四相电励磁双凸极发电机短路故障分析

本文分析了外接不控全桥整流电路的四相电励磁双凸极发电机的三种单相短路故障运行情况:绕组短路,二极管上管或下管短路。对于正常运行和不同的故障运行情况,利用有限元分析软件Ansoft建模仿真和实验相结合的方法对发电机在空载情况下的磁链、相电压、短路电流、输出电压、电枢反应等进行了详细的分析。比较不同短路故障对发电机的影响:下管短路故障对输出电压品质影响最甚,使输出电压平均值急剧下降且纹波率大大增加;但上管短路故障产生的短路电流最大,对电机发热影响最严重。

四相电励磁双凸极发电机的仿真与优化

电励磁双凸极发电机具有转子结构简单、可靠性好、功率较高、励磁可调等优点,因而受到国内外学者的大量关注。针对24/18极四相电励磁双凸极电机,利用电机仿真软件Maxwell-Ansoft建立发电机的2D有限元仿真模型,旨在研究改变电机结构参数对电机稳态特性的影响。通过对电机的磁场分布、气隙磁密、绕组磁链、电感、相电流、相电势、输出转矩等一系列稳态特性的分析,从加宽转子极和加宽定子极两个方面对电机进行优化。仿真结果表明:优化后的电机输出功率明显增加,为合理地设计四相双凸极电机提供了参考。

电励磁双凸极发电机偏心特性研究

针对电励磁双凸极发电机静态偏心故障,首先对于发电机的气隙长度进行了等效解析建模,并对静偏心程度与磁链、电磁转矩以及气隙磁密等重要特性的关系进行了理论推导。然后,通过Ansys有限元建立12/8三相电励磁双凸极发电机的2D有限元模型,并对电磁信号理论分析结果进行验证。最后,利用Workbench中耦合电磁、模态与谐响应分析模块对发电机的径向振动信号进行有限元仿真。研究结果表明,仿真结果与理论分析结果基本吻合,证明静偏心故障中偏心率对于电励磁双凸极发电机性能具有一定的影响,为后续其静偏心故障诊断提供理论基础。

电励磁双凸极发电机的三相整流换相过程分析

阐述了电励磁双凸极无刷直流发电机整流发电的工作原理,推导了电流换相时间、换相重叠角以及换相压降的解析公式,并分析了励磁电流、发电机转速以及负载性质对电流换相的影响。理论分析与实验结果表明:电励磁双凸极发电机整流发电时的换相过程由电机自感和互感引起;励磁电流大小会使工作模态发生变化;当负载和励磁电流不变时,换相时间受发电机转速影响,换相重叠角保持不变;负载为阻性与感性时,存在换相重叠,负载为容性轻载时,换相重叠现象不明显。

多相电励磁双凸极发电机的极数和极弧系数研究

电励磁双凸极发电机(wound-field doubly salient generator,WFDSG)的极数和极弧系数设计不当会导致电机产生较大的定位转矩和励磁绕组反电势。为了设计容错能力强、电压脉动率小的多相WFDSG,该文对多相WFDSG的极数和极弧系数进行了研究。在分析多相WFDSG原理的基础上,确定了多相WFDSG的设计要求;分析了定转子极数和极弧系数等结构参数对各绕组电感、电动势等性能参数的影响规律,推导了多相WFDSG普遍适用的定子极数、转子极数和定转子极弧系数等结构参数的约束公式,为设计多相双凸极电机提供理论基础。依据上述理论设计了一种12/9极四相WFDSG,利用有限元软件对传统WFDSG和该文设计的新型四相WFDSG样机进行了对比分析,试制了样机并进行了实验。仿真和实验结果验证了所提出的设计方法和电机结构的合理性。

各相对称的五相电励磁双凸极发电机电磁特性分析

针对传统五相电励磁双凸极发电机(wound-field doubly salient generator,WFDSG)各相磁路的磁阻不完全相等的问题,提出一种解决传统五相WFDSG存在的各相电感不对称问题的方法。将励磁绕组跨3个定子极绕制,实现了五相WFDSG各相电感幅值的相等。建立了包含气隙、定子槽气隙和转子槽气隙的空气磁路长度模型,并利用该模型求解了WFDSG的气隙径向磁密。对新型30/24极五相WFDSG进行了静态电磁特性仿真,验证了上述等效气隙模型可以用来计算径向磁密。对新型五相WFDSG绕组电感、电动势等瞬态电磁特性进行了仿真和实验,仿真结果和实验结果显示该WFDSG电动势幅值大小相等,验证了该文设计方法和理论分析的正确性。

外接单相桥的电励磁五相双凸极容错发电机

针对新型的电励磁五相双凸极发电机的结构特点和工作原理,在二维磁场有限元非线性计算分析的基础上,对外接单相桥整流发电电路的发电机发生二极管短路故障时的容错特性进行了理论分析和仿真验证。分析表明:外接单相整流桥的电励磁五相双凸极发电机在发生二极管短路故障时空载运行情况与正常时基本相同,不会由于短路相的影响发生系统崩溃,这与其他发电方式有显著不同;负载运行时输出电压有所下降,但仍有较好的容错性能,可通过提高励磁电流维持正常时的输出功率。

电励磁双凸极发电机的非线性模型

电励磁双凸极发电机是一种新型的交流无刷电机,结构简单,可靠性高,在汽车和飞机发电领域有着广阔应用前景。但其磁链和电感均为激磁电流、相电流、转子位置的非线性函数无法采用常规的方法建立精确的数学模型。该文采用二维电磁场有限元法对一台12/8极电励磁双凸极发电机进行了精确分析计算,得到了电机的静态特性;利用模糊神经网络的非线性逼近能力,尝试建立了双凸极电励磁发电机的模糊神经网络非线性模型,获得了很高的模型精度,并将仿真分析结果与实验结果进行了对比,验证了所建模型的精确性、有效性及方法的可行性,为飞机直流发电系统的设计、分析建立了基础。

电励磁双凸极无刷直流发电机非线性PI调压技术的研究

针对12/8极电励磁式双凸极(EMDS)无刷直流发电机的非线性特性,提出了一种新的非线性PI调压控制方法,该算法中比例和积分参数随调压误差的变化而非线性变化。设计了以DSP为核心的数字调压器,利用实验离线辨识的方法建立发电机系统的数学模型,在此基础上设计了算法参数,与传统PI算法做了实验对比,结果表明其抗干扰能力比常规PI调节器强。为了进一步提高系统的动态性能,在非线性PI算法中加入了负载电流前馈补偿控制。实验结果表明,在系统突加和突卸负载两种情况下,采用具有负载电流前馈补偿的非线性PI控制后,发电机电压不仅恢复时间明显缩短,而且电压波动幅值也大大减小,系统的动态性能得到了明显的提高,而且具有高的稳态精度。

电励磁双凸极无刷直流发电机电压纹波分析

在电励磁双凸极无刷直流发电机结构参数一定，电阻性负载的条件下，考虑到铁芯材料的非线性饱和特性，在二雏有限元非线性分析的基础上，通过仿真定量地分析解释了励磁磁场不同时，12／8电励磁双凸极发电机相电压波形在120～180°变化的原因及变化规律，并分析了励磁磁场强弱及电枢反应对发电机输出直流电压纹渡的影响及其非线性变化规律，经过实验验证了分析结果的正确性。分析所得结论为电机性能的优化设计提供了理论依据，并对励磁控制的优化具有指导作用。同时，对双凸极电动机控制方式的选择具有指导意义。

电励磁双凸极发电机转子极宽对输出特性的影响

转子极宽对基于磁阻工作原理的电励磁双凸极发电机输出特性有重要影响。从原理上讨论了电励磁双凸极电机磁链变化范围与输出电压的关系,阐述2类气隙对电机磁链变化范围的影响作用。提出第3气隙概念并给出其定义,推导了第3气隙大小与转子极宽的数学关系,并指出第3气隙的大小对相绕组磁链最小值的影响作用较大。利用2维有限元法分析计算得到不同转子极宽下电机静磁场分布、相绕组磁链以及空载相电势波形;通过瞬态场路耦合分析得到不同转子极宽下电机负载状态相电势波形、整流输出电压平均值和纹波大小。原理样机的实验结果验证了有限元计算和场路耦合分析的正确性。表明定转子极宽相等即第3气隙最大时电励磁双凸极电机输出功率大且输出电压波动小。

直驱式电励磁双凸极风力发电机的极数研究

针对低速直驱风力发电应用场合,对电励磁双凸极电机的极数进行了研究。双凸极电机属变磁阻电机,存在2个气隙且电枢绕组为集中绕组,常规电机数学模型已不再适用。该文分析了电机的气隙磁密和极对数的特点,并在此基础上推导了单匝绕组电动势和相绕组电势的表达式,从理论上证明了在定子内径和转速不变时,单匝绕组电动势与极数无关,而相电势与极数成正比关系。有限元仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。给出1MW直驱式电励磁双凸极风力发电机设计实例,并进一步分析了极数对电机有效材料的影响,为低速直驱式电励磁双凸极电机的极数选择提供参考。

五相容错双凸极无刷直流发电机研究

针对高可靠性应用场合,提出一种五相10/8结构容错电励磁双凸极发电机的构成方案。在分析了该电机结构特点的基础上,利用二维有限元电磁场分析软件对电机的静态特性和空载开路故障进行仿真。仿真结果表明:该电机电动势宽度为144°左右,励磁绕组自感基本不受转子位置影响,而电枢绕组的互感也远小于电枢绕组的自感。当一相或非相邻的两相发生开路故障时,对输出电压的直流分量影响很小,而当相邻的两相发生开路故障时,对输出电压影响不可以忽略。

气隙对双凸极电励磁发电机特性的影响分析

针对12/8双凸极电励磁发电机的结构特点及工作原理,在二维磁场有限元非线性计算分析的基础上,就气隙变化对发电机的电感特性影响、稳态性能进行了理论分析和仿真验证。分析中考虑了铁心材料的非线性饱和及励磁磁场与电枢磁场间的相互影响,并将稳态仿真结果与实验结果进行了比较分析,验证了理论分析的正确性。

五相容错双凸极发电机单相短路故障分析

对五相容错电励磁双凸极发电机(doubly salient electro-magnet generator,DSEG)的结构特点进行了理论分析。研究了电机空载运行时短路相的自感和电势,分析了短路故障对其他相磁链和电势的影响以及发生短路故障时电机的整流输出电势。对电机在不同励磁电流下加载运行时发生单相绕组短路故障的外特性、功率特性以及短路电流进行了分析。在考虑电枢绕组电阻的情况下,对电机空载运行时在4个不同时刻发生单相短路故障时的磁场、短路相磁链和短路电流进行了有限元分析。分析结果表明:短路故障发生初始时刻,短路相磁链随着电机转子位置的不同而不同;经过54电角度后,短路相磁链的最大、最小值和变化趋势与发生短路的时刻无关。最后通过对一台五相20/16-2结构DSEG样机进行实验,验证了理论分析的正确性。

直驱式多转子极电励磁双凸极风力发电机

针对如何提高低速直驱双凸极发电机效率的问题,研究了一种多转子极电励磁双凸极发电机新结构,推导了该发电机定子极数与转子极数配合关系,给出了多转子极DSEM定子极宽与定子极距之比的取值,并在此基础上建立了有限元分析模型,在发电机转速、每相串联匝数、转子极数和主要尺寸相同的条件下对比分析了24/16、12/16和6/16极电励磁双凸极发电机的磁链、电动势、电感、定位力矩、效率和重量。分析结果表明本文所提多转子极DSEG发电机结构的合理性。

双凸极电励磁发电机非线性建模方法

在有限元分析所得磁链特性ψ(θ,if,ia,ib,ic)的基础上,尝试分别采用自适应模糊神经网络(adaptive-network-based fuzzy inference system,ANFIS)、支持向量机(support vector machine,SVM)和3次样条插值法(Spline)建立60kW12/8极双凸极电励磁(doubly salient electromagnetic,DSEM)直流发电机非线性模型,并将基于3种模型的电机的静态特性与有限元分析结果相比较,以验证所建模型的逼近精度、推广预测能力及建模方法的有效性。根据3种非线性建模方法分别建立发电机非线性仿真模型,并用此模型对双凸极无刷直流发电机的空载和带载电压波形进行仿真,分析电机的空载特性和外特性,并与实验测试结果比较,进一步验证3种建模方法的性能,给出选用原则。

短磁路E型定子铁心电励磁双凸极发电机电磁特性分析

传统电励磁双凸极发电机励磁绕组跨多个定子极绕制,存在励磁磁路较长、铁损耗大、各相磁路不完全对称等问题。为了提高故障隔离能力并实现各相对称,提出一种由E型定子铁心组成的短磁路模块化电励磁双凸极发电机。针对所提出的集中绕组E型定子铁心,在分析转子极弧系数对各绕组电感影响规律的基础上,推导出三相发电机的定/转子极数比,励磁定子极、电枢定子极和定子槽口对应的极弧角度的约束公式,为电机进行电磁设计奠定基础。利用有限元软件对三相9/10极和三相18/20极电机的各相电动势、电感等瞬态特性进行建模分析。根据Bertotti分离铁耗模型计算出新型三相18/20极与传统三相18/12极电机的铁损耗值,并通过仿真验证了新型三相18/20极具有较低的铁损耗。最后,试制一台三相18/20极的样机并进行了实验,实验结果验证了理论分析和电机结构的合理性。

双凸极电励磁发电机系统非奇异终端滑模控制器的设计与仿真

针对双凸极电励磁发电机调压系统,提出了一种非奇异终端滑模控制的调压控制策略。介绍了双凸极电励磁发电机的结构,并构建了数学模型。在此基础上,详细分析了基于非奇异终端滑模控制的调压器工作原理,给出了相应的滑模面方程与滑模控制律。通过李雅普诺夫稳定性方程和固定PWM控制载波交截等限制条件,给出了控制律系数的计算选取方法。基于电磁有限元瞬态分析技术与控制电路构建了"场-路"联合仿真系统,并对发电机的稳态与动态运行性能进行了仿真,结果表明基于非奇异终端滑模控制的双凸极电励磁发电机调压系统具有良好的稳态性能和优良的动态特性,具有输出电压静差和纹波小、动态恢复时间短和动态输出电压变化小的优越性能。

电励磁双凸极发电机的非线性建模与空载特性仿真

提出了一种新的建模方法,即在电励磁双凸极电机电磁场有限元计算的基础上,利用M atlab对电励磁双凸极无刷直流发电机进行非线性建模与仿真;并导出了电励磁双凸极电机无刷直流发电系统考虑换相过程时的非线性仿真模型。最后,用提出的非线性建模和仿真计算方法,对一台三相12/8极电励磁双凸极无刷直流发电机的空载电势波形进行了仿真,进而计算出电机的空载电势。结果表明:空载电势和空载特性的仿真与实验结果一致性较好。