研究控制系统的高速同极与实心转子电机基于飞轮储能

文摘

针对缺陷的汽车用于飞轮储能等伟大的铁损失在旋转时,转子强度差,和健壮性,一种新型的电机称为电兴奋同极电机采用飞轮储能的摘要。与通用汽车(general motors)相比,这种电机具有结构简单、转子强度高,低铁损耗在旋转。双闭环PI调节系统的新马达设计,建模,模拟与仿真平台上电动机为控制对象。仿真结果表明,该PI-controlled电兴奋同极电动机系统实现快速调速和良好的系统性能,实现快速充电的目的通过飞轮储能,验证了设计方案的正确性和有效性,并提供数据参考和理论依据的实践未来飞轮储能试验。

1。介绍

今天全世界都面临着能源越来越短缺。此外,不断开发新能源,如何有效地利用现有能源已成为人们的关注的热点。储能是一个重要的方式来达到有效利用能源的1),所以电能的存储技术,今天作为能源消耗的主要形式,已成为能源领域最重要的研究课题。

在21世纪,飞轮储能,由于其许多优点包括高能比,高功率比、效率高,广泛应用,没有污染,没有噪音,易于维护,使用寿命长,必然会带来一个进化能量存储和显示绿色能源存储技术的前景(2]。在海外,飞轮储能技术的研究开始在1950年代和1970年代,当磁悬浮储能飞轮的形式创建一系列的原型。目前,飞轮储能技术领域的国际领先企业包括美国有源电力生产和供应与UPS和储能飞轮由日本公司开发的高温超导磁悬浮技术,主要用于电车。技术替代传统能源,飞轮储能技术的应用领域,如交通、能源、航空航天等依靠其强大的竞争力。现在,中国在这一领域相对落后,仍在羽翼未丰的时期,但逐渐新兴影响当前世界各地的大高潮。飞轮储能实验室的清华大学在中国是第一个机构发起这项技术的研究和开发了一个储能飞轮原型1999年,奠定了坚实的理论和实验依据我们的飞轮储能技术。此外,北京航空航天大学、南京航空航天大学、华北电力大学等,还完成了这项技术实验,获得独特的专利产品。

飞轮储能是一种储能设备利用物理之间的互变现象电能和机械能(动能)。它主要由辅助设备包括飞轮,飞轮电机、电机控制器、轴承、和真空室3]。飞轮储能系统完成能量吸收和释放的飞轮电机及其控制器,飞轮电动机是这个设备的主要部分。系统使用不同的飞轮电机和控制类型可能有不同的表现。储能飞轮电机及其控制系统是一个复杂的综合机电系统。作为一种新型的电机,同极电动机尚未广为人知。由于它的优点,如结构简单、高强度转子,和低铁损失在高速旋转,特别适用于储能飞轮。通过建模与仿真研究的高速控制系统电激同极电机(4)作为控制对象,我们的目标是提供一个初步的理论基础和必要的实验基础研究拓扑优化和动态解耦的非线性控制的高速永磁同极电动机与实心转子通过NSF内蒙古,为了节省设计成本和研发时间。

2。同极电动机的结构及工作原理

电激同极电机,通用汽车(general motors)等,也主要由转子,定子,和其他相关组件,如图1。差异是定子和转子材料和结构设计。由于成本考虑,转子轴承选择角接触球轴承,以确保稳定和高速操作。其转子是由40 crnimoa,采用高强度与flywheel-motor集成建立了脱氧钢结构设计,并与均匀分布设计凹痕和凸5)和反对称的上、下结束,如图2。flywheel-motor一体化设计,使转子集成动能储存和电磁力的功能输出,大大简化了设计过程,降低了生产成本,并使脱氧钢转子;飞轮具有相同级别的复合转子飞轮储能密度。定子由两部分组成,其电枢和励磁机;它的截面视图如图3。电机定子具有这样的特征:它的电枢绕组使用镀锡铜编织它平行于转子轴长度和沿着转子圆周均匀分布;在相邻的同相绕组电流流向相反的方向;和三相电流产生的空间旋转磁场;而引起的转子凸极电磁力驱动电机旋转。电动机的参数表中提供1。

运行原理,电兴奋同极电机;其空间磁场产生的外加电流通过激动人心的绕组在周长。其磁回路是闭合电路由激动人心的通量从转子的上端,通过磁铁环与气隙进入低端。因为转子的励磁线圈产生的磁场,其磁场强度由励磁电流可控。电机旋转的转子凸极的感官相应的空间旋转磁场,而所需的空间旋转磁场产生的变量通过转子三相电流。电动机的工作原理如图4和5。从A到C定子电流流动,从电动机的上端图4,总会改变绕组电流顺时针方向;电枢绕组所产生的磁场是进口钢管和外N极。的上凸极(N极)转子顺时针旋转时引起的电磁力;同样,同时,从电动机的低端图5转子的凸极(杆)也顺时针旋转驱动的电流产生的磁场变化逆时针C-phase绕组,即。,产生的旋转磁场变量在电动机定子电流作用于旋转的电动机转子和驱动器后者。

3所示。同极电动机的数学模型

摘要作为电动机的转子凸极结构的特点,我们构建和推导出一个统一的动态数学模型6,7)的电动机定子的三相坐标系的基础上,基本电磁关系。因为反电动势波形和相电流输出的电机是由无刷直流电机类似,这个电机的数学模型是近似的无刷直流电机。

电兴奋同极电动机的数学模型使用电动机的矢量在定子的三相坐标系如图6。

在这个图作为,废话,cs相应的三相定子绕组轴;一的,b”,碳碳的三相定子绕组;转子速度ωr设置为逆时针方向,ψe是磁链矢量生成的外部电磁,形成一个角度吗α与定子三相坐标系的平面;和ψe0的投影ψe在平面坐标系统,一个角度θ与轴作为。

在不影响控制性能,简化分析表明,三相电动机的绕组对称的,和它的定子电压的状态方程如下:

在这个方程, 分别是,定子的三相终端电压(V); 的抗性(Ω)电动机的三相绕组; 是相互电感(H)的三相定子绕组; 的自身电感(H)电动机的三相绕组; 分别是counterelectromotive部队(V)电动机的三相绕组;和 定子的三相电流(A)。

假设三相绕组对称的磁阻转子与转子位置的变化不会改变。

也就是说, , ,和 。

在无刷直流电机,三相绕组是对称的;然后,

因此,从方程(1),我们可以推断出

磁链方程的同极电动机定子三相坐标系统如下:

产生的电磁转矩方程之间的交互的印象令人兴奋的领域和定子电流和电机的运动方程如下:

的方程,是电机的电磁转矩( ); 是电机的机械角速度 ; 电机的转动惯量吗 ; 是负载转矩 ;和的阻尼系数 。

4所示。同极电动机的控制策略

著名学者Astrom曾经说过(8”在今天的过程控制,超过95%的控制回路的PID型。“这显示了优势9)的PID控制器在过程控制领域。飞轮储能电机控制系统更关注于电动机的调速时间和更少的控制精度等指标。因此,PID策略是用于控制双闭环系统的单极的实心转子电机飞轮储能技术的研究和应用。

4.1。PID控制策略

PID控制是最常用的模拟控制系统的控制律。它是一种线性控制器。其结构如图7。r(t)设置输入值;e(t)是控制偏差;u(t)是控制变量;和y(t)是实际的输出值。

PID控制律: 或

传递函数的形式, 或

在上面的方程中,比例系数;积分时间常数;微分时间常数;积分系数, ;和微分系数, 。

为方便计算机实现,采用离散方法将连续PID转换成相应的数字PID控制算法(10,11]。表达式如下: 或

的方程,采样周期;采样信号,(公斤ydF4y2Ba= 1、2、3、……);e(公斤ydF4y2Ba)是系统偏差输入值公斤ydF4y2Bath采样时间;系统偏差输入值(公斤ydF4y2Ba−1)th采样时间;和控制量输出值吗公斤ydF4y2Ba采样时间。

其脉冲传递函数

常用的数字PID控制算法包括以下:(1)完整的PID控制:这种控制算法直接给出了执行机构的执行点(如电动机转速和阀门开度),因此将它命名为完整的变量或位置PID控制算法。它直接计算基于定义方程(9)和(10)的PID控制律。其缺点是输出变量和总是与所有过去的状态;此外,它需要积累在计算,增加了大量的工作。(2)增量式PID控制(11):该控制算法只适用于输出是控制变量的增量。的执行机构需要增加控制变量(如步进电机),增量式PID控制算法可以从完整的变量推导出PID控制算法。这个公式是

在这个方程,

一旦采样周期和系数一个,B,C确定,我们可以控制变量的增量就进入三次测量之前和之后的测量偏差。它展示了致动器的位置变化的两次采样之间。与位置相比,增量需要计算量更小,算法简单,便于软件编程。因此,它广泛应用于实际生产。基于增量式PID控制算法,全量PID控制算法的递推公式也可以推导出:

上面的公式是数字PID控制递归算法广泛应用于数字控制系统。

数字PID控制的另一个很大的优势是,它可以让我们提高PID根据对象和工作条件,PID控制可以在不同的领域实现高质量的控制效果。常用的改进的数字PID控制算法(12- - - - - -15)微分PID控制算法,包括不完全微分控制算法,整体夹紧PID控制算法,与死区PID控制算法,积分分离PID控制算法。

4.2。PID控制器调优

从6 PID控制原理图,我们可以看到PID控制器由三个主要控制环节(比例、积分、微分)决定主要由PID的三个参数是相互密不可分,相互联系和限制。看角色的比例、积分和微分的过度,稳定性、响应和稳态精度的控制系统10,11]:(1)比例控制链接:比例系数和偏差信号共同构成比例控制链接。这是最基本的环节,在PID控制中起着主导作用。一旦系统发生偏差,这个链接立即激活减少偏差。然而,比例控制无法消除系统偏差。将会有剩余误差。大比例控制系数意味着更强的控制效果,系统响应快,稳定精度高,但太大值是容易导致系统超调、不稳定和振荡。相反,一个太小了将降低系统的稳定精度,延长系统的过渡时间达到设定值,减缓其响应时间,破坏系统的静态和动态特征。(2)积分控制链接:积分系数和时间的积分偏差共同构成积分控制链接。它的主要功能是消除静态误差,提高系统的稳定性。更大的意味着更快的速度消除系统的静态误差,但太大值是容易导致过度控制初由于积分饱和。相反,一个太小了价值将收效甚微消除系统静态错误,也会减少系统的控制精度。(3)微分控制链接:微分系数和时间偏差共同构成的微分微分控制链接。补偿比例控制链接的功能,防止系统超调,抑制振荡,并保持系统的稳定性。主要预测偏差的变化反应,降低它的过程。的值不应太大;否则,它会抑制提前响应过程,延长调试时间,降低系统的抗干扰性能。

从上面的比例系数的影响 ,积分系数 ,和微分系数在系统和协同的三个,我们可以看到,他们都是系统控制的关键。PID控制器的参数随稳态条件下的控制系统。一旦工作条件(或过程对象的“特征”)的变化,然后控制器参数的最优值的变化。这意味着控制器调优随时可能是必要的,以便控制系统和过程控制对象达到所需的速度,精度和稳定性16]。包括以下常用的PID参数优化方法。

测试方法参数调优也称为工程优化方法。它应用在长期的工程实践中积累的宝贵经验的人直接控制系统测试。该方法简单,容易掌握。测试方法是找出特征参数在反应系统根据测试结果和控制参数的经验公式。

衰减曲线方法包括4:1衰减曲线法和10:1衰减曲线的方法。

实证方法,也称为试验和错误,是一种PID参数优化方法包括三个步骤从比例积分和微分。把参数反复根据这个序列,直到达到预期的效果。这是过程。首先,优化比例系数的值。增加一个接一个,找到一个小过度和快速反应。现在,观察是否存在静态误差。如果有添加积分系数。当调整积分系数,减少给定值由大变小,同时调整比例系数。观察系统响应,直到系统静态误差消除。在消除系统静态误差,留意系统过度和响应时间。 If the system overshoot is very large or response is slow, add the differential coefficient and tune again until desired control effect is obtained.

5。控制系统设计和建模

飞轮储能系统由三个主要部分,飞轮转子,电动机/发电机和控制器。控制器中,随着系统的指挥中心,直接决定了系统的控制性能17]。因此,在设计的过程中控制系统的高速单极的实心转子电机和储能飞轮,我们构建了一个控制系统仿真模型(图8)的电兴奋同极电动机根据其工作原理和数学模型的模块化建模方法(18- - - - - -20.在MATLAB / SIMLINK仿真平台,以缩短设计周期,降低研发成本和风险。同极电动机的控制系统仿真模型由七子系统,包括同极电动机、变频器、控制器PI-W1速度,电流控制器PI-current, PWM发生器,换向器和解码器,以及速度参考wr-ref TL和加载模块。

作为储能飞轮要求电动机效率高,系统的同极电机与double-closed-loop控制而设计的。外一个是速度循环。其速度控制器PI控制策略适用于PI-W1确保系统动态跟踪性能和抑制速度波动。内部一个是电流环。积分分离PI控制策略适用于其电流控制器PI-current限制了最大电流,使系统有足够的加速转矩,并确保系统稳定和高性能操作。从当前控制器信号发送到PWM发生器然后产生PWM信号脉冲宽度可调。PWM信号,随着转子位置解码器信号,发送到换向器模块生成Hpwm-Lon模式的脉冲调制波,根据转子位置解码(表2)和变换规则(表3)控制命令开关逆变器的IGBT全桥电路。这个驱动模式是一种输出模式和高腿PWM调制和低的腿不断的生活。它可以抑制电机转矩脉动,提高系统动态性能(21]。每个子系统数据所示的细节9- - - - - -13。

切换六州的同极电机换向时,我们注意到电动机的换向序列与转子位置有关。根据电动机的工作原理,电机顺时针旋转时,转子位置和开关管开关关系表2。开关管的导通状态设置为“1”,而其断裂状态设置为“0”。

6。仿真结果和分析

加速能源存储是系统控制的核心问题之一,关系到系统的能源存储的速度和安全。当能量存储加速度控制,飞轮电机作为电动机运行(17]。本文所需的参数同极电机和控制器被设置在一个单极的电机控制系统模型,该模型是建立在Matlab软件平台上“仿真模型编辑”界面,见下表4。

为了测试系统的各项性能指标毕竟模块参数设置的同极电动机控制系统和相应的程序文件嵌入被完成,我们重复的系统运行,模拟,优化一次又一次,最后得到的仿真结果并进行了必要的分析优化结果和波形。

优化仿真实验的同极电动机控制系统,为了保证电动机的安全启动和模拟实际环境中一些实际因素,马达开始有一个负载(0.1 N·m)在初始预设的速度= 15000 r / min。0.5年代它添加一个外部负载TL = 0.4 N·m和继续操作。速度响应波如图14。

图14表明,电机启动后迅速加速到15000 r / min,小初速度超调,σ% < 0.04%,加速时间t_p= 0.137 S,过渡时间t_年代= 0.23,非常小的和静态误差可以忽略不计。在0.5秒,电机开始运行负载(TL= 0.4 N·m)和略有放缓但基本上维持在15000 r / min。整个系统响应快速、稳步运行。最终,电动机转速基本稳定在设定值与小波动。

其他电机的性能指标:图15电动机的转矩波。在0.137秒,扭矩是基本稳定在2.1 N·m但显著的波动。电动机运行时负载在0.5 S,扭矩变化2.5 N·m。脉搏波的输出Hpwm-Lon换向器是PWM信号的调制模式(见图16)。图17是三相电动机定子的感应电动势。定子的感应电动势是180年的形式^°梯形波,每个相应阶段的磁通也在梯形波形,因此该系统也被称为梯形波永磁同步电动机的调速系统(TPMSM)。图18的感应电流波形是三相电机定子。120年的电机电流^°矩形波形。随着电压采用PWM斩波控制,矩形波包含一个显著的谐波分量。加载在0.5 S,功率开关管的状态PWM调制器的变化和导致当前脉冲幅度略有不同。

可见,仿真结果与预期的结果基本上一致,这表明该控制方法是可行的。然而,本研究的目的是只来验证该控制方法的正确性和可行性模拟和分析考虑到大惯性飞轮和长时间加速的飞轮电机的实际控制加速度。实验结果和讨论部分的工作适用于一般的参数和参数用于实验。

7所示。结论

飞轮储能技术将成为节能领域的未来方向,虽然传统的飞轮电机大铁损失的缺陷在旋转时,转子强度差,和鲁棒性。针对这些问题,采用电兴奋同极电机飞轮储能在这个研究的优点,如结构简单、转子强度高、低铁损失在高速旋转。PI-controlled双闭环调速系统的同极电动机设计仿真软件仿真平台。并研究了飞轮储能的充电过程。仿真结果表明,该控制系统的电兴奋同极电动机实现电机相电流和转矩的调节调制PWM占空比与流速Hpwm-Lon模式控制器使用PID控制策略,实现了快速调速,显示良好的静态和动态性能,实现快速充电的飞轮储能的目的。本研究只是一个小飞轮储能项目的一部分,将继续研究和验证的能量存储和放电过程后,利用先进的电机智能控制算法实现同极电机的鲁棒控制,进一步降低开关损耗和转矩脉动,提高系统的性能。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

我们确认手稿的内容没有被发表或投稿。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

所有作者都阅读和批准了最终版本的手稿。

确认

我们要感谢我的导师教授董刺激讨论关于本文的主题和实验室设备。这项研究受到了内蒙古自治区自然科学基金(2017 ms0521)和研究项目的科技大学内蒙古自治区(NJZY17352和NJZY18232)。

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