PWM整流器控制下交流永磁发电机系统化设计方法

摘要

本发明公开了一种PWM整流器控制下交流永磁发电机系统化设计方法，其主要分为基波特性设计和谐波分析与校核两部分，基波特性设计主要完成电机参数设计和基波性能校核，它在传统的永磁发电机设计方法的基础上，结合了PWM整流器控制；谐波分析与校核是在已有电机设计参数的基础上，分析在系统控制条件下发电机定子电流谐波含量，电磁场空间谐波及其在转子中产生的损耗，并判定是否符合设计要求；本发明继承了现有设计方法中“磁路计算”与“参数计算”解析算法的优点，创造了“基波特性设计”和“谐波计算与校核”相结合的设计方法，解决了现有设计方法不能解决的永磁同步发电机设计中“系统”、“谐波”和“转子损耗”等关键问题。

主权项

PWM整流器控制下交流永磁发电机系统化设计方法，其特征在于，该设计方法主要分为基波特性设计和谐波分析与校核两个部分，所述基波特性设计主要完成电机参数设计和基波性能校核，它在传统的永磁发电机设计方法的基础上，结合了PWM整流器控制，主要过程如下：(1)主要尺寸确定：发电机主要初始尺寸的确定与传统电机相同，采用经验公式确定或者根据技术要求确定；(2)极对数匹配设计：以电机轴向尺寸L_t和控制系统需要的载波比M作为约束条件，综合电机本体和控制系统要求来确定发电机的极对数；(3)转子磁路匹配设计：永磁电机转子磁路形式多样，对于径向磁路而言，主要包括表贴式和内置式两类，表贴式永磁发电机气隙大、漏磁较小、电枢反应电感小、空载电动波形较好、电压调整率低；内置式永磁发电机气隙小、漏磁较大、电枢反应电感大、空载电动势波形交差、电压调整率较高，但永磁可控发电系统需要电机有较大的电感，以便于控制；又因为表贴式永磁发电机永磁体直接面对气隙，定子电流高次谐波产生的谐波磁动势会在永磁体表面产生涡流损耗，引起永磁体局部发热严重，甚至失磁，因此综合PWM整流器系统需求考虑，可控永磁发电系统中永磁发电机转子磁路选择内置式结构；(4)永磁体尺寸和匝数匹配设计：以电机性能、系统直流母线电压大小和系统对电机电感量的需求等三个因素综合设计永磁体尺寸和电机绕组匝数；(5)电机性能核算：①根据设计得到的电机参数和发电机的运行条件，按照特定的控制策略和发电机的数学模型计算出发电机定子电流d、q轴分量的大小，并判定定子电流是否满足系统的要求，如果不满足则重新设计参数；②根据发电机数学模型中的电压方程，计算出发电机定子电压d、q轴分量的大小以及定子电压的大小，并判定定子电压是否满足PWM整流器对发电机定子端电压的要求，如果不满足则重新设计参数；③计算发电机电流密度、效率等其它性能参数；所述谐波分析与核算是在已有电机设计参数的基础上，分析在系统控制条件下发电机定子电流谐波含量，电磁场空间谐波及其在转子中产生的损耗，并判定是否符合设计要求；(1)定子电流谐波分析：①将已有的电机设计参数生成有限元电机模型；②根据载波比、调制比、直流电压和控制策略等系统约束参数生成PWM整流器模型；③将电机有限元模型和PWM整流器模型联合起来进行系统联合仿真，模拟电机运行并得到电流波形；④对生成的电流波形进行傅里叶分解，求取各次谐波含量及其波形畸变率，最后根据得到的定子电流谐波分析结果，判定是否满足设计要求，否则重新调整电机设计参数，(2)转子损耗分析：①采用基于Benotti理论建立非正弦分立铁耗计算模型，同时考虑交变磁化和旋转磁化对电机铁耗的影响，利用不同的计算铁耗方法对永磁电机的铁心损耗进行计算；②利用分析定子电流谐波时建立的系统仿真模型通过仿真计算转子铁心损耗和永磁体表面涡流损耗；③利用仿真结果对解析结果进行修正得到最终的转子损耗；④判断是否符合系统技术的要求，否则重新调整电机设计参数。