定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)是為了適應(yīng)變速范圍較寬的風(fēng)力發(fā)電以及航空、戰(zhàn)車(chē)等電源系統(tǒng)的新發(fā)展而提出的。它的定子設(shè)有兩套繞組，一套為功率繞組，輸出端接有勵(lì)磁電容、整流器、濾波電容，輸出變頻交流電或整流直流電壓；另一套為控制繞組，接有靜止的勵(lì)磁變換器，可以為發(fā)電機(jī)連續(xù)地提供勵(lì)磁，解決了感應(yīng)發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速和負(fù)載都大范圍變化時(shí)，所需要的大范圍變化的勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)問(wèn)題。通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和一定的控制策略，在寬變速范圍和變負(fù)載條件下，可以以小容量的勵(lì)磁變換

2、器有效地控制大容量的電能輸出，或者以小電流的勵(lì)磁變換器有效地控制大電流的電能輸出，保持輸出電壓的幅值恒定，有效地減小系統(tǒng)的成本、體積和重量。兩套定子繞組在電氣上沒(méi)有直接連接，只是通過(guò)磁耦合，容易達(dá)到控制的高性能。 本文系統(tǒng)地推導(dǎo)了定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在abc和dq坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型和等效電路以及帶整流橋負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。對(duì)電機(jī)內(nèi)部運(yùn)行的物理過(guò)程進(jìn)行了分析和描述，揭示了通過(guò)控制繞組勵(lì)磁變換器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無(wú)功使功率繞組輸出電壓穩(wěn)

3、定的運(yùn)行機(jī)理。給出了電磁轉(zhuǎn)矩方程、運(yùn)動(dòng)方程以及基本性能計(jì)算式等。 采用解析法系統(tǒng)地研究了不同繞組結(jié)構(gòu)形式下如雙重單層聯(lián)接、三層聯(lián)接以及四層聯(lián)接等定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)槽漏抗及諧波互漏抗的計(jì)算問(wèn)題，歸納總結(jié)了一套統(tǒng)一的槽漏抗與不同節(jié)距系數(shù)之間的數(shù)學(xué)計(jì)算公式，并可以推廣到m相電機(jī)的計(jì)算中；研究了實(shí)現(xiàn)兩套繞組dq軸互漏抗解耦的條件。所得結(jié)論為定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)中繞組分布及參數(shù)計(jì)算提供了理論依據(jù)。 研究了變速系統(tǒng)的定子雙繞組感應(yīng)

4、發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。對(duì)控制繞組電流變化規(guī)律與電機(jī)參數(shù)、負(fù)載大小、轉(zhuǎn)速及變比、功率繞組勵(lì)磁電容的大小等參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)地探索，提出了通過(guò)功率繞組勵(lì)磁電容的選擇來(lái)降低控制繞組勵(lì)磁變換器容量的優(yōu)化方法。 研究了用小容量變換器控制大容量電能輸出的優(yōu)化策略，即電機(jī)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)同一優(yōu)化的概念，為了使勵(lì)磁變換器的容量最小，電機(jī)的參數(shù)和功率側(cè)的勵(lì)磁電容容量同時(shí)優(yōu)化。根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則，以磁路、電路設(shè)計(jì)為核心得到了設(shè)計(jì)計(jì)算的公式及設(shè)計(jì)

5、步驟及性能校核方法。采用一種動(dòng)態(tài)全域映射收縮算子的復(fù)合形法編制出相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。對(duì)一臺(tái)應(yīng)用于18kW的270V高壓直流輸出電壓的樣機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了主要參數(shù)對(duì)性能的影響規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行了有限元電磁場(chǎng)的分析。 利用具有全局優(yōu)化搜索能力的改進(jìn)遺傳算法對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。優(yōu)化結(jié)果表明，該優(yōu)化方法可以在1：2.5的轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，負(fù)載從空載到額定負(fù)載變化，控制繞組與輸出功率的容量比可以降到1/3左右，效率可達(dá)

6、90％以上，這對(duì)于降低控制繞組的容量和銅耗，提高效率，降低系統(tǒng)運(yùn)行的成本及體積、重量是很有意義的,對(duì)于風(fēng)力發(fā)電、航空、戰(zhàn)車(chē)等變速范圍較大的場(chǎng)合有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。 研究了低壓大電流發(fā)電系統(tǒng)的特殊設(shè)計(jì)方法。充分利用定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)有兩個(gè)定子繞組的特點(diǎn)，提高控制繞組與功率繞組的匝數(shù)比來(lái)提高控制繞組的電壓，使控制繞組勵(lì)磁變換器的電流降低。同時(shí)省去功率側(cè)的勵(lì)磁電容器和控制側(cè)的濾波電感，構(gòu)成高電壓小電流的新型勵(lì)磁控制系統(tǒng)，降低了

7、系統(tǒng)的成本、體積和重量。 建立了定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)仿真模型，研究了1：2.5的寬變速運(yùn)行的勵(lì)磁變換器自勵(lì)建壓?jiǎn)栴}，對(duì)整流型負(fù)載下的穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、變速運(yùn)行特性以及純阻性負(fù)載下的變速運(yùn)行進(jìn)行了系統(tǒng)地仿真研究，對(duì)兩種負(fù)載的運(yùn)行性質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比總結(jié)，系統(tǒng)仿真結(jié)果與樣機(jī)計(jì)算結(jié)果吻合。 建立了基于dSPACE試驗(yàn)平臺(tái)的定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；?duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的18KW、270V高壓直流輸出的樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了1：2