电励磁双凸极发电机的Pspice建模方法

特性仿真 ,近年来已引起国内外学者的关注 ,并有相 [4 - 6] [4] 关文章发表 。这些文章主要针对感应电机 和 [5 - 6] 无刷直流电机 调速系统的建模 。由于双凸极电 机是一种新型的电机 , 目前关于它的建模方法仍停 留在基于 M atlab软件的基础上 , 还尚无有关双凸极 电机 Psp ice 建模的文献 。 本文针对上述问题 ,通过使用“ 电压脉冲模块 ” 和“ 受控电压源结合单位电感 ” 的方法 , 解决了双凸 极电机模型中的电感建模和求导运算项建模这两个 关键问题 ,在此基础上建立了完整的双凸极发电机 系统的模型 ,并进行了仿真分析 。
式中 :ψp 、 Up、 ip 、 Lp、 rp 分别为电枢绕组的磁链 、 输出 电压 、 电枢电流 、 自感和内阻 ;ψf 、 Uf 、 if 、 rf 分别为励 磁绕组的磁链 、 励磁电压 、 励磁电流和内阻 ; L pf 为励 磁绕组与各相电枢绕组之间的互感 ( p = a、 b、 c, 代 表 A、 B、 C 三相 ) 。 312 电感与求导运算项的 P sp ice建模 电励磁双凸极电机的电感随转子转动成周期变 化 ,所以对双凸极电机电感的建模不能像同步机 、 异 步机电感建模一样直接用 P sp ice 中电感模型代替 。 电感和电流的周期变化也导致了磁链的求导项难以
第 5期
电励磁双凸极发电机的 Psp ice建模方法
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模块封装起来 ,不便于电路的分析 ,并且观察 M atlab 模型中各点的波形必须在仿真开始前设定 , 很不方 便。 Psp ice 是一种电子电路仿真软件 , 普遍应用于 电子电路的研究和设计 。它是面向电路设计的仿真 软件 ,无须建立电路方程和求解 。电机调速系统中 的逆变器和发电系统中的调压器本身就是电子电 路 ,应用 Psp ice 搭建将非常容易 。 Psp ice 软件仿真 速度快 ,它的 Probe 功能可以使研究者在仿真结束 后观 察 电 路 中 任 意 一 点 的 电 压 和 电 流 。能 否 将
Abstract: A im ing at characteristics of DSEG ( doubly salient electromagnetic generator ) and for the p rocess of generating, a novel modeling method was p resented by using Psp ice softw are. The model is based on an voltage equation circuit rep resentation w ith“voltage pulse model”and“voltage controlled in2 ductors mode ” . The 12 /8 DSEG modeling was p resented and the results of the relevant si m ulation was given particularly, then the experi m ent results were given. The validity of the p roposed m ethod is demon2 strated by the experim ent results . It establishes the base of analyzing direct current aircraft electrical pow 2 er generating system. Key words: DSEG; Psp ice softw are; si m ulation; generator model
ib ic if ia ib ic if
0
L bf
( 1)
ψa
d ψb + d t ψc
0
- rb
0 0
- rc
0 0 0
rf
0 0 0Hale Waihona Puke Baidu
0 0
( 2)
ψf
0
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 。原动机带动发电机转子旋转 时 ,由于每相电枢绕组匝链的磁链发生变化 ,绕组将
中图分类号 : T M341; T M345; V24214 文献标识码 : A 文章编号 : 1007- 449X ( 2006 ) 05- 0456- 05
Psp ice m odelin g method for doubly sa lien t electromagnetic genera tor system
收稿日期 : 2005 - 09 - 08; 修订日期 : 2006 - 05 - 29 基金项目 : 航空支撑科技基金 ( 03C52007) ; 江苏省自然科学基金 (BK2003088) ; 教育部博士点基金 ( 20020287020) 作者简介 : 吕 飞 ( 1980 - ) ,男 ,硕士 ,研究方向电力电子与电力传动 ; 周 波 ( 1961 - ) ,男 ,教授 、 博士生导师 ,研究方向电力电子与电力传动 、 航空电源 、 功率变换器 、 电机电器 ; 魏佳丹 ( 1981 - ) ,男 ,博士研究生 ,研究方向电力电子与电力传动 。
(南京航空航天大学 航空电源航空科技重点实验室 ,江苏 南京 210016 )
摘 要 : 为了研究电励磁双凸极电机发电过程 , 采用电压脉冲模块和受控电压源结合单位电感的 方法 ,基于 Psp ice仿真软件建立了电励磁双凸极发电机模型 。同时 ,研究了一台 12 /8 极的电励磁 双凸极发电机模型 ,给出了动态特性的数字仿真和试验结果 。通过仿真与实验结果的对比 ,验证了 所建模型的正确性及方法的可行性 ,为飞机直流发电系统的设计 、 分析提供了基础 。 关键词 : 电励磁双凸极电机 ; Psp ice软件 ; 仿真 ; 发电机模型
加后通过 E 作为电压源形式输入到电枢绕组回路 中 , 完成了 A 相绕组的建模 。 同理可建立 B 相 、 C相 电枢绕组的模型 。
在电子电路中 , 当电流流过电感时 , 电感两端将 产生感应电势 L d i / d t, 当取电感值为单位电感 ( 1H ) 时 , 感应电势为 d i / d t。 按此思想可建立如图 5 所示 的求导项 P sp ice模型 。 当对电压量进行求导运算时 , 用 P sp ice中的电压控制电流源元件 ( G) 把电压量转 换成电流量 ,使其通过单位电感 ,则在该单位电感的 两端得到对此电压量求导运算的结果 。
发电机相比其发电运行的可靠性更高 , 控制更简 单
[2]
,便于实现发电机和整流设备的一体化集成 。
发电机系统建模是新型电励磁双凸极发电机技 术研究的重要方面 , 以往的电机系统建模绝大多数 是基于 M atlab软件 ,但使用 M atlab 软件建立的双凸 极电机模型存在两个缺点 : M atlab 软件基于系统传 递函数 ,进行电路系统的仿真需要借助于其自带的 ( PSB ) [ 2 ] , 加入过多的 PSB “ 电气系统模块工具箱 ” 模块使得仿真速度极其缓慢 ; PSB 模块把许多电路
[7]
电励磁双凸极发电机的建模将按其数学模型分 为电枢绕组建模和励磁绕组建模两部分 。 电励磁双凸极发电机一相电枢绕组 (以 A 相为 例 ) 电压方程 : ψa d d ( if L af ) d ( ia L a ) ( 3) Ua = - ia ra = - ia ra dt dt dt 其 P sp ice 模型如图 6 所示 。 图中 ra 、 H1 (电流控制电 压源 ) 、 E (电压控制电压源 ) 、 H2 构成电枢绕组回 路 , A 相绕组的输出电压 U a 连接到整流滤波器模 型 , 中点 N与另两相电枢绕组相连 。 相电流 ia 方向如 图中箭头所示 , H2 把相电流 ia 以电压量取出 , 将输 入到励磁绕组模型中去 。- ia 与 L a 的乘积输入 G1 按 d ( ia L a ) 图 5所介绍的方法完成 项的建模 。 同理 L af dt 与 if 的乘积通过 G2 完成
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电 机 与 控 制 学 报 第 10 卷
313 主发电机的 P sp ice 建模
在 P sp ice 中直接搭建 。 针对以上两点 , 本文采用了 “ 电压脉冲模块 ” 和“ 受控电压源结合单位电感 ” 的 方法来分别解决电感建模和求导项的建模 。 图 3为 双凸极电机 A 相的电感曲线 , 使用的是线形电感模 型。 线形电感模型的应用可以在不影响控制方式的 情况下对电感模型合理地进行简化 。 曲线以 45 ° 为周期成梯形交替变化 , A、 B、 C 三相分别超前前一 相 30 ° 机械角 。
2 电励磁双凸极发电机结构及原理
本文研究的 12 /8 极电励磁双凸极电机结构如 图 1 所示 。定 、 转子均为凸极齿槽结构 , 定 、 转子极 弧宽度相等 , 机械角度为 15 ° 。定子上装有集中电 枢绕组和励磁绕组 , 转子上无绕组 。空间相对的 4 个定子齿上的绕组串联构成一相 。励磁绕组跨过 3 个齿安装在 4 个大槽内 。
311 数学模型
双凸极发电机的数学模型主要包括磁链方程和 电压方程 , 忽略各相电枢绕组之间的互感 , 磁链 方程和电压方程可分别表示为 ψa - La 0 0 L af ia ψb ψc ψf
Ua Ub Uc Uf = =
[7 ]
0 0
L af - ra
- Lb
0
- Lc L cf
L bf L cf Lf
1 引 言
电励磁双凸极电机是在美国 T A L ipo 教授提出 [1] 的双凸极变速永磁电机 (DSPM ) 的基础上发展而 来的 。该电机用电励磁代替永磁励磁 , 通过调节励 磁线圈电流大小 ,改变电机磁场强度 ,控制电机转矩 大小 ,因控制灵活而受到重视 。当其工作于发电模 式时 ,不需要位置传感器和复杂的功率变换器 ,调节 励磁电流大小即可调节输出电压 。因此与开关磁阻
L Β Fei, ZHOU Bo, W E I J ia 2dan
(Nanjing University of Aeronautics & A stronautics, Aero 2Power Science 2Technique Center, Nanjing 210016, China )
第 10 卷 第 5期
2006 年 9 月
电 机 与 控 制 学 报 EL EC TR IC MA CH IN E S AND CON TROL
Vol110 No15 Sep. 2006
电励磁双凸极发电机的 Psp ice建模方法
吕 飞, 周 波, 魏佳丹
Psp ice 仿真功能进行扩展 , 使其能用于电机系统的
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 ,可以通 过调节励磁绕组的电流大小来维持恒定电压输出。
3 双凸极发电机系统的 Psp ice 建模
电励磁双凸极发电机系统主要由双凸极发电 机、 整流滤波器 、 调压器三部分组成 , 如图 2 所示 。 除双凸极电机本体外 , 整流滤波器和调压器可用 Psp ice中的相应元件直接搭建 。而双凸极电机本体 的模型需要根据电机的数学模型来建立 。因此 , 以 下对 Psp ice 建模方法的介绍将分为两个部分 : 发电 机数学模型和各个模块的 Psp ice建模 。
d ( if L af ) 项的建模 。 两项相 dt
由于电感曲线成梯形周期变化 , 利用 “ 电压脉 冲模块 (Vp u lse ) ” 对电感进行建模时只需使“ 电压 脉冲模块 ” 输出的梯形电压各分段点的时间与对应 的梯形电感各分段点角度成比例即可 , 模型如图 4。 假设双凸极电机转速为 n, 则一个电感周期时间为 60 ×45 15 T = = 。 360 n 2n