專利名稱：一種變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電機(jī)領(lǐng)域，特別涉及一種變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
永磁交流發(fā)電機(jī)輸出交流電壓，經(jīng)PWM整流器進(jìn)行交流/直流(亦稱ac/dc)變換和經(jīng)直流濾波裝置濾波后，可以獲得可控的直流電壓，為直流負(fù)載供電。永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般包括永磁交流發(fā)電機(jī)、PWM整流器、直流濾波裝置以及控制系統(tǒng)。永磁交流發(fā)電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁,其缺點(diǎn)在于勵(lì)磁不可調(diào)節(jié)。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)永磁交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在恒定勵(lì)磁磁場(chǎng)作用下，永磁交流發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱為發(fā)電機(jī))產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)(亦稱發(fā)電機(jī)電勢(shì)或反電勢(shì))大小正比于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)輸出的交 流電經(jīng)PWM整流器進(jìn)行功率變換，再經(jīng)直流濾波裝置進(jìn)行濾波，之后的直流輸出端的直流電壓是可控、穩(wěn)定的。發(fā)電機(jī)的輸出端稱為交流輸出端，直流濾波裝置的輸出端稱為直流輸出端。直流濾波裝置的直流輸出端的直流電壓(以下簡(jiǎn)稱為直流輸出端電壓或直流電壓)的控制系統(tǒng)的常見結(jié)構(gòu)如下所述的發(fā)電機(jī)、PWM整流器及直流濾波裝置通過一個(gè)控制器形成閉環(huán)控制回路。所述的控制器主要包括直流電壓檢測(cè)模塊、調(diào)節(jié)器以及PWM發(fā)生模塊；所述的直流電壓檢測(cè)模塊接入所述的直流輸出端，檢測(cè)直流電壓；所述的調(diào)節(jié)器包括用于計(jì)算所述發(fā)電機(jī)的交流輸出端的交軸電流給定值I:的運(yùn)算器(運(yùn)算器根據(jù)直流輸出端電壓以及檢測(cè)到的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號(hào)并根據(jù)預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值運(yùn)算出所述的給定值I:)，以及用于對(duì)所述的交軸電流給定值I/進(jìn)行微調(diào)的補(bǔ)償器(補(bǔ)償器是對(duì)永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)變化、數(shù)學(xué)模型的不精確性，以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化等各種擾動(dòng)因素進(jìn)行補(bǔ)償)；一般情況下，在實(shí)際的實(shí)施過程中，所述的調(diào)節(jié)器利用閉環(huán)控制方法，直接根據(jù)直流輸出端電壓和預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值來計(jì)算交軸電流給定值I:，使得直流輸出端電壓與預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值一致，這是一種比使用獨(dú)立的所述運(yùn)算器和補(bǔ)償器具有更好的穩(wěn)壓效果的更簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)方法；所述的調(diào)節(jié)器還根據(jù)發(fā)電機(jī)的凸極率設(shè)定發(fā)電機(jī)的交流輸出端的直軸電流給定值ΙΛ設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)是使發(fā)電機(jī)的功率、電磁轉(zhuǎn)矩或者功率因素最大化；所述的PWM發(fā)生模塊用于根據(jù)比較發(fā)電機(jī)交流輸出端的交軸電流I,及其給定值I/以及比較發(fā)電機(jī)交流輸出端的直軸電流Id及其給定值I/，并根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生控制所述PWM整流器的功率開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的PWM觸發(fā)脈沖；此外，所述的調(diào)節(jié)器與PWM發(fā)生模塊之間還設(shè)有電流限幅模塊，該電流限幅模塊用于限制交軸電流給定值I/和
直軸電流給定值I/的相量和的幅值#:2+I/2，輸出的限幅后的交軸電流給定值I:和限幅
后的直軸電流給定值ΙΛ使得二者的相量和的幅值+IcT不超過發(fā)電機(jī)的交流電流額
定值I額定。在大多數(shù)發(fā)電場(chǎng)合，要求所述的直流輸出端電壓穩(wěn)定，但并不關(guān)心發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓(以下簡(jiǎn)稱為交流輸出端電壓或交流電壓)是否穩(wěn)定。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化明顯的場(chǎng)合(如風(fēng)力發(fā)電)，由于發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)也隨著轉(zhuǎn)速而變化明顯，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)交流輸出端電壓變化明顯。當(dāng)發(fā)電機(jī)工作在正常轉(zhuǎn)速范圍的最低速時(shí)，其旋轉(zhuǎn)電勢(shì)已經(jīng)足夠高，可以使得PWM整流器正常工作，那么當(dāng)發(fā)電機(jī)工作在正常轉(zhuǎn)速范圍的最高速時(shí)，其旋轉(zhuǎn)電勢(shì)明顯變大。發(fā)電機(jī)正常工作的轉(zhuǎn)速范圍越寬(即最高速與最低速的比值匕越大)，則發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)以及交流輸出端電壓變化越顯著(最高速時(shí)的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)與最低速時(shí)的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)的比值也是ks)。而PWM整流器的器件的耐壓等級(jí)必須按發(fā)電機(jī)最高速時(shí)的交流輸出端電壓來選取，因此，在發(fā)電機(jī)工作在寬轉(zhuǎn)速范圍的條件下必須選取很高的耐壓等級(jí)，由此大大提高了器件的成本，并降低系統(tǒng)可靠性。同時(shí)，發(fā)電機(jī) 的交流輸出端電壓越大，對(duì)發(fā)電機(jī)的絕緣等級(jí)要求也越高，由此大大提高了發(fā)電機(jī)的成本，甚至降低發(fā)電機(jī)的絕緣壽命。如果控制發(fā)電機(jī)的交流輸出端的直軸電流Id，使得發(fā)電機(jī)工作在高速區(qū)時(shí)直軸電流Id具有弱磁功能，則可以使發(fā)電機(jī)的交流輸出端電壓穩(wěn)定，而不再隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升而增大，這樣就可以解決前述問題。因此，直軸電流的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)是使發(fā)電機(jī)的交流輸出端穩(wěn)壓，這正是本實(shí)用新型有別于常見永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特征之一。在電源電壓有限的前提下，通過具有弱磁性質(zhì)的直軸電流Id來擴(kuò)展永磁交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍，增大最高轉(zhuǎn)速，這是一種很常見的控制方法。而本實(shí)用新型是針對(duì)永磁交流發(fā)電機(jī)的，是在高速運(yùn)行時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的交流輸出端施以具有弱磁性質(zhì)的直軸電流Id，使得發(fā)電機(jī)的交流輸出端電壓維持穩(wěn)定。名為“永磁磁阻發(fā)電機(jī)的電壓控制”的文獻(xiàn)(《電工電能新技術(shù)》，2006年第4期，PP- 63-66 ;吳義勇等著)針對(duì)基于二極管不控整流器的變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)提出了用一個(gè)獨(dú)立的直軸電流發(fā)生裝置與所述的整流器并聯(lián)，由此來穩(wěn)定永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的交流輸出端電壓。本實(shí)用新型使用PWM整流器對(duì)永磁交流發(fā)電機(jī)的交流輸出端電壓進(jìn)行整流并施以合適的交軸電流ItJ,由此來穩(wěn)定直流輸出端電壓，同時(shí)對(duì)永磁交流發(fā)電機(jī)的交流輸出端施以合適的直軸電流Id，由此來穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的交流輸出端電壓，實(shí)現(xiàn)雙端口穩(wěn)壓。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供了一種變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，在現(xiàn)有發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的直流輸出端電壓穩(wěn)定的前提下，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速顯著變化時(shí)能夠克服交流輸出端電壓亦顯著變化的問題，實(shí)現(xiàn)永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的雙端口(即所述的交流輸出端和直流輸出端)穩(wěn)壓。一種變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱發(fā)電機(jī)系統(tǒng))，包括永磁交流發(fā)電機(jī)(本文為簡(jiǎn)便起見，以下簡(jiǎn)稱所述的永磁交流發(fā)電機(jī)為發(fā)電機(jī))、接入永磁交流發(fā)電機(jī)交流輸出端的PWM整流器以及與所述的PWM整流器相連的直流濾波裝置；還包括用于控制所述的PWM整流器的功率開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的控制器，所述的控制器分別接入所述的永磁交流發(fā)電機(jī)、永磁交流發(fā)電機(jī)交流輸出端以及直流濾波裝置直流輸出端。下面介紹本實(shí)用新型的優(yōu)選技術(shù)方案。作為優(yōu)選，所述的控制器包括用于獲得所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊、接入所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓檢測(cè)模塊和交流電流檢測(cè)模塊以及接入所述的直流濾波裝置直流輸出端的直流電壓檢測(cè)模塊和直流電流檢測(cè)模塊。所述的轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊可以采用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器或磁性編碼器等位置傳感器檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ，再通過對(duì)位置信號(hào)Θ進(jìn)行微分或差分運(yùn)算獲得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ω-所述的轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊也可以直接用無傳感器控制算法觀測(cè)所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ω-為了獲取直流濾波裝置的直流輸出端的直流電壓Udc和直流電流Id。以及發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓Uac和交流電流，作為優(yōu)選，所述的控制器包括接入所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓檢測(cè)模塊和交流電流檢測(cè)模塊以及接入所述的直流濾波裝置直流輸出端的直流電壓檢測(cè)模塊和直流電流檢測(cè)模塊。具體地，所述的接入直流濾波裝置直流輸出端的直流電壓檢測(cè)模塊和直流電流檢測(cè)模塊可以分別使用霍爾效應(yīng)電壓傳感器或其他原理的電壓傳感器和霍爾效應(yīng)電流傳感器或其他原來的電流傳感器檢測(cè)直流輸出端的直流電壓ud。和直流電流Id。；所述的直流電壓檢測(cè)模塊和直流電流檢測(cè)模塊也可以分別使用采樣·電阻檢測(cè)直流輸出端的直流電壓Ud。和直流電流Id。；同樣地，所述的接入發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓檢測(cè)模塊和交流電流檢測(cè)模塊也可以分別使用霍爾效應(yīng)電壓傳感器或其他原理的電壓傳感器和霍爾效應(yīng)電流傳感器或其他原理的電流傳感器檢測(cè)交流輸出端的交流電壓Uac和交流電流；所述的交流檢測(cè)模塊和交流電流檢測(cè)模塊也可以分別使用采樣電阻檢測(cè)交流輸出端的交流電壓Uac和交流電流。更為優(yōu)選地，所述的控制器包括用于根據(jù)所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ將上述交流電流檢測(cè)模塊輸出的交流電流進(jìn)行坐標(biāo)變換以將其轉(zhuǎn)換為交軸電流Iq以及直軸電流Id的坐標(biāo)變換模塊、產(chǎn)生交軸電流給定值It;和直軸電流給定值I/的調(diào)節(jié)器組、將交流電流給定值It;和直軸電流給定值I/進(jìn)行限幅控制的電流限幅模塊以及向所述的PWM整流器發(fā)出PWM觸發(fā)脈沖的PWM發(fā)生模塊。更進(jìn)一步地，所述的PWM發(fā)生模塊與轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊的輸出端以及坐標(biāo)變換模塊的輸出端相接，且通過電流限幅模塊接入調(diào)節(jié)器組的輸出端。以上結(jié)構(gòu)基于的技術(shù)原理如下所述的坐標(biāo)變換模塊根據(jù)電機(jī)學(xué)中的坐標(biāo)變換理論將所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電流經(jīng)坐標(biāo)變換得到直軸電流Id和交軸電流I,。所述的電流限幅模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)以下步驟步驟一，判斷接收到的所述交軸電流給定值I/以及所述直軸電流給定值I/的相
量和的幅值·+I/2是否超過發(fā)電機(jī)的交流電流額定值Igffi ;若未超過，則將接收的交軸
電流給定值I/以及直軸電流給定值I/直接作為限幅后的交軸電流給定值I:’以及限幅后的直軸電流給定值I/’ ；若超過，則執(zhí)行步驟二 ；步驟二，判斷當(dāng)前的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是否大于預(yù)設(shè)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)值
氺
ω
r ·若是，則輸出限幅后的交軸電流給定值I:’以及限幅后的直軸電流給定值I/’分別滿足_5] 1廣=;I: = Sgn(丨:)^1-2-I:2①若否，則輸出限幅后的交軸電流給定值I:’以及限幅后的直軸電流給定值I/’分別滿足
剛 C =C Id =sgn(I；)-^2-I^d)式①和②中sgnO是符號(hào)函數(shù)；在上述過程中，直軸電流給定值I/和交軸電流給定值1<；經(jīng)電流限幅模塊調(diào)整得到限幅后的直軸電流給定值I/’和限幅后的交軸電流給定值I:’，確保限幅后的直軸電流
給定值I/’和限幅后的交軸電流給定值I:’的相量和的幅值彳1:2+I/2不大于所述發(fā)電機(jī)·[0030]所述的PWM發(fā)生模塊用于比較所述的交軸電流I,與其限幅后的給定值I/’以及所述的直軸電流Id與其限幅后的給定值I/’，并根據(jù)所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置θ和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生控制所述PWM整流器的功率開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的PWM觸發(fā)脈沖；所述的PWM發(fā)生模塊根據(jù)輸入的直軸電流Id、交軸電流I,、直軸電流標(biāo)準(zhǔn)值I/’、交軸電流標(biāo)準(zhǔn)值I/’，并根據(jù)所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ωρ可以采用電機(jī)控制理論中的空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation,簡(jiǎn)稱SVPWM)或正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,簡(jiǎn)稱SPWM)或直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control,簡(jiǎn)稱DTC)等技術(shù),產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖；這些PWM觸發(fā)脈沖用于控制PWM整流器各個(gè)功率開關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷，使得所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的直軸電流Id與其給定值I/’、交軸電流Iq與其給定值I/’分別一致。進(jìn)一步地，所述的調(diào)節(jié)器組包括用于接收所述直流濾波裝置直流輸出端的直流電壓Udc和直流電流Id。并根據(jù)預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Ud:產(chǎn)生并輸出所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交軸電流給定值It;的第一調(diào)節(jié)器以及用于接收上述第一調(diào)節(jié)器輸出的交軸電流給定值I/和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速^以及所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓Ua。，并根據(jù)預(yù)設(shè)的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Uac*產(chǎn)生并輸出所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的直軸電流給定值I/的第二調(diào)節(jié)器。在上述優(yōu)選方案中，所述的第一調(diào)節(jié)器的功能是計(jì)算所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交軸電流給定值I/ ;第一調(diào)節(jié)器可以采用PI或PID等經(jīng)典控制技術(shù)或者模糊邏輯或滑?？刂苹蛏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代控制技術(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制，通過比較所述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)直流輸出端電壓Ud。和其標(biāo)準(zhǔn)值Ud:的差別，當(dāng)直流輸出端電壓Udc小于其標(biāo)準(zhǔn)值Ud:時(shí)增大輸出的交軸電流標(biāo)準(zhǔn)值當(dāng)直流輸出端電壓Udc大于其標(biāo)準(zhǔn)值U:時(shí)減小輸出的交軸電流標(biāo)準(zhǔn)值I:，直至直流輸出端電壓Udc和其標(biāo)準(zhǔn)值Ud: 一致，從而實(shí)現(xiàn)所述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的直流輸出端穩(wěn)壓；其中，直流負(fù)載(由直流電流Id。體現(xiàn))的變化、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的變化以及數(shù)學(xué)模型的不精確性等都是此閉環(huán)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)量，可通過閉環(huán)控制來消除影響；所述的第二調(diào)節(jié)器的功能是計(jì)算所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的直軸電流給定值I/ ；第二調(diào)節(jié)器可以采用PI或PID等經(jīng)典控制技術(shù)或者模糊邏輯或滑?？刂苹蛏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代控制技術(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制，通過比較所述發(fā)電機(jī)交流輸出端電壓Ua。和其標(biāo)準(zhǔn)值Uac*的差另IJ，當(dāng)交流輸出端電壓ua。小于其標(biāo)準(zhǔn)值Uac*時(shí)減小輸出的直軸電流標(biāo)準(zhǔn)值1/(即降低直軸電流的弱磁性質(zhì)，提高其增磁性質(zhì))，當(dāng)交流輸出端電壓Ua。大于其標(biāo)準(zhǔn)值Uac*時(shí)增大輸出的直軸電流標(biāo)準(zhǔn)值1/(即提高直軸電流的弱磁性質(zhì)，降低其增磁性質(zhì))，直至交流輸出端電壓Uac和其標(biāo)準(zhǔn)值U: 一致，從而實(shí)現(xiàn)所述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的交流輸出端穩(wěn)壓；其中，所述的交軸電流給定值ΙΛ所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ωρ發(fā)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的變化以及數(shù)學(xué)模型的不精確性等都是此閉環(huán)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)量，可通過閉環(huán)控制來消除影響。優(yōu)選地，所述的電流限幅模塊用于接收所述調(diào)節(jié)器組輸出的所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交軸電流給定值I:和直軸電流給定值ιΛ以及接收轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊輸出的所述的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)值ω/，輸出限幅后的交軸電流給定值I:’和限幅后的直軸電流給定值I/’?，F(xiàn)有技術(shù)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，PWM整流器將發(fā)電機(jī)輸出的交流電變換為可控的直流電，經(jīng)直流濾波裝置濾波，向負(fù)載供電。在發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化時(shí)，本實(shí)用新型的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)不僅負(fù)載端(即直流輸出端)的直流電壓Ud。是可控且穩(wěn)定的，而且發(fā)電機(jī)輸出端(即交流輸出端)的交流電壓Ua。也是可控、穩(wěn)定的，即實(shí)現(xiàn)了雙端口穩(wěn)壓。區(qū)別于傳統(tǒng)永磁交流發(fā)電機(jī)的交流輸出端電壓不作控制的運(yùn)行方式，本實(shí)用新型利用定子電流矢量控制策略來調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)永磁交流發(fā)電機(jī)隨轉(zhuǎn)速變化而增磁/弱磁復(fù)合控制，從而實(shí)現(xiàn)·上述效果。本實(shí)用新型的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)通過控制將實(shí)際的直流輸出端電壓Udc和交流輸出端電壓Uac分別穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Ud:和預(yù)設(shè)的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Uj。預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Udc*可以是變化的(即發(fā)電機(jī)系統(tǒng)提供可調(diào)直流電源)，也可以是恒定的(即發(fā)電機(jī)系統(tǒng)提供固定直流電源)。預(yù)設(shè)的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)值U:是指滿足PWM整流器功率器件的耐壓要求和發(fā)電機(jī)絕緣材料的耐壓要求而能確保PWM整流器功率器件及發(fā)電機(jī)絕緣材料長(zhǎng)期安全工作的最高交流輸出端電壓，亦即所述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的最大安全交流電壓，與PWM整流器功率器件的耐壓值和發(fā)電機(jī)的絕緣等級(jí)相關(guān)。本實(shí)用新型的變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理如下在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化范圍內(nèi)，確定一個(gè)臨界轉(zhuǎn)速(也就是預(yù)設(shè)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)值ω/)，該臨界轉(zhuǎn)速的確定原則是在發(fā)電機(jī)交流輸出端的直軸(亦稱d軸)電流Id = O的條件下，當(dāng)發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)(亦稱發(fā)電機(jī)電勢(shì)或反電勢(shì))的大小等于預(yù)設(shè)的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Uac*時(shí)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就是該臨界轉(zhuǎn)速ω:。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速
氏于臨界轉(zhuǎn)速ω/時(shí)，PWM整流器為發(fā)電機(jī)交流輸出端提供增磁性質(zhì)的合適大小的直軸電流Id(在電機(jī)學(xué)中按發(fā)電機(jī)原則規(guī)定磁鏈、電流以及電壓的正方向時(shí)增磁性質(zhì)的直軸電流為Id < O)，使得發(fā)電機(jī)的交流輸出端電壓Uac穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值Uac*附近；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于臨界轉(zhuǎn)速ω/時(shí)，PWM整流器為發(fā)電機(jī)交流輸出端提供弱磁性質(zhì)的合適大小的直軸電流Id(即在前述正方向規(guī)定下直軸電流為Id > O)，使得發(fā)電機(jī)的交流輸出端電壓Ua。仍然穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Uac*附近；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速等于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，PWM整流器不為發(fā)電機(jī)交流輸出端提供增磁或弱磁性質(zhì)的直軸電流(即直軸電流Id = O)，使得發(fā)電機(jī)的交流輸出端電壓Ua。仍然穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Uac*附近。于是可以實(shí)現(xiàn)在發(fā)電機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，PWM整流器始終為發(fā)電機(jī)交流輸出端提供合適的直軸電流Id，使得發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的交流輸出端電壓Uac穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值U:；同時(shí)，PWM整流器始終為發(fā)電機(jī)交流輸出端提供合適大小的交軸電流I,，使得發(fā)電機(jī)系統(tǒng)直流輸出端的直流電壓Ud。穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值Udc*。由此可以在整個(gè)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙端口(即所述的交流輸出端和直流輸出端)穩(wěn)壓。發(fā)電機(jī)交流輸出端的直軸電流Id和交軸電流I,的大小分別是由調(diào)節(jié)器根據(jù)交流電壓Uac及其標(biāo)準(zhǔn)值U:之間的差值以及直流電壓Udc及其標(biāo)準(zhǔn)值Udc*之間的差值經(jīng)閉環(huán)控制確定的。但是，直軸電流Id和交軸電流I,必須
滿足限幅條件，即二者的相量和的幅值+1/2不能超過發(fā)電機(jī)的交流電流額定值I K ;
若未超過，則不需對(duì)二者實(shí)施限幅，若超過，則須對(duì)二者分別實(shí)施限幅，實(shí)施原則是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于臨界轉(zhuǎn)速ω /時(shí)以確保直軸電流Id的大小為準(zhǔn)(即僅對(duì)交軸電流I,限幅)，這樣可以確保交流電壓Uac不超過其標(biāo)準(zhǔn)值Uac*,避免發(fā)生發(fā)電機(jī)與PWM整流器的過電壓故障，而直流電壓Ud?？梢砸蚪惠S電流I,被限幅而低于直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Udc*;反之，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速氏于臨界轉(zhuǎn)速ω/時(shí)以確保交軸電流Iq的大小為準(zhǔn)(即僅對(duì)直軸電流Id限幅)，也就是確保直流電壓Udc穩(wěn)定在其標(biāo)準(zhǔn)值Ud:，而交流電壓Ua?？梢砸蛑陛S電流Id被限幅而低于交流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Uac*,這對(duì)發(fā)電機(jī)與PWM整流器的耐壓情況都是安全的。本實(shí)用新型將增磁/弱磁復(fù)合控制方法應(yīng)用到變速運(yùn)行的永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 中，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)仍能夠維持雙端口電壓穩(wěn)定，特別是能夠得到較為穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)交流輸出端電壓，降低發(fā)電機(jī)系統(tǒng)對(duì)PWM整流器功率器件的耐壓等級(jí)要求和對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣材料的耐壓等級(jí)要求，降低發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的成本，并提高其可靠性。本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在一、當(dāng)永磁交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于臨界轉(zhuǎn)速(即預(yù)設(shè)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)值ω；)時(shí)，若不進(jìn)行弱磁控制，其交流輸出端電壓就高于最大安全交流電壓(即預(yù)設(shè)的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Uac*)進(jìn)而損壞PWM整流器的功率器件和發(fā)電機(jī)的絕緣材料。本實(shí)用新型在此情況下采取弱磁控制技術(shù)，利用發(fā)電機(jī)電樞繞組的弱磁磁動(dòng)勢(shì)(該磁動(dòng)勢(shì)由弱磁性質(zhì)的直軸電流(即Id > O)產(chǎn)生)削弱永磁體的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，保證在高速運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)交流輸出端電壓Ua。穩(wěn)定，由此降低PWM整流器功率器件的耐壓等級(jí)要求和發(fā)電機(jī)絕緣材料的耐壓等級(jí)要求。此外，弱磁控制可以削弱發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)，減小高速運(yùn)行時(shí)的鐵芯損耗，提高發(fā)電機(jī)的效率。二、當(dāng)永磁交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速ω/時(shí)，若不進(jìn)行增磁控制，其交流輸出端電壓Uac就可能過小，使得PWM整流器無法輸出穩(wěn)定的直流電壓Udc來為負(fù)載正常供電。本實(shí)用新型在此情況下采取增磁控制技術(shù)，利用發(fā)電機(jī)電樞繞組的增磁磁動(dòng)勢(shì)(該磁動(dòng)勢(shì)由增磁性質(zhì)的直軸電流(即Id<0)產(chǎn)生)加強(qiáng)永磁體的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，保證在低速運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓Ua。穩(wěn)定，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)直流輸出端(也就是負(fù)載端)的直流電壓Ud。穩(wěn)定。三、由于發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓Ua。是穩(wěn)定的，因此，PWM整流器可以更容易地獲得穩(wěn)定的直流輸出端(也就是負(fù)載端)的直流電壓Udc。四、本實(shí)用新型的永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與基于發(fā)電機(jī)和PWM整流器及直流濾波裝置的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，不需增加額外裝置，僅需改變PWM整流器的控制方法，同時(shí)在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)本體時(shí)加強(qiáng)其增磁和弱磁能力，即可實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)。

圖I為本實(shí)用新型永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖(以三相星形繞組發(fā)電機(jī)為例)；[0045]圖2為本實(shí)用新型永磁交流發(fā)電機(jī)各變量及相量的正方向規(guī)定(以三相星形繞組發(fā)電機(jī)為例，繞組變量以A相為例)；圖3為本實(shí)用新型永磁交流發(fā)電機(jī)的相量圖；圖4為本實(shí)用新型永磁交流發(fā)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)通過增磁控制實(shí)現(xiàn)交流輸出端穩(wěn)壓的相量圖；圖5為本實(shí)用新型永磁交流發(fā)電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)通過弱磁控制實(shí)現(xiàn)交流輸出端穩(wěn)壓的相量圖；圖6為本實(shí)用新型永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)功能模塊框圖及變量示意圖(以三相星形繞組發(fā)電機(jī)為例)；圖7為本實(shí)用新型永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電流限幅模塊的典型程序流程圖；圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例的實(shí)踐驗(yàn)證結(jié)果。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，永磁交流發(fā)電機(jī)是由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)原動(dòng)機(jī)為風(fēng)力槳葉、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等不確定動(dòng)力源時(shí)，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速是變化的。永磁交流發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電經(jīng)過PWM整流器進(jìn)行功率變換，形成直流電。PWM整流器由功率開關(guān)管與續(xù)流二極管組成。有的功率開關(guān)管含有內(nèi)置續(xù)流二極管，則可以省略獨(dú)立的續(xù)流二極管而使用內(nèi)置續(xù)流二極管。PWM整流器后接直流濾波裝置以減小直流輸出端的直流電壓的紋波。該直流電壓向負(fù)載(包括直接工作于直流電源下的負(fù)載、經(jīng)電力電子裝置進(jìn)行功率變換后的負(fù)載以及直流儲(chǔ)能裝置等，統(tǒng)稱為直流負(fù)載)供電。永磁交流發(fā)電機(jī)和PWM整流器的相數(shù)匹配，可以是任意相數(shù)的；發(fā)電機(jī)繞組可以采用常規(guī)的各種連接方式。圖I中以三相永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)為例。為便于分析和說明，按照電機(jī)學(xué)中的發(fā)電機(jī)原則(即正值磁鏈的方向與繞組軸線的方向一致、正值電流產(chǎn)生負(fù)值磁鏈，正值電流在負(fù)載方向產(chǎn)生正值電壓)為永磁交流發(fā)電機(jī)的各個(gè)變量及相量規(guī)定正方向，如圖2所示。需要說明的是,為圖示清晰，圖2中只標(biāo)出了 A相的相電壓uA和相電流iA的正方向。其余兩相(即B相和C相)的正方向可根據(jù)電機(jī)三相對(duì)稱性來確定。其中，《j 表不發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，θ表不發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置山軸和q軸分別是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的直軸與交軸；A軸、B軸和C軸分別是發(fā)電機(jī)定子A相、B相和C相繞組的軸線。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，永磁交流發(fā)電機(jī)的相量圖如圖3所不。圖中,R是發(fā)電機(jī)定子繞組的每相電阻，Xd和Xq分別是發(fā)電機(jī)定子繞組的d軸和q軸電抗；E是發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)相量#和I分別是發(fā)電機(jī)交流輸出端的電壓相量與電流相量，其模值分別是交流輸出端電壓Uac和電流Ia。；Id和I,分別是發(fā)電機(jī)定子繞組的d軸和q軸電流相量，也就是電流相量I在d軸和q軸方向的分量，其模值分別是發(fā)電機(jī)交流輸出端的直軸電流Id和交軸電流I,，
并且，根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，滿足Iac=。在永磁交流發(fā)電機(jī)中，根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，以上各
相量滿足如下關(guān)系E = U+RI+jXdId+jXqIq0在電機(jī)學(xué)中，為簡(jiǎn)化分析，通常忽略電阻壓降RI的影響；因此，本專利后續(xù)的示意圖中也忽略電阻壓降RI，即E = U+jXdId+jXqIQO本實(shí)用新型通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的Id電流相量來穩(wěn)定發(fā)電機(jī)輸出端的交流電壓Ua。，具體方法如下當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速氏于臨界轉(zhuǎn)速ω/時(shí)，PWM整流器為發(fā)電機(jī)定子繞組產(chǎn)生負(fù)值的Id電流相量，根據(jù)前述的發(fā)電機(jī)原則的正方向規(guī)定，負(fù)值的Id電流相量產(chǎn)生正值的d軸方向磁場(chǎng)，與永磁體勵(lì)磁相互加強(qiáng)，起到增磁的作用(因此負(fù)值的Id電流相量是增磁電流)，使得發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓相量U的大小穩(wěn)定(即交流輸出端電壓ua。穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Uac*),如圖4所示；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越低，Id電流越小，由于Id < O，所以Id越小表示Id的絕對(duì)值越大，即增磁電流的絕對(duì)值越大。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于臨界轉(zhuǎn)速ω /時(shí)，PWM整流器為發(fā)電機(jī)定子繞組產(chǎn)生正值的Id電流相量，根據(jù)前述的發(fā)電機(jī)原則的正方向規(guī)定，正值的Id電流相量產(chǎn)生負(fù)值的d軸方向磁場(chǎng),與永磁體勵(lì)磁相互抵消，起到弱磁的作用(因此正值的Id電流相量是弱磁電流)，使得發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓相量U的大小穩(wěn)定(即交流輸出端電壓Uac穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Uac*),如圖5所示；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高，Id電流越大，由于Id > O，所以Id越大表示Id的絕對(duì)值越大，即弱磁電流的絕對(duì)值越大。同時(shí)，PWM整流器為永磁交流發(fā)電機(jī)定子繞組產(chǎn)生合適的I,電流相量，從而保證負(fù)載端的直流電壓Ud。穩(wěn)定；這與傳統(tǒng)的PWM整流器的工作原理相同，為現(xiàn)有技術(shù)，此處不再贅述。永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)功能模塊框圖及變量示意圖如圖6所示。其中，轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器或磁性編碼器等位置傳感器直接檢測(cè)或者用無傳感器控制算法觀測(cè)所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接入直流濾波裝置直流輸出端的直流電壓檢測(cè)模塊和直流電流檢測(cè)模塊分別使用霍爾效應(yīng)電壓傳感器和霍爾效應(yīng)電流傳感器等電子元器件檢測(cè)直流輸出端的直流電壓Udc和直流電流Id。；接入發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓檢測(cè)模塊和交流電流檢測(cè)模塊分別使用霍爾效應(yīng)電壓傳感器和霍爾效應(yīng)電流傳感器等電子元器件檢測(cè)交流輸出端的交流電壓Ua。和交流電流；坐標(biāo)變換模塊將實(shí)測(cè)的發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，根據(jù)電機(jī)學(xué)中的從相坐標(biāo)到d-q-Ο坐標(biāo)的變換方法，得到直軸電流Id和交軸電流I,;第一調(diào)節(jié)器采用PI或PID等經(jīng)典控制技術(shù)或者模糊邏輯或滑?？刂苹蛏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代控制方法，通過比較所述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)直流輸出端電壓Udc和其標(biāo)準(zhǔn)值Ud:的差別，當(dāng)直流輸出端電壓Udc小于其標(biāo)準(zhǔn)值Ud:時(shí)增大輸出的交軸電流給定值I:，當(dāng)直流輸出端電壓Udc大于其標(biāo)準(zhǔn)值Ud:時(shí)減小輸出的交軸電流給定值I:，直至直流輸出端電壓Udc和其標(biāo)準(zhǔn)值Ud: 一致，直流負(fù)載大小(由直流電流Id。體現(xiàn))的變化是此閉環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)量，可由此閉環(huán)控制消除影響；第二調(diào)節(jié)器采用PI或PID等經(jīng)典控制技術(shù)或者模糊邏輯或滑?？刂苹蛏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代控制方法，通過比較所述發(fā)電機(jī)交流輸出端電壓Uac和其標(biāo)準(zhǔn)值Ua:的差別，當(dāng)交流輸出端電壓Uac小于其標(biāo)準(zhǔn)值Uac*時(shí)減小輸出的直軸電流給定值I/，當(dāng)交流輸出端電壓Uac大于其標(biāo)準(zhǔn)值U:時(shí)增大輸出的直軸電流給定值I/，直至交流輸出端電壓Uac和其標(biāo)準(zhǔn)值U: 一致，所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交軸電流I,等的變化都是此閉環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)量，可由此閉環(huán)控制消除影響；通過上述途徑獲得的發(fā)電機(jī)交流輸出端的直軸電流給定值I/和交軸電流給定值It;后，電流限幅模塊還要將直軸電流給定值I/和交軸電流給定值I/進(jìn)行限幅調(diào)整，輸出限幅后的直軸電流給定值I/’和限幅后的交軸電流給定值I:’，使得二者的相量和
的幅值+ '2不大于所述發(fā)電機(jī)的交流電流額定值 黻，圖7是一種典型的電流限幅模
塊的程序流程圖；然后，所述的PWM發(fā)生模塊分別比較直軸電流Id和限幅后的直軸電流給定值I/’以及交軸電流I,和限幅后的交軸電流給定值I/’，可以采用傳統(tǒng)的SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制)或正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱SPWM)或直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，簡(jiǎn)稱DTC)等控制策略，確定相應(yīng)的PWM動(dòng)態(tài)占空比，產(chǎn)生PWM整流器各個(gè)功率開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的PWM觸發(fā)脈沖；這些PWM觸發(fā)脈沖觸發(fā)PWM整流器的各個(gè)功率開關(guān)管，以控制發(fā)電機(jī)交流輸出端的電流相量I，使得I的直軸分量(即id)和交軸分量(即g分別與限幅后的直軸電流給定值I/’和限幅后的交軸電流給定值一致，由此產(chǎn)生的效果就是所述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的交流輸出端電壓Uac的大小和直流輸出端電壓Udc的大小分別穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)值U:和直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Udc'實(shí)現(xiàn)雙端口穩(wěn)壓的功能。將上述原理應(yīng)用于本實(shí)施例的變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，本實(shí)施例的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)即包括發(fā)電機(jī)、接入發(fā)電機(jī)交流輸出端的PWM整流器、與所述的PWM整流器相連的直流濾波裝置以及控制器，所述的控制器包括轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊，用于獲得所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速;所述的轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊在本實(shí)施例可以采用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器或磁性編碼器等位置傳感器檢測(cè)所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ，再通過對(duì)所述的位置信號(hào)Θ進(jìn)行微分或差分運(yùn)算獲得所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速所述的轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊·也可以用無傳感器控制算法觀測(cè)所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速0^。接入直流濾波裝置直流輸出端的直流電壓檢測(cè)模塊和直流電流檢測(cè)模塊，用于獲得直流輸出端的直流電壓Udc和直流電流Id。；接入發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓檢測(cè)模塊和交流電流檢測(cè)模塊，用于獲得交流輸出端的交流電壓Uac和交流電流；在本實(shí)施例，可以采用霍爾效應(yīng)電壓傳感器或其他原理的電壓傳感器和霍爾效應(yīng)電流傳感器或其他原理的電流傳感器分別檢測(cè)直流電壓Udc與交流電壓Ua。、直流電流Id。與交流電流；也可以分別使用采樣電阻檢測(cè)直流電壓Udc與交流電壓Ua。、直流電流Id。與交流電流。坐標(biāo)變換模塊，用于根據(jù)所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ將上述交流電流檢測(cè)模塊輸出的交流電流轉(zhuǎn)換為交軸(亦稱q軸)電流Iq以及直軸(亦稱d軸)電流Id ；第一調(diào)節(jié)器，用于接收所述直流電壓Udc和所述直流電流Id。并根據(jù)預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Udc*產(chǎn)生發(fā)電機(jī)交流輸出端的交軸電流給定值I:;在本實(shí)施例，所述的第一調(diào)節(jié)器可以采用PI或PID等經(jīng)典控制技術(shù)或者模糊邏輯或滑?？刂苹蛏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代控制方法，通過比較所述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)直流輸出端電壓Udc和其標(biāo)準(zhǔn)值U:的差別，當(dāng)直流輸出端電壓Udc小于其標(biāo)準(zhǔn)值Ud:時(shí)增大輸出的交軸電流給定值I/，當(dāng)直流輸出端電壓Udc大于其標(biāo)準(zhǔn)值Ud:時(shí)減小輸出的交軸電流給定值It;，直至直流輸出端電壓Ud。和其標(biāo)準(zhǔn)值Udc*—致，從而實(shí)現(xiàn)所述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的直流輸出端穩(wěn)壓；其中，直流負(fù)載(由直流電流Id。體現(xiàn))的變化、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的變化以及數(shù)學(xué)模型的不精確性等都是此閉環(huán)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)量，可通過閉環(huán)控制來消除影響；第二調(diào)節(jié)器，用于接收上述第一調(diào)節(jié)器輸出的交軸電流給定值I/和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以及所述交流電壓Ua。，并根據(jù)預(yù)設(shè)的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Uac*產(chǎn)生發(fā)電機(jī)交流輸出端的直軸電流給定值I/ ;在本實(shí)施例，第二調(diào)節(jié)器可以采用PI或PID等經(jīng)典控制技術(shù)或者模糊邏輯或滑?？刂苹蛏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代控制方法，通過比較所述發(fā)電機(jī)交流輸出端電壓Uac和其標(biāo)準(zhǔn)值U:的差別，當(dāng)交流輸出端電壓Uac小于其標(biāo)準(zhǔn)值U:時(shí)減小輸出的直軸電流給定值ιΛ當(dāng)交流輸出端電壓ua。大于其標(biāo)準(zhǔn)值Uac*時(shí)增大輸出的直軸電流給定值ιΛ直至交流輸出端電壓Uac和其標(biāo)準(zhǔn)值U: 一致，從而實(shí)現(xiàn)所述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的交流輸出端穩(wěn)壓；其中，所述的交軸電流給定值ΙΛ所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ωρ發(fā)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的變化以及數(shù)學(xué)模型的不精確性等都是此閉環(huán)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)量，可通過閉環(huán)控制來消除影響；電流限幅模塊，一般包括計(jì)算器以及比較器，用于接收所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)值ω/，以及所述交軸電流給定值I:以及直軸電流給定值I/，輸出限幅后的交軸電流給定值ItT以及限幅后的直軸電流給定值I/’ ；在本實(shí)施例，所述的電流限幅模塊具體執(zhí)行圖7所示的流程；PWM發(fā)生模塊，用于分別比較所述的交軸電流I,與其限幅后的給定值I:’以及所述的直軸電流Id與其限幅后的給定值I/’，并根據(jù)所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速發(fā)出控制所述PWM整流器的功率開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的PWM觸發(fā)脈沖；在本實(shí)施例，所述的PWM發(fā)生模塊根據(jù)輸入的直軸電流Id、交軸電流I,、限幅后的直軸電流給 定值I/’、限幅后的交軸電流給定值I:’以及所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ω”可以采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)或正弦脈寬調(diào)制(SPWM)或直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)等技術(shù)產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖。本實(shí)用新型的變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)通過實(shí)施例的實(shí)踐結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖8所示；在實(shí)踐驗(yàn)證中，在16秒鐘時(shí)間內(nèi)，所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速經(jīng)歷了如下過程從25rad/s上升到50rad/s,維持在50rad/s,從50rad/s上升到75rad/s (這是臨界轉(zhuǎn)速ω r*),維持在 75rad/s,從 75rad/s 上升到 100rad/s,維持在 100rad/s,從 IOOrad/s 上升到125rad/s,維持在125rad/s ;所述的永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在小于ω/時(shí)進(jìn)行增磁控制，在大于ω/時(shí)進(jìn)行弱磁控制；在整個(gè)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，交流輸出端的電壓(其幅值大小就是UJ始終穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值Uj,直流輸出端電壓Udc始終穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值Ud:，實(shí)現(xiàn)了雙端口穩(wěn)壓。
權(quán)利要求1.一種變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng),包括永磁交流發(fā)電機(jī)、接入永磁交流發(fā)電機(jī)交流輸出端的PWM整流器以及與所述的PWM整流器相連的直流濾波裝置，其特征在于，還包括用于控制所述的PWM整流器的功率開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的控制器，所述的控制器分別接入所述的永磁交流發(fā)電機(jī)、永磁交流發(fā)電機(jī)交流輸出端以及直流濾波裝置直流輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述的控制器包括用于獲得所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊、接入所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓檢測(cè)模塊和交流電流檢測(cè)模塊以及接入所述的直流濾波裝置直流輸出端的直流電壓檢測(cè)模塊和直流電流檢測(cè)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述的控制器包括用于根據(jù)所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置Θ將上述交流電流檢測(cè)模塊輸出的交流電流進(jìn)行坐標(biāo)變換以將其轉(zhuǎn)換為交軸電流Iq以及直軸電流Id的坐標(biāo)變換模塊、產(chǎn)生交軸電流給定值1/和直軸電流給定值I/的調(diào)節(jié)器組、將交流電流給定值It;和直軸電流給定值I/進(jìn)行限幅控制的電流限幅模塊以及向所述的PWM整流器發(fā)出PWM觸發(fā)脈沖的PWM發(fā)生模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述的PWM發(fā)生模塊與轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊的輸出端以及坐標(biāo)變換模塊的輸出端相接，且通過電流限幅模塊接入調(diào)節(jié)器組的輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述的調(diào)節(jié)器組包括用于接收所述直流濾波裝置直流輸出端的直流電壓Ud。和直流電流Id。并根據(jù)預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值Udc*產(chǎn)生并輸出所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交軸電流給定值I/的第一調(diào)節(jié)器以及用于接收上述第一調(diào)節(jié)器輸出的交軸電流給定值It;和所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以及所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電壓Uac,并根據(jù)預(yù)設(shè)的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)值U:產(chǎn)生并輸出所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的直軸電流給定值I/的第二調(diào)節(jié)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述的電流限幅模塊用于接收所述調(diào)節(jié)器組輸出的所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交軸電流給定值I/和直軸電流給定值ΙΛ以及接收轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊輸出的所述的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)值ω/，輸出限幅后的交軸電流給定值I/’和限幅后的直軸電流給定值id*
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊內(nèi)設(shè)光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器或磁性編碼器等位置傳感器，或直接用無傳感器控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述的交流電壓檢測(cè)模塊和交流電流檢測(cè)模塊分別采用霍爾效應(yīng)電壓傳感器或其他原理的電壓傳感器及霍爾效應(yīng)電流傳感器或其他原理的電流傳感器，或分別使用采樣電阻。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述的直流電壓檢測(cè)模塊和直流電流檢測(cè)模塊分別采用霍爾效應(yīng)電壓傳感器或其他原理的電壓傳感器及霍爾效應(yīng)電流傳感器或其他原理的電流傳感器，或分別使用采樣電阻。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，包括永磁交流發(fā)電機(jī)、接入永磁交流發(fā)電機(jī)交流輸出端的PWM整流器、與所述的PWM整流器相連的直流濾波裝置以及控制所述的PWM整流器的功率開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的控制器；所述的控制器可優(yōu)選包括轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊、直流電壓檢測(cè)模塊和直流電流檢測(cè)模塊、交流電壓檢測(cè)模塊和交流電流檢測(cè)模塊、坐標(biāo)變換模塊、第一調(diào)節(jié)器、第二調(diào)節(jié)器、電流限幅模塊及PWM發(fā)生模塊。本實(shí)用新型在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)維持直流和交流輸出端雙端口穩(wěn)壓，且成本低、可靠性高。
文檔編號(hào)H02P21/12GK202696533SQ20122028750
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者沈建新, 繆冬敏, 汪昱 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)