CPPM混合励磁同步电动机的基本原理与特性
CPPM混合励磁同步电动机的基本原理与特性

CPPM混合励磁同步电动机的基本原理与特性TAKAYUKI MIZUNO, KAZUTOSHI NAGAY AMA,TADASHI ASHIKAGA and TADAO KOBAY ASHI日本明电舍公司(MEIDENSHA CORP.)摘要永磁同步电动机在工业上得到了广泛应用。
众所周知,由于不需要励磁输入,电机运行效率高。
然而,由永磁材料特性决定的磁通大致保持恒定,导致永磁电机的气隙磁场难以调节。
另一方面,电励磁同步电动机的气隙磁场容易调节,但在额定负载时励磁铜耗较大。
为使磁通易于控制并改善传统同步电机的性能,作者提出了一种带永磁体和励磁绕组的混合励磁同步电动机(HSY),HSY的主要优点有:①无刷(免维护),②所需的励磁容量很小(高效率),③容易实现较强的磁场控制等。
正因如此,混合励磁同步电动机在不同领域都有良好的应用前景。
本文主要讨论和分析混合励磁同步电动机的基本原理与特性。
SUMMARY Permanent magnet type synchronous machines have been widely used for industrialapplications. It is commonly known that they are operated at high efficiency since no excitationinput is required. However, it is difficult to control the air-gap magnetic flux, because themagnetic flux is determined by the property of the permanent magnet and approximately keptconstant. On the other hand, synchronous machines with the field winding make it easy to controlthe air-gap magnetic flux. But the copper loss of the field winding becomes large at the ratedload.In order to realize the magnetic flux control easily and improve the performance of the conventional synchronous machine, we propose a hybrid excitation type synchronous machine(HSY) with the permanent magnets and the field winding. Advantages of HSY are (1) it has nobrushes (maintenance free), (2) required excitation input is small (high efficiency), (3) it is easyto get a sufficient magnetic flux control, and others. Therefore, HSY has a great possibility of usefor various applications.In this paper, basic principles and characteristics of HSY are mainly discussed and made clear.关键词同步电机,永磁,励磁绕组,混合励磁,磁场控制,有限元方法Keywords: Synchronous machine; permanent magnet; field winding; hybrid excitation; fieldcontrol; finite element method.1.引言与其它旋转电机相比,永磁同步电动机(PMSY)的特点是无刷设计,并且不需要电励磁,可以实现高效率。
电力系统自动化第6讲 同步发电机励磁控制系统及特性分析(4)解读

电力系统分析用励磁传递函数——IEEE AC7B
IEEE AC7B —— 自励式交流励磁机系统+ 微机式调节器
2019/1/15
North China Electric Power University
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电力系统分析用励磁传递函数——IEEE AC8B
IEEE AC8B ——具有副励磁机或自励式交 流励磁机系统+微机式调节器
2019/1/15
忽略高次项, 得到简化模型
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North China Electric Power University
3 发电机的传递函数
•主要研究发电机空载时的励磁控制系统的性能,可以对发电 机模型进行简化。 •可以认为,发电机端电压的稳态幅值与其转子励磁电压成正 比。主要因为:在运行区域内,发电机端电压变化不大,可 以不考虑其饱和特性。 •发电机的动态响应可以用一阶惯性环节来描述
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2019/1/15
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North China Electric Power University
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2 励磁调节器的传递函数——测量比较单元
电压测量比较单元主要由测量变压器、整流滤波器、 测量比较电路所组成。 整流滤波器会有延时 测量变压器、测量比较电路可以忽略延时 测量比较单元的传递函数
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混合励磁电机技术

背景
随着新型稀土永磁材料钦铁硼(NdFeB)性价比的不断提高,永磁无刷直流(BLDG)电机和永磁同步(PMSM) 电机等稀土永磁电机,以其体积小、效率高、动态响应特性好等优点在越来越多的工业驭动和伺服控制领域得到 广泛应用。但由于永磁材料的固有特性,永磁电机内气隙磁场基木保持恒定,用作电动运行时,调速范围有限, 在诸如航空航大、电动汽车等需宽调速直接驭动场合的应用受到一定的限制;作发电运行时,电压调整率较大, 影响供电质量。如何实现气隙磁场的有效调节与控制一直是永磁电机研究的热点和难点。合理改变永磁电机结构, 引入辅助电励磁绕组,实现气隙磁场灵活调节的“混合励磁”思想的提出,得到国内外电机界学者的认可与,同 时各国学者对各种混合励磁电机结构及其控制系统进行了有益的探索与研究。近十年来,在权威期刊和国际会议 上,不时有与混合励磁电机相关的文章出现降。美国威斯康星大学著名电机专家教授在混合励磁电机技术方而已 经进行了卓有成效的研究,并有多项涉及混合励磁电机及其应用的专利公布。此外,国外某些驭动系统公司还推 出了相关的混合励磁电机产品,目前,美国TIMKEN公司研发的盘式车轮转子磁极分割型混合励磁电机驭动系统已 在电动汽车驭动领域获得初步应用 。
感谢观看
图1混介励磁电动机变速驱动系统结构框图混合励磁电机控制的关键在于通过电枢电流与励磁电流适当地协调 控制,满足不同变速驭动系统特定的性能指标。
图1为混合励磁电机变速3动系统典型控制原理框图。由于可控电励磁电流变量的引入,系统需要增加额外的 励磁电流分配控制器和励磁电流控制器对励磁电流进行调节与控制,虽然控制手段更加灵活,但也增加了控制系 统的复杂性。
控制技术应用与分析
法国学者Y.
发展趋势Biblioteka 总体而言,由于我国在混合励磁电机方面的研究起步较晚,同时,受到国内材料、加工制造技术落后等不利 因素的影响,我国在混合励磁电机方面的研究,力度不够,水平不高,尚无成熟产品。
混合励磁同步电机及其控制技术

图 4 PM 计算结果
3 试验结论 由上述试验结果可以看出,称重室的湿度范围变小,
将导致不同时间段的颗粒采集滤纸的称重结果差值大,波 动范围超过 80%,最终影响 PM 的计算结果。
滤纸称重过程中,称重数值一直下降的可能原因是称 重室的相对湿度小,而颗粒采集后的滤纸由于含有排气中 的水分,大于称重室湿度,导致颗粒采集后的滤纸上面水 分不断蒸发,无法得到稳定的测量值。
3 并联磁势混合励磁同步电机结构分析 电子定子组成包括:定子铁心、定子绕组、定子背轭。 其中,定子铁心被直流环形励磁绕组分为 N 极侧铁心与 S 极侧铁心,定子背轭将 N 极与 S 极在机械上与磁场上 连接。此外,电机转子也可以划分为 N 极永磁体与铁心 交叉排布与 S 极永磁体与铁心极交叉排布。两部分间的 永磁体交错,在磁极和转轴中存在转子背轭,使各级与磁 场关联。 因为电机中分为励磁电流与永磁体,进而磁场也有两 个且磁路不同。根据励磁电力产生的磁场路径分析可以看 出气隙磁场为两个磁源产生的合成磁场。把转子磁极呈平 面展开,轴向磁场扩大因为相同一侧的铁心极与永磁体磁 场方向一致,气隙中变换能量的周向磁场降低,达到弱磁 效果。反之,当磁场降低后会产生能量改变进而增强磁场 效果。由此可知,借助励磁电流能够对永磁中的气隙磁场 控制。曾有人对该电机展开研究分析,把 CPPM 混合励磁 同步电机划分为径向磁场与轴向磁场。不同绕组结构参数 相同,在空间上有 120毅相位差的三相绕组较为三相对称 绕组。当定子被环直流励磁绕组时,转为划分为 N 极与 S 极 ,不 同 极 端 与 永 磁 、铁 芯 连 接 ,不 同 磁 势 源 磁 路 没 有 联 系,呈并联磁路形成主磁场。此外,也有人对轴向磁场 CPPM 混 合 励 磁 同 步 电 机 拓 扑 结 构 进 行 研 究 , 分 为 KAMAN 结构与单定子、TORUS 结构。这种类型电机运行 原理和径向磁路 CPPM 混合励磁同步电机相近,结构较 短,工艺技术制作难度较大。国外也有学者提出组合转子 混合励磁电机,电机应用普通交流电机定子,转子分为 ALA 转子与表贴式永磁转子。 此外,我国也有一些学者对并联磁势混合励磁同步电 机展开研究,例如:混合励磁无爪极电动机,有效提升了发 电机功率密度。同时,负载波动条件下输出的电压较为稳 定。混合励磁状态为转子、定期同步,不同磁路转子磁路呈 独立状态。根据组成划分种类,后面就写永磁、电励磁(凸 极、赫尔)等,永磁与励磁绕组全部于定子中,转子结构较 为单一。励磁与永磁处于一定模式下达到对 DSPN 电机的 弱磁 控制 。HESM 组成 元 素较 多,根 据电 磁 关系 分 析 HESM 增加了可控制电流的励磁绕组,dp0 坐标系统依然 适合应用。因为定子坐标中的 HESM 公式是和转子瞬时 位置连接的非线性微分公式,不过只能用在与转子保持相 同转速的 dp0 坐标轴系统的改变微分公式的非线性联系。 把电机中心点应用于不同相电流方向依据,磁链和电流方 向也应满足相关概念要求。永磁产生的主磁选择 d 轴正 向,q 轴超前 d 轴正方向 90毅电角度。 4 混合励磁同步电机控制技术分析 HESM 控制作用集中于几点:第一,处于标准运行内 的非电流会出现较大扭矩。第二,弱磁处于恒功率条件下 的电机运行将超出标准转速要求。对此,如何根据荷载状 态将增磁、永磁、弱磁实现有效接入、怎样找到适合运行状
混合励磁永磁同步电机的结构原理与控制方案分析

可知 , 电机在转速低于 Xm ax 时, 混合磁链保持恒定, 当转速大于等于 Xm ax 时, 混合磁链迅速降低, 然后随 着速度的升高逐渐增大 , 最后保持一个稳定的状态, 实现了弱磁升速控制。 参考文献
2 2
( 9)
将式 ( 2)、 式 ( 8) 和式 ( 9)转化为标么值系统, 则 各方程可以如图 6 所示 :
励磁永磁电机内的气隙磁场。 3 混合励磁永磁同步电机的运行分析 与普通永磁永磁同步电机相类似 , 建立混合励 磁永磁同步电机在 d - q 轴坐标系下的电压方程: ud uq = R d + pLd XL d - XL q Rq + p Lq id iq + XWf 0 1 ( 1) T = p [ Wf iq + (L d - L q ) id iq ] ( 2) 其中: ud、 uq 为直、 交轴电压, id、iq 为直、 交轴电流 , L d、 L q 为直、 交轴自感 , R d、 R q 为直、 交轴电阻 , X 为 电源角频率 , p 为电机极对数, Wf 为混合磁链, W f= + + k f I f, + 为永磁体建立的磁场 , k f 为励磁系数。因 此 W f 可以用直流励磁电流的函数 W f = F ( I f ) 来表 示, 控制直流励磁电流 I f 即可控制磁链 Wf。 在稳态情况下 , 假设直、 交轴绕组 电阻相等 为 R, 定子电压方程变为: ud uq = R XL d - XL q R
* *
微 特电机
2006年第 6 期
最高转速。圆心向右平移, 即减小 W f /L d 的值 , 也 就是减小混合磁链的值。 从以上分析可知 , 通过控制励磁绕组的电流, 减 小电机气隙内的混合磁场, 即可提高电机的稳态运 行转速。 4 混合励磁永磁同步电机控制仿真与分析 根据上面的分析结果, 按照混合励磁永磁同步 电机的 电压方 程和转 矩方 程建立 电机 模型 , 利 用 M atlab 工具箱中的系统模型库, 设计转速控制系统 的仿真模型 , 在 S i m ulink 下进行仿真 , 控制系统如图 8所示, 系统的内部有电流控制环, 实现电流的快速 跟踪控制, 外部为转速环。励磁电流的控制为 : 假设 在没有励磁电流的情况下, 逆变器饱和时电机所能 达到的转速为 Xm ax , 则当电机转速小于 Xm ax 时, 磁场 控制器保持输出零, 从而励磁电流控制器保持励磁 电流的输出为零 ; 当电机转速达到 Xm ax 时, 励磁电流 控制器根据磁场控制器的输出来调节励磁电流 , 改 变电机的磁链的幅值 , 实现电机磁场的控制, 扩大电 机的转速运行范围。
同步电动机及励磁

励磁系统的分类与特点
分类
励磁系统有多种分类方式,如按照调节方式可分为模拟式和数字式;按照控制对 象可分为电压控制式和电流控制式;按照结构可分为旋转式和静止式。
特点
不同类型的励磁系统具有不同的特点和应用范围。例如,模拟式励磁系统具有结 构简单、可靠性高的优点,但调节精度和响应速度相对较低;数字式励磁系统具 有调节精度高、响应速度快、控制灵活等优点,但结构复杂、成本较高。
交通运输
新能源
在交通运输领域,励磁控制技术用于控制 电气机车、地铁和动车的牵引电机,提高 运行效率和安全性。
在风力发电和光伏发电等新能源领域,励 磁控制技术用于控制发电机输出电压和频 率,确保并网运行的稳定性和可靠性。
励磁控制技术的未来发展趋势
数字化和智能化
定制化和模块化
随着数字化和智能化技术的不断发展, 励磁控制器将更加集成化和智能化, 能够实现更加精准和快速的控制效果。
03
同步电动机励磁控制技术
励磁控制技术的发展历程
01
初始阶段
励磁控制技术最初采用手动调节方式,通过改变励磁电流来控制同步电
动机的输出。
02
发展阶段
随着电力电子技术和控制理论的进步,出现了自动励磁调节器,能够根
据系统运行状态自动调整励磁电流,提高了励磁控制的精度和稳定性。
03
智能化阶段
近年来,随着人工智能和大数据技术的应用,励磁控制技术逐渐向智能
同步电动机及励磁
目录
• 同步电动机概述 • 同步电动机励磁系统 • 同步电动机励磁控制技术 • 同步电动机及励磁系统的维护与故障处理 • 同步电动机及励磁系统的节能与环保
01
同步电动机概述
同步电动机的定义与工作原理
同步发电机励磁系统原理

同步发电机励磁系统原理定义:励磁装置是指同步发电机的励磁系统中除励磁电源以外的对励磁电流能起控制和调节作用的电气调控装置。
励磁系统是电站设备中不可缺少的部分。
励磁系统包括励磁电源和励磁装置,其中励磁电源的主体是励磁机或励磁变压器;励磁装置则根据不同的规格、型号和使用要求,分别由调节屏、控制屏、灭磁屏和整流屏几部分组合而成。
励磁装置的使用,是当电力系统正常工作的情况下,维持同步发电机机端电压于一给定的水平上,同时,还具有强行增磁、减磁和灭磁功能。
对于采用励磁变压器作为励磁电源的还具有整流功能。
励磁装置可以单独提供,亦可作为发电设备配套供应。
励磁系统的主要作用有:1)根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流,以维持机端电压为给定值;2)控制并列运行各发电机间无功功率分配;3)提高发电机并列运行的静态稳定性;4)提高发电机并列运行的暂态稳定性;5)在发电机内部出现故障时,进行灭磁,以减小故障损失程度;6)根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。
原理:利用导线切割磁力线感应出电势的电磁感应原理,将原动机的机械能变为电能输出。
同步发电机由定子和转子两部分组成。
定子是发出电力的电枢,转子是磁极。
定子由电枢铁芯,均匀排放的三相绕组及机座和端盖等组成。
转子通常为隐极式,由励磁绕组、铁芯和轴、护环、中心环等组成。
汽轮发电机的极数多为两极的,也有四极的。
转子的励磁绕组通入直流电流,产生接近于正弦分布磁场(称为转子磁场),其有效励磁磁通与静止的电枢绕组相交链。
转子旋转时,转子磁场随同一起旋转、每转一周,磁力线顺序切割定子的每相绕组,在三相定子绕组内感应出三相交流电势。
发电机带对称负载运行时,三相电枢电流合成产生一个同步转速的旋转磁场。
定子磁场和转子磁场相互作用,会产生制动转矩。
从汽轮机输入的机械转矩克服制动转矩而作功。
发电机可发出有功功率和无功功率。
所以,调整有功功率就得调节汽机的进汽量。
转子磁场的强弱直接影响定子绕组的电压,所以,调发电机端电压或调发电机的无功功率必须调节转子电流。
同步电机运行的基本原理

1.同步电机激磁空载运行特性
同步电机空载起动时,电枢电流 is 0 ,激磁电流与电机感应电势关系同直
流电机相似,电机磁化曲线
i f 磁势 H
Ea
E 磁密 B
Ea f (i f )
符合 B f (H ) 曲线关系。
if 2. 对称负载的电枢反应
磁势向量图
电流i 磁势F
◇ 激磁磁势与电枢磁势正交
◇
力矩
Tm
ia
当
ia
,分别控制,不受影响
◇
电枢反应
F
Fa Ff
电枢电流产生磁势 Fa 使 F 歪扭,影响 幅值(磁密不均匀,饱和去磁)。
◇ 消除电枢反应的方法→加装补偿绕组
ia
激磁
ic
补偿
ia
ic
,
Fa
Fc
抵消对电机影响,使 F Ff Fa Fc
F Fd 2 Fq 2
Fa
F
Ff
直流电机电刷顺时针旋转 角,即逆时针旋转一个负角,为助磁 Ff ' Ff Fa sin
2)旋转同步电机 a) 空载
q
Es
,
us
f d
电机旋转 const
空载 is 0
空间磁势为 磁链
F
F
稳态值。此时,
阻尼绕阻由于转子没有了相对位移,不感应电流, iD =0
当阻尼绕阻作用时,δ角缓慢变化, 矢量沿园图 AA’,缓慢从 A1 点移到
A2 点,消除了δ的阶跃震荡。气隙磁链 保持基本稳定。 阻尼绕阻同步电机,邦助磁场响应定控制同步电机实现动态解耦控制——从
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CPPM混合励磁同步电动机的基本原理与特性TAKAYUKI MIZUNO, KAZUTOSHI NAGAY AMA,TADASHI ASHIKAGA and TADAO KOBAY ASHI日本明电舍公司(MEIDENSHA CORP.)摘要永磁同步电动机在工业上得到了广泛应用。
众所周知,由于不需要励磁输入,电机运行效率高。
然而,由永磁材料特性决定的磁通大致保持恒定,导致永磁电机的气隙磁场难以调节。
另一方面,电励磁同步电动机的气隙磁场容易调节,但在额定负载时励磁铜耗较大。
为使磁通易于控制并改善传统同步电机的性能,作者提出了一种带永磁体和励磁绕组的混合励磁同步电动机(HSY),HSY的主要优点有:①无刷(免维护),②所需的励磁容量很小(高效率),③容易实现较强的磁场控制等。
正因如此,混合励磁同步电动机在不同领域都有良好的应用前景。
本文主要讨论和分析混合励磁同步电动机的基本原理与特性。
SUMMARY Permanent magnet type synchronous machines have been widely used for industrialapplications. It is commonly known that they are operated at high efficiency since no excitationinput is required. However, it is difficult to control the air-gap magnetic flux, because themagnetic flux is determined by the property of the permanent magnet and approximately keptconstant. On the other hand, synchronous machines with the field winding make it easy to controlthe air-gap magnetic flux. But the copper loss of the field winding becomes large at the ratedload.In order to realize the magnetic flux control easily and improve the performance of the conventional synchronous machine, we propose a hybrid excitation type synchronous machine(HSY) with the permanent magnets and the field winding. Advantages of HSY are (1) it has nobrushes (maintenance free), (2) required excitation input is small (high efficiency), (3) it is easyto get a sufficient magnetic flux control, and others. Therefore, HSY has a great possibility of usefor various applications.In this paper, basic principles and characteristics of HSY are mainly discussed and made clear.关键词同步电机,永磁,励磁绕组,混合励磁,磁场控制,有限元方法Keywords: Synchronous machine; permanent magnet; field winding; hybrid excitation; fieldcontrol; finite element method.1.引言与其它旋转电机相比,永磁同步电动机(PMSY)的特点是无刷设计,并且不需要电励磁,可以实现高效率。
正因如此,随着稀土永磁材料的出现,永磁同步电动机在工业领域得到了广泛应用,而且容易制造出数十千瓦的PMSY。
然而,PMSY也有明显的缺点。
如前述,由于永磁体特性所决定的电机气隙磁场几乎不变,绕组感应电压随转速变化,这妨碍了作为电动机使用时的恒输出运行,或作为发电机使用时的恒压运行。
对于电动机,可采用具有弱磁控制的嵌入式永磁(flush-magnet)电机实现宽范围的恒输出运行。
然而,若采用高性能的稀土永磁,即使在空载情况下,也需要很大的电枢电流来实现弱磁控制,这意味着电机轻载时的性能会变坏。
此外,由直流电供电的PMSY需要按其额定容量选择晶闸管和逆变器,从而加大了体积。
Permanent magnet synchronous machines (PMSY) feature brushless design, and need no excitation which provides higher efficiency compared to other types of rotating machines. Because of this, PMSY have found a wide industrial application in a variety of fields, and with the advent of rare-earth magnets, PMSY of several tensof kilowatts are easily manufacturable. However, PMSY suffer from a considerable drawback. Since magnetic flux is dictated by the characteristics of the permanent magnet being nearly constant, voltage induced in windings varies with the number of revolutions, which hinders constant-output operation when used as a motor or constant-voltage operation when used as a generator. In case of motors, constant-output operation in a wide range is achieved by using flush-magnet motors with field-weakening control [l,2]. However, when employing high-performance magnets such as rare-earth magnets, large armature current is required for this field-weakening control, even with no load, which means deterioration in performance at light-load operation [3]. Besides, PMSY-based dc power plants [4] require choppers and converters, according to the rated capacity, with a consequent large size.另一方面,通过通入励磁绕组的直流励磁电流,电励磁同步电动机(FWSY)可以容易地控制气隙磁通,于是能解决前述PMSY与磁场相关的控制问题,特别是对于基于电力供电的FWSY,采用小体积、低容量的励磁电源,可以方便地实现电压控制。
然而,对于FWSY,需要额外增加如励磁绕组、电刷和光滑环,这将导致设计上的复杂、励磁损耗带来的效率恶化以及需要维护。
尽管与PMSY不同,然而FWSY也有本身的问题。
On the other hand, field-winding synchronous machines (FWSY) allow for easy control of magnetic flux by means of dc field current flowing through field winding, thus alleviating the aforementioned problems of PMSY related to the field control. Particularly, it is common knowledge that with FWSY-based power plants. V oltage control can easily be performed by a small-size low-capacity exciter. In case of FWSY, however, additional parts are required such as field windings, brushes and slip rings. This results in complicated design, deterioration of efficiency due to magnetic loss, and the need for maintenance. Thus, FWSY have their own problems, even though different from those of PMSY.于是可以说,同步电动机可能的应用范围主要取决于其励磁方案。
也就是说,如果在拟开发的同步电机中结合PMSY和FWSY的优点,同步电动机的应用范围将被极大拓宽。
本文中,我们提出一种带有永磁励磁和直流励磁绕组励磁的混合励磁同步电动机(以下简称为HSY),并从理论和试验两方面讨论它的运行原理、基本特性以及应用。
Therefore, we can say that the possible range of application of synchronous machines depends heavily on excitation schemes, and that use of synchronous machines could be widened significantly if a synchronous machine was developed that combines advantages of permanent magnets and field windings. In this context, we have proposed a hybrid excitation synchronous machine featuring both permanent magnets and dc field windings [5, 6] (below referred to as HSY), and discussed its operating principle and basic characteristics in theoretical and experimental terms, as well as possible applications.首先,本文介绍了带有永磁极和励磁绕组HSY的基本结构、采用直流励磁电流对气隙磁通有效控制以及与其它同步电机相比较的优缺点。