基于超级电容供能励磁的电励磁双凸极电机能量回馈方法

本发明涉及电机控制，具体为基于超级电容供能励磁的电励磁双凸极电机能量回馈方法。

背景技术：

1、电励磁双凸极电机是一种磁阻类电机，采用了无永磁体的设计，通过调节电励磁双凸极电机的励磁电流可实现对电机的输出控制。电励磁双凸极电机因其具有结构简单可靠、励磁可调、适应高速和严苛应用环境等突出优势，所以特别适用于具备励磁磁场调节能力的低成本、高效率电机驱动系统。

2、电机能量回馈技术是利用电机运行中产生的剩余能量或制动时产生的能量进行回收和再利用的技术。通过实现电励磁双凸极电机的能量回馈，提高电机系统的能量利用效率，减少能源消耗和污染排放，同时也有助于改善系统的整体性能，以实现更环保、节能的运行。

3、超级电容（super-capacitor）在能量回馈中承担着重要的作用，其单体容量可从1法拉至几千法拉不等，容量远超传统电容。一个标准电池大小的电解电容容量为几十微法，而同样大小的超级电容容量范围在1法至几千法（甚至上万法），差别可达五个数量级。并且，“超级”这个术语更多地体现在其能够在短时间内存储大量电荷（高能量密度）和快速地释放这些电荷（高功率密度）。这种特性使得超级电容在需要快速充放电和高功率输出的场景下表现出色。因此，超级电容的“超级”属性主要是由其高功率密度和高能量密度所决定，而不仅仅是取决于其单个电容值的大小。

4、超级电容作为能量回馈储能装置的优势主要体现在其快速充放电特性、长寿命和高循环充电次数上。对于常需要频繁启动、停止和制动的机械设备，超级电容能够快速储存和释放能量，满足机械系统的快速响应需求，并且具有更长的使用寿命，能够承受高频次的启停操作，降低更换和维护成本。此外，其良好的耐高温和低温性能也使其能够适应不同环境条件下的工作，从而成为在机械设备中进行能量回馈的理想选择，有助于提高能源利用效率，减少能源浪费。

5、与专利cn113489419b “电励磁双凸极电机驱动充电系统多模态能量回馈控制方法”的技术对比中

6、1、专利cn113489419中，使用dc-dc变换器来维持母线电压的稳定和励磁电流的恒定。而本专利取消dc-dc变换器,通过调节励磁电流来控制超级电容的充电电流和母线电压的稳定。即本发明对超级电容的充放电分别利用电励磁双凸极电机原有的不控整流桥和不对称h桥来控制，而不需要额外增加dc-dc变换器。

7、2、专利cn113489419b中，仅对电励磁双凸极电机的励磁端进行调控。而本发明则是将电励磁双凸极电机母线端制动回收的能量，存储到超级电容中。当电机再次启动时，用超级电容中存储的能量为励磁绕组供能。

8、3、专利cn113489419b采用的储能装置为蓄电池。而本发明采用的储能装置是超级电容。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了基于超级电容供能励磁的电励磁双凸极电机能量回馈方法，高效回收电励磁双凸极电机制动时产生的能量，并将能量供给电励磁双凸极电机励磁，实现电机效率与能源利用率的提升。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、基于超级电容供能励磁的电励磁双凸极电机能量回馈方法，其特征在于，具体步骤如下；

4、s1、电励磁双凸极电机母线和励磁端各通过一个直流接触器分别连接超级电容，超级电容的容量下限大于1f，并且使用电机励磁电流控制超级电容充电电流；

5、s2、在电动状态下，超级电容脱开母线而电机直流供电电源接入母线钳位母线电压并通过逆变器向电励磁双凸极电机供能，在能量回馈过程中，电机直流供电电源脱开母线而超级电容接入母线，通过调节电励磁双凸极电机的励磁电流对母线电压和超级电容充电电流进行调控；

6、s3、电励磁双凸极电机超级电容能量回馈系统对励磁电路的调节控制在于当超级电容中存有电量时，由超级电容向励磁绕组供能；当超级电容中电量不足时，转由直流励磁电源向励磁绕组供能。

7、作为本发明进一步改进，步骤s2中，所述超级电容能量回馈过程中母线调控具体包括：

8、s21、电励磁双凸极电机电动运行时，电机直流供电电源接入母线，超级电容脱开母线，通过直流滤波器电容和逆变器后，为电励磁双凸极电机供能。同时，励磁直流电源接入励磁支路，通过励磁驱动电路，为电励磁双凸极电机励磁供能；

9、s22、电励磁双凸极电机制动时，直流接触器一断开与电机直流供电电源的连接，转而与超级电容相连,逆变器中的igbt全部关断，使逆变器作为不控整流器使用，通过励磁电流内环控制调节励磁电流，进而控制超级电容充电电流在允许范围内，使超级电容达到稳定充电状态。

10、作为本发明进一步改进，步骤s2中，通过调节电励磁双凸极电机的励磁电流对母线电压和超级电容充电电流进行调控，超级电容充电时的电量状态为：

11、；

12、由此时超级电容的电量状态推出超级电容充电电流为：

13、；

14、其励磁电流与充电电流的关系为；

15、；

16、因项很小，忽略不计，因此简化为；

17、；

18、通过上述公式得出励磁电流与超级电容充电状态时的电量状态关系为；

19、；

20、由上述可知，根据母线电压算出超级电容当前的后，根据励磁电流与超级电容充电状态时的电量状态的关系式，推算出当前系统所需的励磁电流大小，进而通过调节电励磁双凸极电机的励磁电流至计算值，使超级电容达到稳定充电状态；

21、其中,超级电容选定后，超级电容容值、超级电容内阻、超级电容额定电压、超级电容最大能量存储量超级电容最小工作电压为恒定值，和是电励磁双凸极电机电枢绕组a相和c相的自感，是a相与励磁绕组的互感，是c相与励磁绕组的互感，为充电起始时的电量状态，为充电起始时的充电电流大小。

22、作为本发明进一步改进，步骤s3中，所述对励磁电路的调节控制包括：

23、s31、当电励磁双凸极电机电动运行且超级电容存有电量时，直流接触器一断开与超级电容的连接，转而将电机直流供电电源接入直流母线，并通过逆变器驱动电励磁双凸极电机。直流接触器二断开与励磁直流电源连接的同时，与超级电容相连，此时超级电容通过励磁驱动电路和励磁电流内环的调节，开始为电励磁双凸极电机励磁提供稳定的励磁电流；

24、s32、当电励磁双凸极电机电动运行但超级电容电量耗尽时，直流接触器二断开与超级电容的连接，转而将直流励磁电源接入励磁电路，通过直流励磁电源接力供能励磁。

25、作为本发明进一步改进，步骤s31中，超级电容通过不对称h桥的励磁驱动电路和励磁电流内环的调节，开始为电励磁双凸极电机励磁提供稳定的励磁电流, 超级电容放电状态时的电量状态为：

26、；

27、其中，为电容放电起始时的电量状态，为超级电容的容值，为超级电容的最大能量存储量，励磁电流根据电机需求进行调节。

28、相较于现有技术具有如下有益效果：

29、（1）本发明通过引入超级电容省略dc-dc变换器，降低电励磁双凸极电机系统的复杂性，提高了系统的可靠性，节省了系统的制造成本、运行成本和维修成本。

30、（2）本发明利用超级电容回收并储存电励磁双凸极电机制动产生的能量，显著提高电机系统的能源利用效率，减少能源消耗。

31、（3）本发明通过超级电容放电，能够在电励磁双凸极电机需要的时候迅速为电机励磁系统提供能量，实现高效的能量管理，为电机系统稳定运行提供持续而可靠的能源支持。

32、（4）本发明通过超级电容的能量回馈方法，使得电机系统的整体性能得到提升。能量回馈可使电机在启动、制动或负载变化时更具响应性，提高系统的动态性能和稳定性，有利于提高工作效率和操作的可控性。

33、（5）本发明由于能够有效回收能量，因此降低了对外部能源的依赖，有助于节约能源成本。同时，也符合环保和可持续发展的理念，有利于降低机械运作对环境的不良影响。