分段供电直线感应电机实时仿真建模方法、系统及设备技术方案

本发明专利技术属于电机仿真建模领域，具体涉及了一种分段供电直线感应电机实时仿真建模方法、系统及设备，旨在解决现有技术无法实现分段供电直线感应电机实时仿真建模的问题。本发明专利技术包括：由动子的直线速度v、动子覆盖定子的占比a

【技术实现步骤摘要】
分段供电直线感应电机实时仿真建模方法、系统及设备


[0001]本专利技术属于电机仿真建模领域，具体涉及了一种分段供电直线感应电机实时仿真建模方法、系统及设备。

技术介绍

[0002]多相长定子直线感应电机具有功率大、推力波动低、容错能力强和动子结构简单等特点，适用于短时、大推力且高速的电磁推进系统，可应用于工业、交通和国防领域。6相长定子直线感应电机可分为6相对称型绕组和双Y移相30
°
绕组，双Y移相30
°
绕组为不对称的六相系统，但其磁路可等效为对称十二相系统。双Y移相30
°
绕组结构可消除电机中5次和7次谐波磁场，低次磁势谐波为13次，具有推力波动小特点，可等效为十二相电机。此外，为了减少长定子直线感应电机单台供电电源容量和定子段的耐压等级，将长定子分为多个短定子段，由交流切换开关实现对每个定子段的分段供电。交流切换开关采用基于电力电子的固态开关，可实现微秒级供电切换。目前电力电子的固态开关主要有基于半控型晶闸管和全控型IGBT两种类型，IGBT为全控型功率半导体器件可主动关断电流，然而它的耐压、通流及经济性上弱于晶闸管；晶闸管为半控型功率半导体器件，晶闸管关断条件为当门极开通信号关断且电流小于晶闸管的维持电流。对于10kV和10kA以上分段供电场合，采用基于晶闸管的交流切换开关具有一定优势。硬件在环测试为大型系统的控制保护开发和调试提供了良好测试平台，可测试控制策略、保护动作、逻辑和时序正确性、硬件板卡的稳定性等，并可模拟多种极端工况，降低系统的开发和调试风险。硬件在环测试平台包括高性能仿真计算设备和能够描述系统物理特性的实时仿真数学模型。实时仿真数学模型首先需满足等步长离散计算且计算时间小于仿真步长，其次需能够较准确的描述系统的物理特性，通常采用系统解耦分割、矩阵降维、非线性器件等效处理、分布式并行运算等技术，实现系统的实时仿真计算。
[0003]电磁驱动系统由长定子直线电机、分段供电开关、变频供电电源等子系统构成，系统元件数量多、结构复杂且有大量非线性特征的器件(双向晶闸管交流切换开关)，采用传统的方法建立数学模型很难实现硬件在环平台的实时性。电机状态方程输入通常为电压源，然而晶闸管为电流源型的器件，对于3相电机其3相电流之和为零且互感对称，较易得到交流切换开关输出到电机的相电压值。对于双Y移相30
°
绕组6相电机，6相之间都存在互感且不对称，其复杂性远高于3相对称电机，较难得到交流切换开关输出至电机相电压值，因此分段供电多相直线感应电机的实时仿真建模是系统硬件在环测试需要解决的关键问题之一。一些文献提出了一种单边复合次级直线感应电机力特性建模分析方法[1]，该方法主要针对直线电机的推力和法向力进行建模分析，其供电为理想的电流源，并未考虑直线感应电机的分段供电特性。另外一些文献提出了一种直线电机进给系统机电集成建模方法[2]，主要分析驱动系统及电机本体的非线性特征，建立系统机电集成模型，该方法并未对分段供电切换开关进行建模。
[0004]因此，本领域还缺少针对基于双向晶闸管开关、双Y移相30
°
绕组直线感应电机和
分段供电的电磁驱动系统进行硬件在环实时仿真建模的方法。
[0005]以下文献是与本专利技术相关的技术背景资料：
[0006][1]兰志勇、陈财、沈凡享，一种单边复合次级直线感应电机力特性建模分析方法，2019
‑
03
‑
27，CN109992874A.
[0007][2]杨晓君、赵万华、刘辉等，一种直线电机进给系统机电集成建模方法，2017
‑
12
‑
23，CN108021039A.

技术实现思路

[0008]为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法实现分段供电直线感应电机实时仿真建模的问题，本专利技术提供了一种分段供电直线感应电机实时仿真建模方法，该实时仿真建模方法包括：
[0009]步骤S10，基于动子的直线速度v、动子覆盖定子的占比a
x
和供电电压U
ss
，在有动子覆盖工况下构建6相直线感应电机在2相静止坐标系下定转子电压、电流和磁链状态方程，在无动子覆盖工况下构建6相直线感应电机在6相静止坐标系下定子电压、电流和磁链状态方程；
[0010]步骤S20，基于有动子覆盖工况下的状态方程，通过2相静止坐标系至6相静止坐标系变换，获取直线感应电机6相定子电流以及推力基于无动子覆盖工况下的状态方程，获取直线感应电机6相定子电流
[0011]步骤S30，基于无动子覆盖工况下的直线感应电机6相定子电流结合6相双向晶闸管交流切换开关通断信号K
s
＝(k
a
,k
b
,k
c
,k
x
,k
y
,k
z
)，获取双向晶闸管实际通断状态F
s
＝(f
a
,f
b
,f
c
,f
x
,f
y
,f
z
)；
[0012]步骤S40，基于无动子覆盖工况下的直线感应电机6相定子电流和双向晶闸管实际通断状态F
s
＝(f
a
,f
b
,f
c
,f
x
,f
y
,f
z
)，构建直线感应电机定子段切换过程的数学模型，并获取直线感应电机切换过程的6相定子电流和推力
[0013]步骤S50，若a
x
>0，则直线感应电机定子输出的电流和推力为和若a
x
＝0，则直线感应电机定子输出的电流和推力为和完成分段供电直线感应电机实时仿真建模。
[0014]在一些优选的实施例中，有动子覆盖工况下的所述6相直线感应电机在2相静止坐标系下定转子电压、电流和磁链状态方程，其表示为：
[0015]其中，L
m
代表动
子全覆盖定子段时的互感，L
r
代表动子全覆盖定子段时的动子电感，L
s
动子全覆盖定子段时的定子电感；的定子电感；τ为直线感应电机的极距；R
s
为直线感应电机的定子电阻值，R
r
为直线感应电机的动子电阻值；电阻值；u
b
、u
c
、u
x
、u
y
、u
z
分别代表直线感应电机输入的6相电压，i
sα
、i
sβ
、i
rα
、i
rβ
分别代表直线感应电机定子和动子在2相静止坐标系下的电流、Ψ
sα
、Ψ
sβ
、Ψ
rα
、Ψ
rβ
分别代表直线感应电机定子和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分段供电直线感应电机实时仿真建模方法，其特征在于，该实时仿真建模方法包括：步骤S10，基于动子的直线速度v、动子覆盖定子的占比a
x
和供电电压U
ss
，在有动子覆盖工况下构建6相直线感应电机在2相静止坐标系下定转子电压、电流和磁链状态方程，在无动子覆盖工况下构建6相直线感应电机在6相静止坐标系下定子电压、电流和磁链状态方程；步骤S20，基于有动子覆盖工况下的状态方程，通过2相静止坐标系至6相静止坐标系变换，获取有动子覆盖工况下的直线感应电机6相定子电流以及推力基于无动子覆盖工况下的状态方程，获取无动子覆盖工况下的直线感应电机6相定子电流步骤S30，基于无动子覆盖工况下的直线感应电机6相定子电流结合6相双向晶闸管交流切换开关通断信号K
s
＝(k
a
,k
b
,k
c
,k
x
,k
y
,k
z
)，获取双向晶闸管实际通断状态F
s
＝(f
a
,f
b
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x
,f
y
,f
z
)；步骤S40，基于无动子覆盖工况下的直线感应电机6相定子电流和双向晶闸管实际通断状态F
s
＝(f
a
,f
b
,f
c
,f
x
,f
y
,f
z
)，构建直线感应电机定子段切换过程的数学模型，并获取直线感应电机切换过程的6相定子电流和推力步骤S50，若a
x
>0，则直线感应电机定子输出的电流和推力为和若a
x
＝0，则直线感应电机定子输出的电流和推力为和完成分段供电直线感应电机实时仿真建模。2.根据权利要求1所述的分段供电直线感应电机实时仿真建模方法，其特征在于，有动子覆盖工况下的所述6相直线感应电机在2相静止坐标系下定转子电压、电流和磁链状态方程，其表示为：其中，L
m
代表动子全覆盖定子段时的互感，L
r
代表动子全覆盖定子段时的动子电感，L
s
动子全覆盖定子段时的定子电感；子电感；τ为直线感应电机的极距；
R
s
为直线感应电机的定子电阻值，R
r
为直线感应电机的动子电阻值；电阻值；u
b
、u
c
、u
x
、u
y
、u
z
分别代表直线感应电机输入的6相电压，i
sα
、i
sβ
、i
rα
、i
rβ
分别代表直线感应电机定子和动子在2相静止坐标系下的电流、Ψ
sα
、Ψ
sβ
、Ψ
rα
、Ψ
rβ
分别代表直线感应电机定子和动子在2相静止坐标系下的磁链。3.根据权利要求2所述的分段供电直线感应电机实时仿真建模方法，其特征在于，所述有动子覆盖工况下的直线感应电机6相定子电流以及推力其表示为：其表示为：其中，分别代表有动子覆盖时直线感应电机的6相电流，i
α
和i
β
分别代表直线感应电机在2相静止坐标系下的电流。4.根据权利要求1所述的分段供电直线感应电机实时仿真建模方法，其特征在于，无动子覆盖工况下的所述6相直线感应电机在6相静止坐标系下定子电压、电流和磁链状态方程，其表示为：
其中，其中，分别代表直线感应电机定子在6相静止坐标系下的6相电流，u
a
、u
b
、u
c
、u
x
、u
y
、u
z
分别代表直线感应电机输入的6相电压，分别代表直线感应电机在6相静止坐标系下的定子磁链；R

【专利技术属性】
技术研发人员：徐飞，李耀华，史黎明，李子欣，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：