摘 要：为解决永磁发电机输出电压不可调控的问题，针对并列结构的混合励磁同步发电机，提出一种新的交流励磁电压矢量控制策略，该控制策略可依据混合励磁发电机输出电压需求，实时调整交流励磁电压大小和相位，实现机端电压的动态调节。为验证控制策略的有效性，建立了基于Matlab/Simulink 软件的并列结构混合励磁发电机的控制系统仿真模型，结果表明，电机在不同工况下运行时,利用该矢量控制策略均能够实时调整气隙磁通,达到稳定输出电压的目的。
关键词：混合励磁同步发电机 励磁电压控制 矢量控制 输出电压
1.引言
混合励磁同步发电机是在永磁发电机的基础上引入电励磁部分而构成的一种发电机，其输出电压可以连续调节.电机由两种磁势源共同产生电机主磁场,其中励磁源主要由永磁磁势提供，电励磁磁势主要用来增强或削弱主磁路磁通，起调节作用[1-4]。在专利[5]提出的一种并列结构的混合励磁电机基础上，本文研究其数学模型，根据数学模型建立了相应的Simulink 电机模块。针对一般采用的调节励磁电流来调节端电压的方法[6]，提出了一种调节励磁电压来控制定子电压稳定的控制策略。通过仿真实验，验证了该电机数学模型和控制方法的合理性及输出电压的可调节性。
2.并列结构混合励磁发电机的结构及工作原理本文所研究的交流励磁并列结构HESG 示意图如图1 所示，它包括永磁部分14 和电励磁部分15，两部分在磁路上彼此独立，在同一机壳内沿轴向并列安装，两部分电机定子铁芯彼此独立，但共用一套定子电枢绕组。永磁转子磁极采用表面式磁钢结构。电励磁绕组为三相绕组，放置在电励磁部分的定子铁芯内，实现无刷励磁。
并列结构HESG 及其交流励磁控制的工作原理为：三相励磁绕组中通入对称交流励磁电流时，在电励磁部分的空间上形成旋转励磁磁场。通过励磁控制器调节旋转励磁磁场的大小和相位，即可调节电枢绕组中电励磁感应电动势的大小和相位，从而调节发电机输出电压的大小
3.混合励磁电机的数学模型为简化分析，做出如下假设[8]：
(1)忽略铁心饱和效应。
(2)电机气隙磁场呈正弦波分布，忽略谐波磁场。
(3)不计发电机中的涡流和磁滞损耗。
(4)电枢绕组和励磁绕组交轴，直轴电抗相等。本文定子电枢绕组和励磁绕组均采用电动机惯例，即以输入电流作为电流的正方向，绕组通过正向电流时，产生正值磁链
4.基于Matlab/Simulink 建立混合励磁电机仿真模块
建立电机模块有几种方法，一是可以利用S 函数来建立[11-12]，二是可以通过搭建模块的方法建立。这两种方法各有优点，鉴于需要动态的模拟负荷改变时的电机，类似文献[13]中提到的S 函数中假定负荷为具体数值的方法就行不通了。Matlab/Simulink 库内缺少混合励磁电机模型，考虑到对库内已有电机的国产化改造[14]，仍然存在着不能对所设计电机的参数任意改动的缺点，本文自行搭建电机模块。通过对HESG的电压方程，电磁转矩方程，转速方程变形后来搭建模块。建立的过程包括选定输入输出变量，将方程的表达式分别用Simulink 中的基本模块组合，选定基本合理的仿真参数，选定是采用离散还是连续的仿真方式等等。
5.励磁电压的矢量控制策略
由于HESM 电机中同时存在两个磁势源,两者磁通路径相互耦合、相互影响,加之这类电机的结构都比特殊,电磁参数关系复杂,呈很强的非线性,系统建模、分析计算和控制变得较为复杂,传统的电机分析理论和分析方法往往难以奏效,传统控制方法也将难以满足要求[15]。本文提出的控制策略考虑产生励磁感应电压的主要因素，忽略次要因素，根据控制的最终目的采用近似为线性的控制关系。由于控制的目的是保证定子输出端电压为定值，一般的方法是控制无刷励磁部分的励磁电流。考虑电压方程(5)(6)，当在稳态时可以忽略微分项，并且当转速不是很低时，电阻压降在式中所占成分很小，可以忽略不计
6.结论与展望
并列结构混合励磁永磁同步发电机电励磁部分的气隙磁场可以调节，能够在负载变动或其他因素干扰的时候维持发电机输出电压的恒定[17]。本文首先在提出混合励磁电机方程的基础上建立了基于Simulink 的并列结构混合励磁电机的仿真模块，然后通过对电励磁部分方程的分析，得到了控制定子端电压恒定的励磁电流矢量控制方法，并通过仿真验证了控制策略的正确性。
控制策略使用了诸多近似，是在大转速、小电流、近似稳态的情况下考虑方程的简化。由于是突出主要因素，一定条件下必然对暂态变化中的详细过程不能做精确的分析。进一步考虑近似的细节对暂态变化过程中的影响，这将是本文后续的研究方向。
本文关键字：同步发电机 变频器基础，变频技术 - 变频器基础
