CN111313779A - 一种电励磁双凸极发电机可控整流最小铜损控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电励磁双凸极发电机可控整流最小铜损控制方法，涉及电气控制领域。本发明能够快速获得可控整流器最佳控制参数，实现铜损在励磁绕组与电枢绕组之间合理分配，进而达到电机总铜损最小的控制目标。本发明包括：维持母线电压的前提下改变电励磁双凸极发电机可控整流器角度位置控制的关断角；记录不同工况下、不同关断角下电励磁双凸极发电机各个绕组电流情况，并计算发电机铜损；结合获得的铜损数据利用极限学习机建立电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型；结合所述可控整流铜损极限学习机模型，获得不同工况下铜损最小时的可控整流器关断角；结合所述关断角实现在不同工况下的铜损最小控制。本发明适用于像航空发电***这样对效率有严格要求的应用场合。

Description

一种电励磁双凸极发电机可控整流最小铜损控制方法

技术领域

本发明涉及电气控制领域，尤其涉及一种电励磁双凸极发电机可控整流最小铜损控制方法。

背景技术

电励磁双凸极发电机是一种定子励磁型发电机。除电枢绕组以外，在定子上还设有单独的励磁绕组提供励磁磁场。通过调节励磁电流，即可以实现对发电机内部磁场的调节。电励磁双凸极发电机结构简单可靠，因此特别适用于飞机发电机等应用场合。

发电机是航空供电***的核心部件。航空发电机的效率直接影响到整个飞机电气***的效率。提升航空发电机效率，降低航空发电机损耗是实现飞机效率提升，减少燃油消耗和污染排放的重要方法。

电励磁双凸极发电机的可控整流是提升电励磁双凸极发电***输出电压和输出功率的重要技术手段。现有的控制方法中采用较多的是角度位置控制方法，该方法中预设一个关断角度β。电机在整个运行区间，采用同一个预设的关断角度β。采用可控整流角度位置控制方法可以提升电励磁双凸极发电机的输出电压和输出功率。

然而目前对于关断角的选取存在着随意性，关断角无法始终保持电励磁双凸极发电机工作在最优状态。采用不同的关断角会影响电励磁双凸极发电机的特性，从而导致励磁电流和电枢电流的改变，进一步会影响到发电机的铜损。采用不同的关断角会导致电励磁双凸极发电机铜损的改变。但如何关断角的选取问题仍未得到合理有效地解决。

现有技术中，针对电励磁双凸极发电机可控整流的控制方法，存在着关断角选取随意，电机铜损未能获得最大程度优化等缺点。缺少一种方法可以使电励磁双凸极发电机在全工况范围内都处于铜损最优化的状态。

发明内容

本发明提供一种电励磁双凸极发电机可控整流最小铜损控制方法，能够快速地对电励磁双凸极发电机的铜损进行建模，获得铜损最优控制参数，实现发电机在全工况范围内铜损最小。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电励磁双凸极发电机可控整流最小铜损控制方法，包括：

S1、保持母线电压为额定电压，保持工况不变，改变电励磁双凸极发电机可控整流角度位置控制中的关断角，测量该工况下不同关断角对应的励磁电流和电枢电流；

S2、利用所述励磁电流和电枢电流，结合励磁绕组内阻、电枢绕组内阻计算电励磁双凸极发电机铜损，获得该工况下的可控整流关断角与铜损的关系；

S3、改变工况，重复S1、S2，获得不同工况下电励磁双凸极发电机可控整流关断角与铜损的关系；

S4、利用所述不同工况下电励磁双凸极发电机可控整流关断角与铜损的关系，利用极限学习机建立电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型；

S5、利用所述电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型，获得运行全工况下铜损最小时的关断角；

S6、利用所述全工况下铜损最小时对应的关断角，根据电励磁双凸极发电机的实际运行工况即可选取该工况下铜损最小时的可控整流器相应的关断角进行控制，即可实现铜损最小控制。

进一步地，步骤S1中，所述保持工况不变，指保持电励磁双凸极发电机的转速和负载不变。

进一步地，步骤S1中，所述改变电励磁双凸极发电机可控整流角度位置控制中的关断角，指关断角在0°~70°范围内，每隔5°取一个采样点。

进一步地，步骤S3中，所述改变工况，包括转速不变情况下，负载在额定功率范围内等间隔取10个或以上的采样点。

进一步地，步骤S3中，所述改变工况，包括负载不变情况下，转速在额定转速范围内取5个或以上的采样点。

进一步地，步骤S4中,所述极限学习机的学习训练方法，包括：

S41、将所述转速、负载和可控整流器关断角作为所述极限学习机的自变量，将所述铜损作为所述极限学习机的因变量进行训练；

S42、在所述极限学习机训练完毕之后，输入所述转速、负载和可控整流器关断角，得到所述极限学习机回归得到的铜损，即得到所述电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型。

进一步地，步骤S4中，所述转速、负载和可控整流器关断角为极限学习机的自变量，所述铜损为极限学习机的因变量。

进一步地，步骤S5中，利用极限学习机获得的铜损模型获得全工况下铜损最小时对应的可控整流器关断角。

进一步地，适用上述方法的***主要包括：电励磁双凸极发电机A1、发电机控制器A2、用于检测直流输出电压u _DC 的输出电压传感器A4、用于检测直流输出电流i _DC 的输出电流传感器A5、负载A6、用于检测励磁电流i _f 的励磁电流传感器A7、用于检测转子位置角θ的旋变A8，及可控整流器A9。

本发明包括维持母线电压的前提下改变电励磁双凸极发电机可控整流器角度位置控制的关断角；记录不同工况下、不同关断角下电励磁双凸极发电机各个绕组电流情况，并计算发电机铜损；结合获得的铜损数据利用极限学习机建立电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型；结合所述可控整流铜损极限学习机模型，获得不同工况下铜损最小时的可控整流器关断角；结合所述关断角实现在不同工况下的铜损最小控制。本发明适用于像航空发电***这样对效率有严格要求的应用场合。

本发明的有益效果如下：

本发明利用电励磁双凸极可控整流发电***固有的控制器与传感器，采集电励磁双凸极发电机在不同工况下不同关断角时的绕组电流，通过计算铜损获得不同工况下不同关断角对应的铜损信息。通过极限学习机可以实现对铜损的快速建模，在较少实验结果的情况下快速获取全工况范围内的铜损分布情况，能够有助于快速获得全工况下的铜损最小点与关断角的对应关系，大大减小计算量。从而通过控制可控整流关断角，能够实现电励磁双凸极发电机在全工况范围内均可处于铜损最小的运行情况，实现了对发电机铜损的抑制和效率的提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1-1是电励磁双凸极发电机的立体图；

图1-2是电励磁双凸极发电机的剖面图；

图2是一种电励磁双凸极发电机可控整流最小铜损控制方法控制框图；（也作摘要附图）

图2中的参数if为励磁电流，在本例中的额定范围为0-6A；Udc为母线电压，在本例中的范围为250-330V；idc为母线电流，在本例中的范围为0-33A；d为励磁驱动占空比，范围为0-1；β位可控整流角度位置控制中的关断角，范围为0-120°。

图3是电励磁双凸极发电机4000转/分钟下不同负载不同关断角对应的铜损情况；

图4是电励磁双凸极发电机铜损极限学习机建模的原理架构图；

图5是电励磁双凸极发电机铜损最小控制方法中铜损最小对应的关断角；

图6是电励磁双凸极发电机采用铜损最小控制方法后与不控整流***相比铜损优化百分比。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本发明实施例提供一种电励磁双凸极发电机可控整流最小铜损控制方法。其中，电励磁双凸极发电机的结构如图1-1和图1-2所示，包括转子B1和定子铁芯B2。定子上安装有励磁绕组B3和电枢绕组B4。发电机的励磁磁场由励磁绕组B3提供，改变励磁绕组B3中的励磁电流就可以调节发电机内部的励磁次创。

运行本实施例的控制***如图2所示，该***主要由电励磁双凸极发电机A1、发电机控制器A2（包含励磁控制器A3）、用于检测直流输出电压u _DC 的输出电压传感器A4、用于检测直流输出电流i _DC 的输出电流传感器A5、负载A6、用于检测励磁电流i _f 的励磁电流传感器A7、用于检测转子位置角θ的旋变A8、可控整流器A9、最小铜损控制方法A10等部分组成。发电机控制器A2中采用了输出电压外环，励磁电流内环的控制方式。输出电压外环通过PI控制器根据反馈的直流输出电压u_DC和输出电压的参考值u_ref计算得到励磁电流的参考值I_fref。励磁电流内环通过PID控制器计算得到励磁控制器A3的占空比d。通过转速传感器和母线电流传感器，可以获得电励磁双凸极发电机工作的转速和负载信息。根据电励磁双凸极发电机的转速和负载，选取不同工况下使电励磁双凸极发电机铜损对应关断角数据，对电励磁双凸极发电机的进行最小铜损控制。

本发明电励磁双凸极发电机可控整流最小铜损控制方法，包括：

电励磁双凸极发电机电枢绕组连接至三相全桥可控整流器，励磁绕组连接至发电机控制器。通过发电机控制器实现对母线电压的控制，保持母线电压为额定电压。

S1、保持电励磁双凸极发电机工作在某一工况下，即转速不变，保持负载不变，间隔式改变电励磁双凸极发电机可控整流角度位置控制中的关断角，测量不同关断角下对应的励磁电流和电枢电流。对关断角的选取，应当在整个运行范围内均匀间隔地选取尽可能多的点。本例中的关断角选取范围内为0°~70°，变换间隔为5°。记录电励磁双凸极发电机在该转速和负载下，关断角、励磁电流和电枢电流数据；

S2、利用所述励磁电流和电枢电流，结合励磁绕组内阻、电枢绕组内阻计算电励磁双凸极发电机铜损，记录电励磁双凸极发电机在该转速和负载下，关断角和铜损对应数据，获得该工况下的可控整流关断角与铜损的对应关系。铜损的计算方法为：

P _Cu =i _{A_RMS} *i _{A_RMS} *r _A +i _{B_RMS} *i _{B_RMS} *r _B +i _{C_RMS} *i _{C_RMS} *r _C +i _{f_RMS} *i _{f_RMS} *r _f

式中，P _Cu 为电励磁双凸极发电机的铜损，i _{A_RMS} ，i _{B_RMS} ，i _{C_RMS} 和i _{f_RMS} 分别为所述S1中检测到的电枢电流i _A 、i _B 、i _C 和励磁电流i _f 的有效值，r _A ，r _B ，r _C 和r _f 分别为电枢绕组和励磁绕组的内阻；

S3、改变所述电励磁双凸极发电机的转速或负载，重复S1、S2，获得不同工况下，即相同转速不同负载和不同转速相同负载下电励磁双凸极发电机可控整流关断角与铜损的对应数据。对于转速和负载的选取，应当在整个运行范围内均匀间隔地选取尽可能多的点。在本例中，负载变换范围采用0kW~10kW，变换间隔1kW；转速范围采用4000r/min~8000r/min，变换间隔1000r/min。记录电励磁双凸极发电机的转速、负载、关断角和铜损数据；

S4、利用所述不同工况下电励磁双凸极发电机可控整流关断角与铜损的对应数据，利用极限学习机建立电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型。将不同工况范围下的电励磁双凸极发电机的转速、负载、关断角和铜损数据进行归一化，以转速、负载和关断角为自变量，以铜损为因变量，训练极限学习机。通过对极限学习机的训练和测试，获得电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型。利用该模型，电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型的自变量为转速、负载和关断角，因变量为电励磁双凸极发电机的铜损；

S5、利用所述电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型，在任一工况下输入不同的关断角，即可以获得相应条件下的铜损数据。通过不同关断角对应铜损数据的对比，可以找出该工况下铜损最小情况下对应的关断角。进而获得全工况下使电励磁双凸极发电机铜损最小的关断角数据；该全工况指在运行边界条件下的各种工次，即额定功率范围+额定转速范围内的各种工况。

S6、利用所述全工况下铜损最小时的关断角，根据电励磁双凸极发电机的实际运行工况选取可控整流器相应的关断角，实现铜损最小控制。

进一步的，所述不同工况包括了影响电励磁双凸极发电机工作状态的主要外在变量，即转速和负载。在不同的转速和/或负载下，电励磁双凸极发电机的工作状态不同，因此需要根据不同的工况确定相应的控制参数。

进一步的，本发明中极限学习机的学习训练方法，包括：

S41、将所述转速、负载和可控整流器关断角作为所述极限学习机的输入参数，将所述铜损作为所述极限学习机的输出参数进行训练；

S12、在所述极限学习机训练完毕之后，输入所述转速、负载和可控整流器关断角，得到所述极限学习机回归得到的铜损，即得到所述电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型。

进一步的，通过改变所述电励磁双凸极发电机可控整流器的关断角，实现对电励磁双凸极发电机铜损的最小化控制。

进一步的，在所述S5中，利用极限学习机获得的铜损模型获得不同工况下铜损最小时对应的可控整流器关断角。

进一步的，在所述S4中，所述转速、负载和可控整流器关断角为极限学习机的自变量，所述铜损为极限学习机的因变量。

测试实例：

基于实施例一的进一步测试情况如下：

图3是利用所述S1和S2中的电励磁双凸极发电机电流测量和铜损计算方法所得到的部分铜损数据。图中为额定功率为9kW，额定电压为270V的电励磁双凸极发电机在4000转/分钟下的铜损情况。图中，关断角在0~70°之间，以5°间隔取样；功率在1~10kW之间，以1kW间隔取样。获得铜损分布在0~350W之间。

图4是电励磁双凸极发电机铜损极限学习机建模的原理架构图。将所述转速、负载和可控整流器关断角作为所述极限学习机的输入参数，将所述铜损作为所述极限学习机的输出参数进行训练。在所述极限学习机训练完毕之后，输入所述转速、负载和可控整流器关断角，得到所述极限学习机回归得到的铜损，即得到所述电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型。

图5是电励磁双凸极发电机铜损最小控制方法中铜损最小对应的关断角。利用所述电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型，可以找到全工况下任一工况铜损为最小值的工作点所对应的关断角。通过寻找全工况下任一工况铜损最小对应的关断角，可以获得相应的控制角度，用于可控整流最小铜损控制。对于本例中270V 9kW电励磁双凸极发电机而言，在0~10kW负载范围内，4000~8000r/min转速范围内，铜损取最小值的关断角在0°~30°之间。

图6是电励磁双凸极发电机采用铜损最小控制方法后与不控整流***相比铜损优化百分比。以不控整流情况下的铜损作为100%，可以看出，所述电励磁双凸极发电机可控整流最小铜损控制方法可以实现对铜损的大幅度优化，实现铜损最小控制。采用本方法，最多可以减少70%以上的铜损（1kW负载，4000r/min工况下）。

综上，本发明的有益效果在于：

（1）本发明的铜损建模方法直接对转速、负载、关断角、电枢电流和励磁电流进行检测，无需增设特殊装置，由于检测***利用了发电***中原有的传感器，因此使得结构简单、成本低廉；

（2）本发明所述的建模方法学习过程无需测量大量铜损数据，工作量小，建立的铜损模型预测精度高，泛化性好，适用于电励磁双凸极发电机铜损最小控制寻优；

（3）本发明的控制方法改变了以往关断角选取随意的缺点。利用全工况下的关断角，实现铜损的最小化控制。本发明的控制方法降低了电励磁双凸极发电机的损耗，提升了发电***的工作效率。

（4）本发明所述的建模方法易于集成在电励磁双凸极发电机***中，实现对电励磁双凸极发电机在线铜损测量和寻优，同时能够实现全生命周期的测量、学习和建模，充分适应发电机***参数的变化，能够始终保持铜损的最小控制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种电励磁双凸极发电机可控整流最小铜损控制方法，其特征在于，包括：

S1、保持母线电压为额定电压，保持工况不变，改变电励磁双凸极发电机可控整流角度位置控制中的关断角，测量该工况下不同关断角对应的励磁电流和电枢电流；

S2、利用所述励磁电流和电枢电流，结合励磁绕组内阻、电枢绕组内阻计算电励磁双凸极发电机铜损，获得该工况下的可控整流关断角与铜损的关系；

S3、改变工况，重复S1、S2，获得不同工况下电励磁双凸极发电机可控整流关断角与铜损的关系；

S4、利用所述不同工况下电励磁双凸极发电机可控整流关断角与铜损的关系，利用极限学习机建立电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型；

S5、利用所述电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型，获得运行全工况下铜损最小时的关断角；

S6、利用所述全工况下铜损最小时对应的关断角，根据电励磁双凸极发电机的实际运行工况即可选取该工况下铜损最小时的可控整流器相应的关断角进行控制，即可实现铜损最小控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述保持工况不变，指保持电励磁双凸极发电机的转速和负载不变。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述改变电励磁双凸极发电机可控整流角度位置控制中的关断角，指关断角在0°~70°范围内，每隔5°取一个采样点。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述改变工况，包括转速不变情况下，负载在额定功率范围内等间隔取10个或以上的采样点。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述改变工况，包括负载不变情况下，转速在额定转速范围内取5个或以上的采样点。

6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，步骤S4中,所述极限学习机的学习训练方法，包括：

S41、将所述转速、负载和可控整流器关断角作为所述极限学习机的自变量，将所述铜损作为所述极限学习机的因变量进行训练；

S42、在所述极限学习机训练完毕之后，输入所述转速、负载和可控整流器关断角，得到所述极限学习机回归得到的铜损，即得到所述电励磁双凸极发电机可控整流铜损模型。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述转速、负载和可控整流器关断角为极限学习机的自变量，所述铜损为极限学习机的因变量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S5中，利用极限学习机获得的铜损模型获得全工况下铜损最小时对应的可控整流器关断角。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，适用上述方法的***主要包括：电励磁双凸极发电机A1、发电机控制器A2、用于检测直流输出电压u _DC 的输出电压传感器A4、用于检测直流输出电流i _DC 的输出电流传感器A5、负载A6、用于检测励磁电流i _f 的励磁电流传感器A7、用于检测转子位置角θ的旋变A8，及可控整流器A9。

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