正方向和负方向悬浮绕组流入电流；ix1-，iy1-和ix2-，iy2-分别为x，y轴正方向和负方向悬浮绕组流出电流。四个发电极4上分别同时叠绕着激励绕组6和发电绕组7，径向相对的两个激励绕组6和发电绕组7分别串接为一相，共分成A、B两相，通过控制两相激励绕组的轮流导通以及激励电流的大小，即可在发电绕组内获得期望的发电电压，图中isa+和isb+分别为A相和B相激励绕组流入电流；isa-和isb-分别为A相和B相激励绕组流出电流；iga+和igb+分别为A相和B相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的控制方法，其特征在于：通过单独控制悬浮极的悬浮力绕组电流以产生所需悬浮力；通过控制发电极的激励绕组电流以提供合适的励磁，从而使发电极的发电绕组输出所需的发电电压。

【技术特征摘要】
1.一种双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的控制方法，其特征在于：通过单独控制悬浮极的悬浮力绕组电流以产生所需悬浮力；通过控制发电极的激励绕组电流以提供合适的励磁，从而使发电极的发电绕组输出所需的发电电压。2.根据权利要求1所述双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的控制方法，其悬浮控制包括如下步骤：1).根据现有理论建立径向悬浮力表达式(1)、(2)、(3)、(4)式中，Fx1是沿x轴正方向的径向悬浮力，Fx2是沿x轴负方向的径向悬浮力，Fy1是沿y轴正方向的径向悬浮力，Fy2是沿y轴负方向的径向悬浮力，μ0是真空磁导率，Nf是悬浮力绕组的匝数，x是发电机转子在x轴正方向的偏心，y是发电机转子在y轴正方向的偏心，l0是平均气隙长度，h是定子叠片长度，βr是转子极宽，ix1是x轴正方向悬浮极x1上的悬浮绕组电流，ix2是x轴负方向悬浮极x2上的悬浮绕组电流，iy1是y轴正方向悬浮极y1上的悬浮绕组电流，iy2是y轴负方向悬浮极y2上的悬浮绕组电流；2).采用x轴的径向位移传感器检测得到所述双绕组磁悬浮开关磁阻发电机转子沿x轴方向的实时径向位移信号x；将所述实时径向位移信号x与给定的双绕组磁悬浮开关磁阻电机转子的x轴方向参考径向位移信号xφ经过x轴方向的径向位移环得到沿x轴方向的位移差Δχ；将沿x轴方向的位移差Δχ；经过PID控制器1调节后，输出给定悬浮力Fxφ；判断给定悬浮力是否大于0；若Fxφ﹥0，则根据公式(1)计算x1极悬浮力绕组的给定电流ix1φ；若Fxφ＜0，则根据公式(2)计算x2极悬浮力绕组的给定电流ix2φ；3).采用y轴的径向位移传感器检测得到所述双绕组磁悬浮开关磁阻发电机转子沿y轴方向的实时径向位移信号y；将所述实时径向位移信号x与给定的双绕组磁悬浮开关磁阻电机转子的y轴方向参考径向位移信号yφ经过y轴方向的径向位移环得到沿y轴方向的位移差Δy；将沿y轴方向的位移差Δy；经过PID控制器2调节后，输出给定悬浮力Fyφ；判断给定悬浮力是否大于0；若Fyφ﹥0，则根据公式(3)计算y1极悬浮力绕组的给定电流iy1φ；若Fyφ＜0，则根据公式(4)计算y2极悬浮力绕组的给定电流iy2φ；4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏，郭夫然，徐晓波，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网河南省电力公司开封供电公司，
类型：发明
国别省市：北京;11