励磁电流负反馈对双凸极电机调压性能的影响.doc

励磁电流负反馈对双凸极电机调压性能的影响1  引言    双凸极电机是近几年来电工科学领域继开关磁阻电机之后又一全新的研究方向，电励磁双凸极发电机较永磁双凸极电机由于采用励磁绕组取代永磁体励磁，就可以通过调节励磁电流的大小来实现调压，不需要可控功率变换器和位置检测装置，从而结构非常简单，可靠性更高，成本更低但电励磁双凸极发电机要发出直流电就必须外接三相整流桥，并且输出端需要加一个大的滤波电容，这样使得整个发电系统的时间常数很大传统的调压器仅仅引入输出电压与给定值相比较后的值经PI调节作为励磁回路开关管的驱动，这样输出电压的稳态性能往往不能满足要求本文以一台12/8极，28.5V直流输出的电励磁双凸极发电机为研究对象，采用在传统调压器的基础上引入励磁电流负反馈的方法来改善发电机的稳态性能[1]    2 电励磁双凸极发电机的发电原理2.1 电励磁双凸极发电机系统的构成    本文所论述的电励磁双凸极发电系统主要由电励磁双凸极电机本体，三相不可控整理桥，模拟调压器等三部分组成    文中用到的电机为一台三相12/8极结构的电励磁式双凸极电机，图1为其截面图电励磁双凸极电机转子上无任何绕组，励磁绕组和电枢绕组全部集中在定子上。

这台电机的定子极弧为定子齿距的1/2这样保证了一个极下转子齿与定子齿的重叠角恒等于转子极弧[2]，而与转子位置无关，从而使电机中的合成气隙磁导为一个常数图 1  12/8极DSEM电机截面图2.2 电励磁双凸极发电机的工作原理    电励磁双凸极发电机发电运行时，输出电压需经过三相整流桥变换成直流电其工作原理[2]是：当励磁绕组加上恒定直流电时，就产生了励磁磁通其中大部分磁通经过定子轭部，定子齿部，气隙，转子轭部，转子齿部形成闭合回路当电机转子在外力作用下沿某一个方向持续旋转时，由于磁阻的变化，电枢绕组所匝链的磁链发生变化而产生感应电动势，如果外接负载时，电励磁双凸极发电机将向外输出电能当负载或者电机转速变化时调节励磁电流的大小来维持输出电压的恒定3  电励磁双凸极发电机的调压系统    电励磁双凸极发电机调压主要是通过控制励磁电流来实现的[3][4]传统的调压方式是：取电励磁双凸极发电机经整流后输出的电压Uport+，Uport-，并经过差分比例运算电路作为电压负反馈接入SG3525的反相输入端，再与给定值相比较后经过PI调节控制励磁回路开关管在传统的调压电路的基础上我们再引入励磁电流负反馈，本文励磁回路中的Mosfet管的驱动信号产生电路如图2所示。

图2  调压电路驱动信号产生电路    励磁电流经过电流互感器转变为电压信号Uif后也接入SG3525的反相输入端输出电压负反馈，励磁电流负反馈均采用PI 调节因为只需一路输出，我们使用SG3525的13脚作为输出信号，由于13脚是反逻辑输出的，我们在输出后接上一个OC门电路来实现正确的开通信号励磁电流检测电路如图3所示图3  励磁电流检测电路    励磁电流检测使用的是磁场平衡式电流传感器（LEM模块），采用正负15V供电 它将互感器，磁场放大器、霍尔元件和电子线路集成在一起，套在励磁线圈上就可以工作LEM具有精度高，零漂小，动态响应快及抗干扰能力强的优点由于该电流传感器输出为电流信号，因此在它的输出端需要加合适的采样电阻本文所使用的电励磁双凸极发电机的额定励磁工作电流约为If=20A，因为励磁电流的最大电流较大，可达25A左右，选用的电流传感器的电流变比Ki=1:1000，在额定工作点，霍尔传感器输出电流It=20A/1000=20mA，选R1=200Ω，则励磁电流的反馈量Uif =R21×It= 200×0.02=4V运算放大器LM358构成射极跟随器，用于提高带载能力和抗干扰能力。

4  两种调压方式对稳态特性影响比较4.1利用simulink仿真对两种调压方法比较    由于调压系统环节众多，电路结构比较复杂，往往为高阶系统，使得模型建立和分析相当困难[5]Matlab软件中的simulink工具箱是电机仿真的重要工具Matlab软件从5.2版本开始推出电气模块库（Power system blockset  PSB），PSB涵盖了电力电子，电力系统等电工科学中常用的基本元件和系统仿真模型虽然PSB是在simulink的基础上发展起来的，但PSB信号与simulink的信号不同，需要通过中间接口模块来实现两种信号的传递DSEM发电机的数学模型主要包括磁链方程和电压方程由于DSEM电机结构的特点决定了DSEM电机每相绕组间自感和相绕组与励磁绕组间的互感都随着转子位置改变而改变对相绕组间的自感，相绕组与励磁绕组间的互感采取分段线性化处理    磁链方程和电压方程可以表示为：             (1)    三相绕组电流数学表达式为：                       (2)          (3)    式中，ua，ub，uc分别表示A、B、C相对中性点N的电压；uf，if表示励磁电压和励磁电流。

ra，rb，rc表示每相绕组的电阻；L表示每相绕组的自感或互感；ia，ib，ic表示三相电流；p表示微分算子    利用Simulink和PSB模块库搭建电励磁双凸极发电机调压系统的模型首先进行只引入输出电压负反馈，在转速4775r/min，励磁电流20A，负载20A时的仿真图4是其输出电压的仿真波形，从图4中可以看出在只有输出电压负反馈时的输出电压脉动比较大，△U<1V然后在输出电压负反馈的基础上，再引入励磁电流负反馈在转速4775r/min，励磁电流20A，负载20A时进行仿真图5是其输出电压的仿真波形，从图5中可以看出再加上励磁电流负反馈后的输出电压脉动比较小，△U<0.4V图4  n=4775r/min，I0=20A时仅有电压负反馈的调压方式    从仿真波形可以看出，引入励磁电流负反馈后，能够明显改善输出电压的稳态精度，减小输出电压脉动4.2 通过实验对两种调压方法进行比较    在上述仿真结论的基础上，我们再通过实验来考察引入励磁电流负反馈对输出电压性能的影响图6、图7是转速4860r/min，励磁电流20A，负载在12A下分别只有电压负反馈和加上励磁电流负反馈的调压波形其中通道1为励磁回路中开关管的驱动波形，使用差分探头缩小20倍观测；通道3为输出电压的交流分量，也是使用差分探头缩小20倍观测；通道4是电励磁双凸极电机A相电流转变为电压信号后的波形，A相电流通过LEM缩小1000倍后流过20Ω的检测电阻后转变为电压信号，使用普通探头检测电阻两端电压达到观测A相电流的目的。

图5  n=4775r/min，I0=20A时有两种负反馈的调压方式    从图6、图7中的通道3波形对比可以看出在相同的转速，负载等条件下，加上励磁电流负反馈的调压电路输出电压纹波(约为0.8V)要远小于仅有电压负反馈的调压电路的输出电压纹波（约为2.1V）图6  I0=13A时仅有电压负反馈的调压实验波形图7  I0=13A时加上励磁电流负反馈的调压实验波形    图8、图9是转速4750r/min，励磁电流20A，负载在30A下分别只有电压负反馈和加上励磁电流负反馈的调压波形使用的探头同图6、图7图8  I0=30A时仅有电压负反馈的调压实验波形图9  I0=30A时加上励磁电流负反馈的调压实验波形    从图8、图9中的通道3波形对比也可以看出在相同的条件下，加上励磁电流负反馈的调压电路输出电压纹波（约为1V）要远小于仅有电压负反馈的调压电路的输出电压纹波（约为2.5V）同时也可以看出随着负载电流的增大两种调压方式下的输出电压纹波均有所增大[6]这是因为随着负载电流的增加，电枢反应会使相绕组磁链随位置角变化的波形发生变化电枢反应的退磁作用将使相磁链减小，电枢反应的增磁作用使相绕组磁链增加，当磁路饱和时退磁作用大。

在磁路完全退饱和前，随着负载电流的增加，输出直流电压纹波会缓慢增加当负载电流足够大，使磁路完全退饱和，相磁链峰值减小量大，相电势峰值随负载电流增加而减小，使输出直流电压纹波减小所以对输出电压纹波有很高的要求时可以再考虑引入负载电流负反馈5  结束语    本文介绍了电励磁双凸极电机的发电原理，详细分析比较了两种调压方式下的直流输出纹波大小首先利用Simulink软件对两种调压方式进行仿真，看出仅有电压负反馈的调压方式输出纹波远大于有电压负反馈和励磁电流负反馈的调压方式然后通过实验观测在不同的负载下两种调压方式对输出电压纹波的影响可以看出引入励磁电流后可以大大减小输出电压的脉动励磁电流负反馈能够改善输出电压的原因是因为它补偿了由于励磁电流变化导致的占空比变化最后简单介绍了下负载电流对输出电压也有一定的影响更多请访问：中国自动化网 ( )。