大功率永磁同步双绕组发电机调压控制系统设计

摘要

目前，大功率永磁同步双绕组发电机整流调压的关键是降低输出电压脉动大小。然而气隙磁场是永磁发电机是其重要组成部分，因此控制该磁场是控制永磁发电机的核心。除了在研究设计发电机本体的结构之外，比如采用两套定子的本体等设计进行气隙磁场调节、降低调压率。可通过外部控制电路的设计进行电压调节，无论是是对控制过程中的精确度还是对调压控制输出的结果。本论文将着重分析该控制器的控制原理与数学模型以及根据试验调试结果进行可行性的科学验证。使得该控制器具备运行可靠、高效输出等特点。　　为了将双绕组发电机输出的两套三相对称交流电经由整流器输出得到直流电。需要经过对永磁同步双绕组发电机本体的理论分析并结合坐标变换(Clarke、Park变换)对本体数学模型解耦分解后，得到电机本体在旋转两相坐标系(d-q轴)下的数学模型以便于更直接控制气隙磁场。结合电机本体的数学模型与矢量控制以便于分析调压系统的控制方法。通过利用MATLAB/Simulink软件仿真分析在理论上得到调压控制的数学模型，进一步可验证控制策略的科学合理性。为了验证调压控制系统数学模型的可实践性，需要搭建硬件平台逐一实现硬件上对电流电压转子角度等信号采样、硬件过流过压过温等故障的保护、信号微处理器DSP对控制算法的精准高效地运行并输出PWM信号等。试验平台的搭建是为了检验调压控制器的性能是否合格。故在进行工程项目的试验中，逐一检测大功率永磁同步双绕组发电机整流调压器的性能。比如：过流过压过温等保护试验、过载试验、温升试验、稳态性能测试试验等。验证控制器运行的可靠性、安全性与高效性等优势。　　充分利用32位150MHz数字信号微处理器DSP(TMS280F28335)的ADC采样模块、中断处理、ePWM模块等进行精准采样、高效控制、信号稳定输出。试验调试过程中，由eCAN模块使得通讯保持上位机与下位机的远距离连通、实时操作与多个变量同时监控。考虑到试验调试充分实时性，需要做到“有求必应、有错必停、快速响应”。以便进一步分析调压控制系统输出的脉动直流电电能质量，本论文利用基于Mallat的算法分析得到脉动直流电的特征值，如纹波分量的幅值与频率等相关信息。针对纹波影响，可在硬件部分可以根据纹波相关特征值加上滤波电路进行滤波处理。　　综上可知，本论文研究的调压系统控制器设计包含强电电力变换模块、弱电控制模块、上位机通讯模块、电能质量谐波分析模块这四个主要模块组成。利用高性能DSP保障调压系统整流得到精确控制、使输出的脉动直流电在大小上满足用电要求并在上位机界面监控控制器的实时运行状态。最后通过基于Mallat的算法对输出脉动直流电进行实时谐波数据分析，确保提供稳定、可靠的直流电源。

目录

第 1 章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 永磁同步电机与异步电机的对比

1.3 永磁同步双绕组发电机国内外研究现状

1.4 双绕组 PMSG 电机及其调压系统研究现状

1.5 课题研究的主要内容及其方案可行性

第 2 章 双绕组发电机的数学模型与控制策略

2.1 双绕组永磁同步发电机本体分析

2.1.1 永磁同步发电机运行原理

2.1.2 双绕组永磁同步发电机的结构

2.1.3 永磁同步双绕组发电机本体数学模型

2.2 整流调压技术控制策略

2.2.1 基于SVPWM 的整流调压技术

2.2.2 SVPWM 技术的工作原理

2.2.3 SVPWM 技术的控制算法

2.3 本章小结

第 3 章 双绕组永磁同步发电机调压系统的建模与仿真

3.1 基于 MATLAB 的整流调压系统仿真

3.1.1 发电机本体仿真模块

3.1.2 坐标系变换模块

3.1.3 双闭环控制模块

3.1.4 SVPWM 生成模块

3.2 基于电压空间矢量脉宽控制策略的数学模型仿真

3.2.1 双闭环解耦控制原理

3.3 MATLAB 仿真结果

3.3.1 稳态工作时的波形分析

3.4 本章小结

第 4 章 整流调压控制系统搭建与实验分析

4.1 控制系统硬件实现

4.1.1 控制电路概述

4.2 基于 SolidWorks 制定调压控制器箱体设计方案

4.3 控制系统软件实现

4.3.1 DSP 软件工程概述

4.3.2 各功能中断服务子程序

4.4 对调压系统输出脉动直流电的电能质量分析

4.4.1 离散小波变换的 Mallat 算法

4.4.2 用于分解与重构的高低通滤波器

4.4.3 离散卷积功能服务程序软件设计

4.4.4 基于Mallat 算法的电能质量分析结果

4.5 本章小结

第 5 章 整流调压控制器调试试验

5.1 调试试验

5.1.1 IGBT 双脉冲试验

5.1.2 绝缘电阻测试

5.1.3 耐电压性能

5.1.4 稳态特性试验

5.1.5 动态性能调试试验

5.1.6 过载试验

5.1.7 温升试验

5. 2本章小结

结论

参考文献

附录 A 攻读学位期间获得的研究成果

致 谢