基于双绕组电励磁双凸极电机的双余度发电系统

基于双绕组电励磁双凸极电机的双余度发电系统 基于双绕组电励磁双凸极电机的双余度发 电系统 第27卷第6期 2007年2月 中国电机工程 ProceedingsoftheCSEE ,,o】.27No.6Feb.20o7 ~2007Chin.Soc.forElec.Eng 文章编号:0258—8013(2007)06—0021-05中图分类号:TM351文献标识码:A学科 分类号:470.40 基于双绕组电励磁双凸极电机的双余度发电系统 吕飞,周波,魏佳丹 (南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室,江苏省南京市210016) TwoRedundancyGeneratorSystemBasedonDual-windingDoubly SalientElectro-magneticMotor L0Fei,ZHOUBo,WEIJia—dan (NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Naming210016,JiangsuProvince ,China) ABSTRACT:Adoublysalientelectro—magneticgenerator (DSEG)employstwoindependentchannelsconsistingoftwo groupsthreephasewindings.Thetwochannelsprovidepower tOthesameloadandoutputvoltagereachthedemandthrough adjustingtheexcitationcurrent.Thepaperanalyzedinductance characteristicsofthedoublewindingDSEGthroughequivalent magneticcircuitmodeling,thestaticcharacteristicisobtained usingfiniteelementmethodandsimulationresultsaregiventO provetheanalysisconclusion.Inaddition,systemhardwareand experimentresultsfortworedundancyDSEGsystemare presented.Experimentresultsshowthatthesystemhave excellentstaticanddynamiccharacteristicandhighreliability. KEYWORDS:doublysalientelectro—magneticgenerator; excitationcurrent;equivalentmagneticcircuitmodeling;finite elementmethod;tworedundancygeneratorsystem 摘要:在一台电励磁双凸极发电机定子上设置两套3相电枢 绕组实现双通道发电,通过调节励磁电流大小使两发电通道 输出相应的额定电压,并联向负载供电.用等效磁路模型对 双绕组电机的电感特性进行了理论研究,并用有限元 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 对 其电磁特性进行仿真计算,仿真结果与分析相一致;同时介 绍了双余度发电系统的硬件构成,并实验验证了系统具有很 好的稳态,动态特性和可靠性. 关键词:电励磁双凸极发电机;励磁电流;等效磁路模型; 有限元;双冗余发电系统 0引言 余度技术是提高航空电源系统可靠性的重要 手段.目前,电源系统实现余度供电通常的做法是 一 套电源作为一路通道,多余度意味着多套电源系 基金项目:航空支撑基金(03C52007):教育部博士点基金 (20020287020):江苏省自然科学基金(BK2003088). 统并联供电或者分别供电,因此余度电源系统需要 配置多台发电机(或其它供电装置).这样将导致系 统结构复杂,可靠性降低.借鉴飞机上余度机电作 动系统的磁综合方法,在发电机内设置多套电枢绕 组,各套绕组分别与各自的功率变换器构成独立的 发电通道,可在一台发电机上实现余度供电,该系 统结构简单,可靠性高,成为余度供电一种可供选 择的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 . 开关磁阻电机由于结构简单,无电刷和滑环, 转子无绕组,适用于可靠性要求高的航空领域,且 其定子采用集中绕组,容易设置多套绕组,因此国 外将其用于航空双余度起动/发电系统中….双凸极 电机是在开关磁阻电机基础上发展起来的一种新型 电机}2.4】,根据其励磁机构的不同,一般将其分为永 磁式,电励磁式和混合励磁式三种结构I5J.电励磁 双凸极电机具有与开关磁阻电机相似的结构和优 点,作为发电机使用时,控制方法更为简单灵活, 无须可控功率变换器和位置传感器,又可故障灭 磁I6J.因此电励磁双凸极电机构成的双余度无刷直 流发电机是实现高可靠性航空电源系统值得研究的 一 种方案. 1双绕组电励磁双凸极电机结构及发电状 态 工作原理 数字放映机工作原理变压器基本工作原理叉车的结构和工作原理袋收尘器工作原理主动脉球囊反搏护理 双绕组电励磁双凸极电机的基本结构如图1所 示(以6/4结构为例),定,转子均为凸极齿槽结构, 转子上无绕组,定子上除安装有两套三相电枢绕组 外,还安装了励磁绕组,各绕组均为集中绕组.相 差180.机械角的两个电枢绕组相互串连为一相,励 磁绕组跨过3相定子齿安装在两个大槽内.定子极 22中国电机工程第27卷 弧为定子齿距的1/2,可以保证一个极下转子齿与 定子齿的重迭角之和恒等于转子极弧,而与转子位 置无关,从而使合成气隙磁导为一常数.两套独立 的电枢绕组放置在同一个电枢齿槽内,且匝数相等. 图1双绕组电励磁双凸极电机截面图 Fig.1LaminationfordoublewindingDSEG 电励磁双凸极电机作为发电机运行时,三相绕 组通过二极管整流桥和电容滤波后发出直流电.基 本工作原理是当励磁绕组通过恒定电流时,在电机 内产生的磁通经过定子轭部,定子齿部,气隙,转 子齿部,转子轭部形成闭合磁路,外加机械力转动 转子时,由于每相电枢绕组所匝链的磁链发生变 化,绕组将产生感应电动势.当绕组与外接负载相 连时,电机发电向负载输送电能;当负载或转速变 化时,可通过调节励磁绕组的电流大小来维持恒定 电压输出. 电机相电压方程为(以A相第一套绕组为例) U al=1-La(訾~o-(鲁一 fa2州,dL~f(0))誓(1) 式中:l为A相第一套电枢绕组的相电压;Rl为 A相第一套电枢绕组的内阻;fl,ia2,/f分别为A 相两套绕组的相电流和励磁电流;Ll,Ll2,Llr 分别为A相第一套电枢绕组的自感,A相两套电枢 绕组之间的互感,A相第一套绕组与励磁绕组之间 的互感;为转子位置角;co为转子角速度; - Ll(O)dil/dt和—厶la2(O)dia2/dt是电枢电流变化引起 电枢绕组磁链变化而感应的电势,称为变压器电势, 其幅值与运动状态有关;一/?al—d/~l( - 0)和 一 ,— dL_ala - 2(0)是由于转子位置变化 ,电枢绕组闭 ''d0 合磁路磁阻随之变化引起磁链变化而在绕组上感应 的电势,称为磁阻电势,其幅值也与运动状态有关; 一 f,—dL~f(0)是由于转子位置的变化 ,励磁磁链随 之变化而在电枢绕组中感应的电势,称励磁电势, 其幅值与运动状态和励磁电流大小有关,它也是调 压器调节的主要部分;l~(g)diJdt是由于励磁绕组 电流变化引起励磁绕组磁链变化而感应的电势. 2双绕组电励磁双凸极电机电感特性的线 性分析 双凸极电机的定,转子齿槽结构决定了其气隙 磁场空间分布较为复杂,双绕组的设置使得情况更 为复杂.文献[7—12]较为详细地介绍了双凸极电机的 电磁特性,本节在此基础上根据双绕组电机的特殊 绕组分布情况,分析了定子双绕组的设置对电机电 感特性的影响,比较了与单绕组电励磁双凸极电机 电感特性的异同. 对双凸极电机电磁特性的分析通常采用等效磁 路法【7】,这种方法建立在电机线性模型的基础上, 即双凸极电机的电感及磁链只与转子位置角的变化 有关,与励磁电流和电枢电流大小无关.双绕组电 励磁双凸极电机的等效磁路与普通双凸极电机等效 磁路图相仿,只是在每一相的磁路中加入了两套相 绕组的磁势,并且由于同相位的两套绕组都绕在同 一 个定子齿上,所以其磁导均应为该定子和转子齿 间的气隙磁导.由此可得到双绕组电机的等效磁路 模型如图2所示. 图2双绕组电励磁双凸极电机等效磁路模型 Fig.2Equivalentmagneticcircuitmodelingfor doublewindingDSEG 图中和分别为励磁磁导和励磁磁势;Ga, Gb,Gc为三相定转子齿问的气隙磁导;l,凡l, l为第一套绕组的三相电枢反应磁势;,凡2, 2为第二套绕组的三相电枢反应磁势.定义为 定,转子问的合成气隙磁导,Gu=Ga+Gb+Gc.由电 励磁双凸极电机的电磁特性可得(以A相绕组为例) 厶.,吆 式中:Nal,Na2为A相两套绕组匝数;Cal,,分别 为A相第一套绕组的磁通和励磁绕组的磁通. (1)同套相绕组之间的互感 以a1绕组和b1绕组为例,有 厶=?h魂/,d=?a.?h[Ga/(+)】(2) 由于三相定,转子齿间的气隙磁阻很大,导致Ga, 第6期吕飞等:基于双绕组电励磁双凸极电机的双余度发电系统23 Gb,Gc值较小,远小于励磁磁导G,,所以式(2)的 结果近似为0.这种情况与普通的电励磁双凸极电 机相绕组之间的互感情况相同. (2)两套绕组之间的互感 双绕组双凸极电机与普通双凸极电机的最大不 同是在一定子齿上分布了两套绕组,所以需要分析 两套绕组之间的互感影响.以a1绕组与a2绕组和 a1绕组与b2绕组为例,有 厶.北=Ha=/IaNa.心Ca(3) 厶=Nb2/,a】=NoNb2[Gl,(+G,)]O(4) 两套绕组的匝数相同,N:=,代入式(3)aNa2N 中可得同相位的两套绕组之间的互感与两套绕组的 自感相等,即 .==N~Ga(5) 厶=厶 双绕组电机励磁绕组的自感及励磁绕组与两套 电枢绕组之间的互感情况与单套绕组的双凸极电机 情况相同,不再赘述. 3双绕组电励磁双凸极电机电感特性的有 限元分析 以上分析都是基于双凸极电机的线性模型,而 实际电机的电感及磁链特性是非线性的.因此为了 更精确的得到双绕组电机的电感特性,并验证上述 理论分析的正确性,采用有限元方法对电机的非线 性磁场进行仿真分析.利用Ansoft软件对双绕组电 励磁双凸极电机建模并进行电感特性的仿真计算, 按照实验所用的原理样机实际尺寸建模.图3为采 用有限元分析得到的空载时电机磁路分布图.可以 看出,双绕组电励磁双凸极电机的磁场分布情况与 单绕组时的情况相类似.由于同相位的两套绕组安 装在同一槽内,各激磁磁势的位置分布没有变化, 因此双绕组电机的磁路分布与单绕组相比并没有特 殊的变化.电机的激磁磁通主要分为两部分:一是 经定,转子轭部,定,转子极身和气隙的主磁通; 二是经定子极间的漏磁通.从图中还可以看出同相 位的两套绕组耦合较为紧密,之间的漏磁通很少. 图4为有限元分析得到的空载时一个电感周期 内的电感曲线.图4(a)中的四条曲线从上到下分别 对应了A相两套绕组的自感厶J,厶2,A相两套绕 组之间的互感厶1a2,A相与B相同套绕组间的互感. 图4(b)中的三条曲线从上到下分别对应了励磁绕组 的自感,励磁绕组与A相绕组的互感厶A相 一 套绕组的自感厶】. 转子位置角.1 (a)两套绕组的自感和互感曲线 转于位置角.1 (b)励磁绕组自感及与电枢绕组的互感曲线 图4双绕组双凸极电机电感有限元分析结果 Fig.4ResultsofdoublewindingDSEGinductanceusing finiteelementmethod 由图4(a)可以看出,同相位两套绕组之间的互 感与单套绕组的自感几乎完全相同,图中 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现为3 条电感曲线近似重合,与理论分析的情况也相吻合. 同时可以看出不同相的两套绕组之间的互感非常 小,与其它电感值相比相差甚大,可以忽略不计. 从图4(b)可以看出,励磁绕组电感远大于相绕组自 感,并且基本不随转子位置角而变化,因此电机发 电状态运行时励磁绕组不会产生感应电势,电机静 止加励磁电流时也无定位力矩.另外可以看出图4(b) 中曲线所反映出的电感特性与普通电励磁双凸极电 机的电感特性基本相同. 4双余度发电系统的硬件构成 双余度发电系统的硬件主要包括一台双绕组 电励磁双凸极发电机,一台电励磁双凸极电动机 (DSEM),连接两台电机的传动装置.两套整流滤波 中国电机工程第27卷 电路,调压器电路,一套DSP控制器及相应的驱动 电路和电压采样电路.其结构框图如图5所示. 图5双余度发电系统结构框图 Fig.5TworedundancyDSEGsystemdiagram 整个系统由一台普通的电励磁双凸极电动机作 为原动机,经传动装置连接一台双绕组电励磁发电 机.发电机的两套三相电枢绕组通过各自的整流滤 波电路得到两路直流电压,并联向负载供电.通过 电压传感器采集母线电压输入到DSP控制器的AD 转换模块,把电压信号转换为数字量.在DSP控制 器内部通过软件实现的变参数PID控制程序[13-14]最 终产生两路控制信号.经驱动电路后控制调压器中 的两个功率开关管调节励磁电流大小,使输出电压 达到稳定. 调压器的作用是控制发电机输出稳定可靠的电 压.主电路包括两个IGBT功率管S1,S2和两个快 恢复二级管D1,D2.调压器正常工作时,励磁电流 经S,励磁绕组,S2流过.S2驱动信号一直开通, S1驱动信号PWM控制励磁电流大小.当S1导通时 励磁电压加在励磁绕组上,励磁电流上升,S1管关 断时,励磁电流经二级管D2续流,励磁电流消耗在 励磁绕组内阻上.当发电机突卸负载时,要求迅速 减小励磁电流,靠励磁绕组内阻减小电流的方法不 能满足输出电压尖峰在要求范围内.这时St和S2 管都关断,励磁电流经D1,励磁电压源和D2续流, 在励磁电压源反向电压的作用下迅速减小,保证输 出电压尖峰不过大,保护用电设备. DSP控制器主要包括TMS320LF2407A芯片和 该芯片所需的一些外围电路,如程序和数据存储器, 仿真器接口及I/O空间输入输出接口【】.它与系统 的其它部分接口包括母线电压检测电路及两个功率 器件的开关信号输出电路. 5实验验证 实验所用双绕组电励磁双凸极电机参数为:6/4 极结构,定,转子极弧宽度均为为30o;定子铁芯 长40mm;定子外径61mm,定子内径45mm,定子 齿高11.75mm;转子外径21mm,转子内径1lmm, 转子齿高12mm;每套相绕组12匝,励磁绕组50 匝.电机额定转速4000r/min,额定输出电压为航空 低压直流28V,并联工作时额定负载电流为6A. 图6为两套通道并联工作时的励磁电流和输出 电压的实验波形,由实验波形可见系统并联工作正 常,有较好的稳态和动态特性.在突加,卸负载的 时候,输出电压经过短暂的跳变后迅速达到稳定. 通过相应的控制方法也可较好的控制突加,卸载时 输出电压的尖峰大小(2V左右). 蛙 " ,?^H 工,譬蔓蔓 7:,{ 一 l}!I 200ms/~t/ms fc)突加负载从2A到5A 图6双余度工作的励磁电流和输出电压实验波形 Fig.6Waveformsofexcitationcurrentandoutputvoltage whentwochannelsprovidepowertothesameload 余度供电在航空供电系统中的表现为保证飞机 的重要用电设备在任何状态下都能够获得电力,在 一 路供电系统故障状态时,通过切除掉非重要负载 而保持重要负载的不中断供电.图7为故障状态时 并联端输出电压及故障通道的电流实验波形.可以 看出当一通道发生故障而不能正常输出时,故障通 道电流突变为0,此时另一通道电枢绕组将不再受 到故障通道电枢绕组产生磁场的影响,由于励磁电 流不能突变,所以并联端输出电压在故障时经过小 的跳变后,在励磁电流的调节作用下输出电压逐渐 趋于稳定,实现系统的不中断供电. 另外,从图7可以看出,在故障时刻,母线端 电压的变化趋势与故障通道电流的变化趋势相反, 即一路故障时,并联端输出电压有向上跳变的趋势; 而当故障恢复时,输出电压又有向下跳变趋势,与 突卸,突加负载时的情况有些相似.这是因为两个 通道的磁链彼此匝链在一起,当一个通道的磁场发 生变化时,这一时刻总的能量不会突变,故另一个 第6期吕飞等:基于双绕组电励磁双凸极电机的双余度发电系统 通道的磁场将以相反的趋势变化,即磁场能量从一 个通道转移到另一个通道. 琏 > 2 }.!l1^ 琏:l ? 2 — lII七}._} 琏}丰}划^ 一 I—L' 一.J —丁-'一:l (a)一通道故障断路状态(b)故障恢复状态 图7双余度工作故障状态的输出电压和 故障通道输出电流实验波形 Fig.7Waveformsofoutputvoltageandoutputcurrent whenchanneltwofaultandchannelonedoesnot 6结论 (1)电励磁双凸极电机由于自身的结构特点, 容易在定子槽内设置多套绕组,从而可用一台发电 机实现双余度供电. (2)电励磁双凸极电机作为发电机工作时,通 过调节励磁电流的大小可方便地调节输出电压,并 可在故障时断开励磁电路来灭磁,保护电机及负载. (3)电励磁双凸极电机用于双余度发电时,两 通道直接并联供电具有较好的故障容错能力,能达 到不中断供电的效果,提高了系统的可靠性. 参考文献 [1】ArthurVR,CaioAF,EikeR.Two—channelswitchedreluctance starter/generatorresults[J】.1EEETransonIndus?yApplications, 1998,34(5):1026-1034. [2】LiaoY,lipoTA.Anewdoublesalientpermanentmagnetmotorfor adjustablespeeddrive[J】.ElectricMachinesandPowerSystems, 1994,22(2):259—270. [3】LiaoY,LiangF,LipoTA.Anovelpermanentmagnetmotorwith doublesalientstructure[J】.1EEETrans.onIndustryApplications, 1995,31(5):1069—1078. [4】周波,任立立,韦海荣.基于等效电感方法的电磁式双凸极电机系 统简化控制模型[J1.中国电机工程,2005,25(14):109-ll4. ZhouBo,RenLili,WeiHairong.Thesimplifiedmodelingfordoubly salientelectro-magneticmachinesbasedonequivalentinductance [J1_ProceedingsoftheCSEE,2005,25(14):109-114(inChinese). [5】王莉,孟小利,曹小庆,等.电励磁双凸极发电机的非线性模型[J1.中 国电机工程,2005,25(10):137—143. 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