一种双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的控制方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】
-种双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的控制方法
技术领域
[0001] 本发明设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领域。
【背景技术】
[0002] 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的发明专利"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禪合关系，数学模型推导、非线性解禪W及运行控制的难度较大，悬浮 和发电性能也有待提高。
[0003] 申请号为200910263106.X的发明专利"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，悬浮绕组和主绕组禪合较小，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。
[0004] 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禪合影响，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。
【发明内容】
[0005] 本发明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禪合W及发电功率密度的问 题。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] 本发明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：
[000引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圣过X轴方向的径向位移环得到沿X轴方向的位 移差Δχ。将所述沿X轴方向的位移差Δχ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i^。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圣过y轴方向的径向位移环得 到沿y轴方向的位移差Ay。将所述沿y轴方向的位移差Ay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巧：。
[0009] 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ixi、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iyl、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9。
[0010] C)通过X轴方向的给定悬浮力巧> 和y轴方向的给定悬浮力巧:经过悬浮绕组控制器 得到给定的悬浮绕组电流4、4、贫、马。利用滞环比较器，让各悬浮力绕组电流跟踪 4、4、<1、（：。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。
[0011] 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t/gt经过发 电电压环得到发电电压偏差AUg。将所述发电电压偏差AUg经过PI调节器得到给定的励磁 电流C。
[0012] 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 尔特化evenbe巧-Ma巧uardt，简称kM)算法拟合得到公式(6)中的分段线性化系数Akg、恥8、 入如、恥g，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。
[0013] f)将所述给定的励磁电流（与实际的转子位置角Θ-起经过分段线性化系数表 后，得到相应的系数Akg、恥g、Asg、恥g。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Akg、恥g、Asg、恥g，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C、想。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。
[0014] 本发明的有益效果是：
[0015] (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
[0016] 题，悬浮力不随转子位置角改变(图1)。
[0017] (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，运是明显区别 与传
[001引统周期性分时发电模式的（图5)。
[0019] (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
[0020] 关磁阻发电机内悬浮和发电绕组之间的强禪合影响(表1)。
[0021] 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 1500化/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；语为单独 给yi极悬浮绕组施加悬浮力电流1A的情形；墙为同时施加 A相激励电流20A和yi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W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。
[0022] 表1悬浮绕组与发电绕组的禪合程度分析
[0023]
【附图说明】
[0024] 图1是双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的基本结构示意图。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 图6是本发明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】
[0030] 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，包括定子铁忍1、转 子铁屯、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 设置于定子铁屯、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W获得所需悬 浮力。当ixi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ixi+，iyi+和ix2+，iy2+分别为x，y轴正方向和负方向悬浮 绕组流入电流;ixl-，iyl-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W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相和財目发电绕组流 入电流;iga-和igb-分别为A相和財目激励绕组流出电流。定义转子极与A相发电极对齐时为转 子位置角Θ的零度位置，W逆时针方向为正。
[0031] 图2为径向力随转子位置角的变化曲线。给定径向力绕组电流，在转子旋转过程 中，悬浮力仅有微小的波动，可W基本保持恒定不变，发电机的悬浮性能将提到很大的提 升。
[0032] 图3为发电绕组7磁链随激励电流的变化曲线。随着激励电流的增大，发电绕组7磁 链将由线性进入非线性区间。
[0033] 图4为发电绕组7磁链随转子位置角的变化曲线。在发电极下定子、转子不完全对 齐位置期间，发电绕组7磁链不存在平坦区域，说明除了转子极与发电极定子完全对齐W及 完全不对齐位置W外，一直将有发电绕组7感应电压产生，非常有利于提高磁悬浮开关帥兹 阻电机的发电功率密度。
[0034] 图5为发电电压随转子位置角的变化曲线。进一步说明，除了转子极与发电极定子 完全对齐和完全不对齐位置W外，一直将有发电电压产生。
[0035] 如图6所示，双绕组磁悬浮开关磁阻发电机的控制系统原理框图，其特征在于包括 如下步骤：
[0036] 1.根据现有理论建立径向悬浮力表达式（1)、（2)、（3)、（4)，发电绕组电压方程 (5)。
[0037] 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圣过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《。判断给定 悬浮力是否大于0。若巧>0，则根据公式(1)计算XI极悬浮力绕组的给定电流4 ;若砖< 0，则 根据公式(2)计算Χ2极悬浮力绕组的给定电流這。
[0038] 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/经过y轴方向的径向位移环得到沿y轴方向的位 移差Ay。将沿y轴方向的位移差Ay。经过PID控制器2调节后，输出给定悬浮力巧。判断给 定悬浮力是否大于0。若巧> 0 ,则根据公式(3)计算yi极悬浮力绕组的给定电流苗:;若与< 0， 则根据公式(4)计算y2极悬浮力绕组的给定电流這。
[0039] 4.将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AUg。 将所述发电电压偏差AUg经过PI调节器得到给定的励磁电流<。
[0040] 5.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（图3、图4)，按列文 伯格-马夸尔特化evenberg-Ma巧ua;ndt，简称kM)算法拟合得到公式(6)中的发电绕组磁链 分段线性化表达式中的系数λkg、恥g、λSg、恥g，并预先存储在分段线性化系数表中。
[0041] 6.将步骤3所述的给定励磁电流C与实际的转子位置角Θ-起经过步骤4所述的分 段线性化系数表后，查表得到系数λι^；、恥g、Asg、恥g。
[0042] 7.根据光电传感器检测的电机的转子位置角信息Θ，由激励绕组电流控制器控制 A、B两相轮流激励，并根据步骤5所述的系数λkg、φAg、λsg、恥g结合实际转速ω，依据式(5)的发 电电压数学模型模型计算出A、B两相相应的激励电流C、4。
[0043] 8.利用滞环比较器，让XI和X2极悬浮力绕组电流跟踪步骤2所述的4、4。然后再 经过X轴悬浮绕组逆变器后，得到所述双绕组磁悬浮开关磁阻电机XI和X2极悬浮绕组的控制 电流。
[0044] 9.利用滞环比较器，让yi和y2极悬浮力绕组电流跟踪步骤3所述的ζ,、?。然后再 经过y轴悬浮绕组逆变器后，得到所述双绕组磁悬浮开关磁阻电机yi和y2极悬浮绕组的控制 电流。
[0045] 10.将步骤7所述的A相激励电流C经过A相激励绕组逆变器得到所述双绕组磁悬 浮开关磁阻发电机A相激励绕组的控制电流。
[0046] 11.将步骤7所述的B相激励电流4经过B相激励绕组逆变器得到所述双绕组磁悬 浮开关磁阻发电机B相激励绕组的控制电流。
[0047] 公式表
[004引
[0049]表中，Fxi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，Fyi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，μ〇是真空磁导率，化是悬浮力绕 组的应数，X是发电机转子在X轴正方向的偏屯、，y是发电机转子在y轴正方向的偏屯、，1〇是平 均气隙长度，h是定子叠片长度，βτ是转子极宽，ixl是X轴正方向悬浮极XI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，iyi是y轴正方向悬浮极yi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，Rg为发电绕组电阻值，ug为发电绕组端电 压，ig为发电绕组电流，is为激励绕组电流，Θ为转子位置角，ω为转子转速，恥是发电绕组磁 链，人1^8、1^八^、崎为发电绕组磁链的分段线性化表达式系数。
【主权项】
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，Fxl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，Fyl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，μ〇是真空磁导率，Nf是悬浮力绕组的 阻数，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，1〇是平均气 隙长度，h是定子叠片长度，&是转子极宽，1^是1轴正方向悬浮极^上的悬浮绕组电流，i x2 是X轴负方向悬浮极X2上的悬浮绕组电流，iyl是y轴正方向悬浮极yi上的悬浮绕组电流，iy2 是y轴负方向悬浮极y 2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χφ经过X轴方向的径向位移环得到沿X轴方向的位移差A X ;将沿X轴方向的位 移差Δ X; 经过PID控制器1调节后，输出给定悬浮力Fx、 判断给定悬浮力是否大于〇; 若FxSo，则根据公式（1)计算xl极悬浮力绕组的给定电流?χιφ; gFx+CO，则根据公式 (2 )计算X2极悬浮力绕组的给定电流i Χ2φ; 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y41经过y轴方向的径向位移环得到沿y轴方向的位移差A y;将沿y轴方向的位 移差A y; 经过PID控制器2调节后，输出给定悬浮力Fy、 判断给定悬浮力是否大于〇; 若FybO,则根据公式(3)计算yi极悬浮力绕组的给定电流1714>;若?74><0，则根据公式 (4) 计算y 2极悬浮力绕组的给定电流i y2φ; 4) .利用滞环比较器，让xdPx2极悬浮力绕组电流跟踪步骤2)所述的?Χ1φ、?χ 2φ;然后再 经过X轴悬浮绕组逆变器后，得到所述双绕组磁悬浮开关磁阻电机χ#ΡΧ2极悬浮绕组的控制 电流； 5) .利用滞环比较器，让y#Py2极悬浮力绕组电流跟踪步骤3)所述的然后再 经过y轴悬浮绕组逆变器后，得到所述双绕组磁悬浮开关磁阻电机y#Py2极悬浮绕组的控制 电流。3.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，其发电控制包括如 下步骤： 1) .根据现有理论建立发电电压方程(5);式中，Rg为发电绕组电阻值，ug为发电绕组端电压，is为激励绕组电流，i g为发电绕组电 流，ω为转子转速，Θ为转子位置角； 2) .将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4与给定的参考发电电压Ug$经过发电电压环得到发电电压偏差 Δ Ug; 将所述发电电压偏差A Ug经过PI调节器得到给定的励磁电流is% 3) .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)算法拟合得到发电绕组磁链的分段线性化公式itg = Akgis +'、知=^0+1^』氺=1，2,3,4,5，并将其中的分段线性化系数人1^、1^、\4、1^预先存储在 分段线性化系数表中； 4) .将步骤2)所述的给定励磁电流i/与实际的转子位置角Θ-起经过步骤3)所述的分 段线性化系数表后，查表得到系数数Xk g、iK、ASg、i^g; 5) .根据光电传感器检测的电机的转子位置角信息Θ，由激励绕组电流控制器控制A、B 两相轮流激励，并根据步骤4)所述的查询所得系数Akg、!hg、ASg、机 g，结合实际转速ω，依据式 (5) 的发电数学模型模型计算出Α、Β两相相应的激励电流ias'ibs% 6) .将步骤5)所述的A相激励电流ia/经过A相激励绕组逆变器得到所述双绕组磁悬浮 开关磁阻发电机A相激励绕组的控制电流； 7) .将步骤5)所述的B相激励电流ib/经过B相激励绕组逆变器得到所述双绕组磁悬浮 开关磁阻发电机B相激励绕组的控制电流。
【文档编号】H02P21/12GK106059425SQ201610087195
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年2月16日 公开号201610087195.7, CN 106059425 A, CN 106059425A, CN 201610087195, CN-A-106059425, CN106059425 A, CN106059425A, CN201610087195, CN201610087195.7
【发明人】陈鹏, 郭夫然, 徐晓波
【申请人】国家电网公司, 国网河南省电力公司开封供电公司