专利名称：混合励磁同步电机发电系统建模方法
技术领域：
本发明涉及一种混合励磁同步电机发电系统的建模方法。
背景技术：
混合励磁同步电机是一类新型电机，力求继承永磁同步电机的优点，同时具有气 隙磁场调节能力，成为电机领域新的研究热点。新型混合励磁同步电机日益引起人们重视， 国内外正在开展在飞机发电系统和风力发电系统等电源系统中的应用研究。而混合励磁同 步电机在实际应用中，需要和电压调节系统或驱动控制系统共同构成自动控制的发电或电 动系统，系统级仿真分析是发电系统研究和设计的前提和基础，构建系统模型可以大大节 约研发周期和成本。混合励磁同步电机由于引入了励磁机构，除传统电机的径向磁场外，多数还有轴 向磁场，两者磁通路径相互耦合，磁场分布往往呈现三维特性，采用二维有限元方法难以对 电机进行电磁场分析。三维有限元静态场和瞬态场计算是能够准确分析混合励磁同步电机 的电磁特性的有效有段，但是三维场分析尤其是瞬态场分析计算量非常大，耗时很长。要仿 真分析混合励磁同步电机发电系统特性，必须在电机有限元模型的基础上再外接闭环控制 电路和负载电路，这更增加了仿真的计算量和难度，目前还没有看到实现三维瞬态场和外 部闭环控制电路间的系统联合仿真的报道。因此，建立能够用于控制系统仿真分析的混合 励磁同步电机模型以及发电系统模型，是该类新型电机应用于飞机及新能源发电系统必需 解决的关键技术问题，能够为混合励磁同步电机系统级仿真分析和参数设计提供重要的分 析手段。
发明内容
本发明目的是针对目前混合励磁同步电机发电系统仿真分析困难的问题，提供一 种既方便实现又能准确分析混合励磁同步电机发电系统输出特性的建模方法。本发明的混合励磁同步电机发电系统建模方法，包括以下步骤(1)建立混合励磁同步电机的三维有限元电磁场仿真模型，由所述混合励磁同步 电机的静态场分析得到混合励磁同步电机的主气隙磁通随励磁电流的变化，由所述混合励 磁同步电机的瞬态场耦合分析得到电机输出空载特性和外特性即相电势波形；(2)由步骤(1)所述的瞬态场路耦合分析得到的相电势波形和混合励磁同步电机 的矢量图推算出不同励磁、不同负载电流下混合励磁同步电机同步电抗值即交轴同步电抗 和直轴同步电抗；(3)根据混合励磁同步电机的电压方程，建立混合励磁同步电机本体仿真模型；(4)对步骤(3)所述的混合励磁同步电机本体仿真模型的基础上，加入输出电压 检测、励磁电流反馈和负载电流反馈补偿计算模块以及负载电流检测部件，构成混合励磁 同步电机发电系统模型采用输出电压检测部件检测得到的混合励磁同步电机输出电压有效值与当前设
3定的稳定电压值比较得到电压差信号，将所述电压差信号经过第一 PI调节器模块得到第 一调节电流，将设定的混合励磁同步电机转速以及采用负载电流检测部件检测得到的负载 电流经过负载电流反馈补偿计算模块得到励磁电流计算量，将所述第一调节电流与励磁电 流计算量相加后与实际励磁电流比较得到励磁电流差信号，将所述励磁电流差信号经过第 二 PI调节器后与励磁直流电源电压相乘送给混合励磁同步电机的励磁电压Uf输入端。本发明根据电机电磁仿真的结果进行混合励磁同步电机发电系统的建模，可以正 确反映出发电系统特性，事先获得混合励磁同步电机发电系统的输出特性，为后续的控制 参数设计提供验证平台，为发电系统的可行性分析提供依据，有助于加快混合励磁同步电 机发电系统的设计过程，分析系统潜在的问题，对混合励磁同步电机发电系统的设计具有 重要的指导意义。
图1为混合励磁同步电机发电系统建模流程2为混合励磁同步电机三维有限元静态场分析网格剖分3为混合励磁同步电机三维有限元瞬态场路耦合分析模型。图4为混合励磁同步电机主气隙磁通与励磁电流关系。图5为混合励磁同步电机不同负载下的相电势波形。图6为混合励磁同步电机电压矢量图。图7为混合励磁同步电机MATLAB仿真模型。图8为混合励磁同步电机的外特性曲线。图9为混合励磁同步电机发电系统仿真模型。图10为混合励磁同步电机发电系统突加突卸负载动态过程仿真结果。图11为混合励磁同步电机发电系统突加突卸负载动态过程实验结果。
具体实施例方式图1是混合励磁同步电机发电系统建模方法的流程图。下面结合附图，以一套 3kVA混合励磁同步电机发电系统为例，详细列出混合励磁同步电机发电系统的建模方法和 过程1.根据设计的混合励磁同步电机结构参数，首先建立混合励磁同步电机的三维有 限元电磁场仿真模型，然后分别进行静态场分析和瞬态场分析。静态场分析在定义好励磁 电流量后，需要对电机模型进行网格剖分，其网格剖分图如图2所示。瞬态场分析模型在静 态仿真模型的基础上，增加旋转边界，定义了电机内机械旋转部分，根据励磁和负载状态建 立外电路模型，进行场路耦合分析。图3为混合励磁同步电机的三维有限元瞬态场路耦合 分析模型。通过静态仿真可以得到混合励磁同步电机的主气隙磁通随励磁电流变化的关系 曲线，如图4所示。不同的负载电流下，电枢磁势不同，电机内的电枢反应磁场饱和程度不 同，导致电枢反应电抗也是不同的；不同励磁电流下，轴向磁路状态不同，也会引起电枢反 应电抗的变化。因此，电枢反应电抗是随励磁电流和负载电流变化的二元函数。通过瞬态 场仿真可以得到不同励磁电流、不同负载电流下的相电压波形，图5为仿真得到的不同负 载电流(包括空载)下的相电势波形。
2.混合励磁同步电机的电压矢量图如图6所示，炉为功率因数角，θ为功率角，ψ 为内功率因数角。根据图5的仿真结果，获得不同负载状态下空载电势与负载端电压之间 的相位差(即功率角θ )，&为空载电势，U为负载端电压，根据矢量图求解得到交、直轴同 步电抗。以阻性负载为例，计算公式如下
权利要求
一种混合励磁同步电机发电系统建模方法，包括以下步骤(1)建立混合励磁同步电机的三维有限元电磁场仿真模型，由所述混合励磁同步电机的静态场分析得到混合励磁同步电机的主气隙磁通随励磁电流的变化，由所述混合励磁同步电机的瞬态场耦合分析得到电机输出空载特性和外特性即相电势波形；(2)由步骤(1)所述的瞬态场路耦合分析得到的相电势波形和混合励磁同步电机的矢量图推算出不同励磁、不同负载电流下混合励磁同步电机同步电抗值即交轴同步电抗和直轴同步电抗；(3)根据混合励磁同步电机的电压方程，建立混合励磁同步电机本体仿真模型；(4)对步骤(3)所述的混合励磁同步电机本体仿真模型的基础上，加入输出电压检测、励磁电流反馈和负载电流反馈补偿计算模块以及负载电流检测部件，构成混合励磁同步电机发电系统模型采用输出电压检测部件检测得到的混合励磁同步电机输出电压有效值与当前设定的稳定电压值比较得到电压差信号，将所述电压差信号经过第一PI调节器模块得到第一调节电流，将设定的混合励磁同步电机转速以及采用负载电流检测部件检测得到的负载电流经过负载电流反馈补偿计算模块得到励磁电流计算量，将所述第一调节电流与励磁电流计算量相加后与实际励磁电流比较得到励磁电流差信号，将所述励磁电流差信号经过第二PI调节器后与励磁直流电源电压相乘送给混合励磁同步电机的励磁电压Uf输入端。
全文摘要
本发明公布了一种混合励磁同步电机发电系统建模方法，包括以下步骤建立混合励磁同步电机的三维有限元电磁场仿真模型；由瞬态场路耦合分析得到的相电势波形和混合励磁同步电机的矢量图推算出不同励磁、不同负载电流下混合励磁同步电机同步电抗值；根据混合励磁同步电机的电压方程，建立混合励磁同步电机本体仿真模型；对混合励磁同步电机本体仿真模型的基础上，加入输出电压检测、励磁电流反馈和负载电流反馈补偿计算模块以及负载电流检测部件，构成混合励磁同步电机发电系统模型。本发明混合励磁同步电发电系统建模方法特别适用于新型混合励磁同步电机飞机发电系统、风力发电系统的应用研究，为系统稳态、动态性能分析和参数设计提供依据。
文档编号H02P9/38GK101957884SQ201019026120
公开日2011年1月26日 申请日期2010年3月1日 优先权日2010年3月1日
发明者严仰光, 张卓然, 杨善水, 杨春源 申请人:南京航空航天大学