本發(fā)明屬于電機(jī)領(lǐng)域，具體涉及一種三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)多場(chǎng)簡(jiǎn)化外特性仿真建模方法。

背景技術(shù)：

1、在航空系統(tǒng)中，為了提高發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，通常采用三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三部分組成：副勵(lì)磁機(jī)、主勵(lì)磁機(jī)、主發(fā)電機(jī)。副勵(lì)磁機(jī)是永磁發(fā)電機(jī)，由安裝在轉(zhuǎn)子上的永磁體旋轉(zhuǎn)使定子繞組上產(chǎn)生反電勢(shì)，副勵(lì)磁機(jī)的定子繞組經(jīng)過整流橋與主勵(lì)磁機(jī)的定子繞組相連接。主勵(lì)磁機(jī)的定子繞組受到直流電的作用，產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，主勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其繞組產(chǎn)生反電勢(shì)，主勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流橋與主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組相連接。主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組受到直流電的作用，產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)并隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使主發(fā)電機(jī)的定子繞組產(chǎn)生反電勢(shì)，經(jīng)不控整流橋整流后產(chǎn)生直流電壓供航空系統(tǒng)使用。然而航空系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，其所處環(huán)境溫度和轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速均在發(fā)生變化，為了更好的了解不同狀態(tài)下三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能，需要對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。目前主要采用的評(píng)估方法是通過有限元軟件分別分析該發(fā)電系統(tǒng)的三部分發(fā)電機(jī)。這種分析方法存在耗時(shí)長(zhǎng)，前后級(jí)的電流和溫度不能很好耦合的問題，從而限制了三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)估。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)估計(jì)算方法前后級(jí)電流和溫度不能很好耦合的問題，提出一種三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)多場(chǎng)簡(jiǎn)化外特性仿真建模方法。

2、本方法采用有限元計(jì)算三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中三部分發(fā)電機(jī)不同工況的數(shù)據(jù)，然后通過迭代插值計(jì)算得到給定工況下三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能情況。

3、本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采取的技術(shù)方案如下：

4、一種三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)多場(chǎng)簡(jiǎn)化外特性仿真建模方法，所述方法包括以下步驟：

5、步驟一：建立三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的相反電勢(shì)和損耗數(shù)據(jù)表，三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括副勵(lì)磁機(jī)、主勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)；

6、步驟二：給定三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)工況，包含主發(fā)電機(jī)負(fù)載側(cè)電阻、環(huán)境溫度和三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速；

7、步驟三：設(shè)定初始化參數(shù)；即設(shè)定副勵(lì)磁機(jī)電角度位置θ1、副勵(lì)磁機(jī)負(fù)載側(cè)電流a1、主勵(lì)磁機(jī)負(fù)載側(cè)電流a2及主發(fā)電機(jī)負(fù)載側(cè)電流a3的初始值均為0；

8、步驟四：以三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、副勵(lì)磁機(jī)電角度位置θ1和副勵(lì)磁機(jī)負(fù)載側(cè)電流a1作為基值，通過樣條插值方法得到副勵(lì)磁機(jī)相反電勢(shì)數(shù)據(jù)表中對(duì)應(yīng)的相反電勢(shì)b11、b12和b13，根據(jù)得到的相反電勢(shì)值、副勵(lì)磁機(jī)當(dāng)前環(huán)境溫度下的定子繞組值rs1和主勵(lì)磁機(jī)當(dāng)前環(huán)境溫度下的定子繞組值rs2，按照整流橋的特性計(jì)算得到副勵(lì)磁機(jī)整流后電流a1’和電壓c1’；

9、步驟五：計(jì)算主勵(lì)磁機(jī)對(duì)應(yīng)的電角度位置θ2；

10、步驟六：以三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、主勵(lì)磁機(jī)電角度位置θ2、副勵(lì)磁機(jī)整流后電流a1’和主勵(lì)磁機(jī)負(fù)載側(cè)電流a2作為基值，通過樣條插值方法得到主勵(lì)磁機(jī)相反電勢(shì)數(shù)據(jù)表中對(duì)應(yīng)的相反電勢(shì)b21、b22和b23，根據(jù)得到的相反電勢(shì)值、主勵(lì)磁機(jī)當(dāng)前環(huán)境溫度下的轉(zhuǎn)子繞組值rr2和主發(fā)電機(jī)當(dāng)前環(huán)境溫度下的轉(zhuǎn)子繞組值rr3，按照整流橋的特性計(jì)算得到主勵(lì)磁機(jī)整流后電流a2’和電壓c2’；其計(jì)算過程與步驟四相同；

11、步驟七：計(jì)算主發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)的電角度位置θ3；

12、步驟八：以三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、主發(fā)電機(jī)電角度位置θ3、主勵(lì)磁機(jī)整流后電流a2’和主發(fā)電機(jī)負(fù)載側(cè)電流a3作為基值，通過樣條插值方法得到主發(fā)電機(jī)相反電勢(shì)數(shù)據(jù)表中對(duì)應(yīng)的相反電勢(shì)b31、b32和b33，根據(jù)得到的相反電勢(shì)值、發(fā)電機(jī)當(dāng)前環(huán)境溫度下的定子繞組值rs3和主發(fā)電機(jī)負(fù)載側(cè)電阻值，按照整流橋的特性計(jì)算得到主發(fā)電機(jī)整流后電流a3’和電壓c3’；其計(jì)算過程與步驟六相同；

13、步驟九：計(jì)算三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的損耗，并將上述損耗值p代入三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的集總熱路方程計(jì)算得到三級(jí)式電機(jī)系統(tǒng)各繞組溫度k；

14、δt＝qrtij，q＝ha(t2-t1)；

15、其中：q為熱路熱量，即損耗值p；δt為熱阻的溫度變化；rtij為熱阻；h為換熱系數(shù)；a為換熱面積；t2為換熱面溫度；t1為環(huán)境溫度；

16、并通過下式計(jì)算該溫度下繞組的阻值rij’，i＝s、r；j＝1、2、3；不存在i＝r且j＝1；

17、

18、通過此式計(jì)算得到該溫度下繞組的阻值rs1’、rs2’、rs3’、rr2’、rr3’分別為rs1、rs2、rs3、rr2、rr3在k攝氏度下的電阻值；

19、步驟十：將初始的電阻值rij與上述計(jì)算得到的rij’做差，并判斷是否小于δ，δ為收斂誤差，為一個(gè)趨近于零的正數(shù)；如果該差值大于收斂誤差δ，則更新副勵(lì)磁機(jī)的電角度位置θ1，用前述計(jì)算的aj’，j＝1、2、3，更新直流側(cè)電流aj，這里的j是記號(hào)，表示j＝1、2、3，用前述計(jì)算的繞組阻值rij’更新繞組阻值rij，并重新執(zhí)行步驟四至步驟十，直至滿足收斂條件；如果該差值小于收斂誤差δ，則繼續(xù)執(zhí)行步驟十一；

20、步驟十一：將上述收斂狀態(tài)中的副勵(lì)磁機(jī)電角度位置θ1取為0°至360°，計(jì)算整個(gè)三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能，將所得到的數(shù)據(jù)作為結(jié)果輸出，包含三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的繞組溫度、直流側(cè)電流aj、三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的直流側(cè)電壓、三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的損耗、主發(fā)電機(jī)負(fù)載側(cè)功率。

21、進(jìn)一步的是，步驟一具體為：

22、通過有限元方法計(jì)算副勵(lì)磁機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、電角度位置和負(fù)載電阻作用下的副勵(lì)磁機(jī)的相反電勢(shì)和副勵(lì)磁機(jī)損耗，并將計(jì)算得到的結(jié)果制作成副勵(lì)磁機(jī)相反電勢(shì)和副勵(lì)磁機(jī)損耗分別關(guān)于副勵(lì)磁機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、電角度位置和負(fù)載側(cè)直流電流作用下的數(shù)據(jù)表，通過該表進(jìn)行樣條曲線插值得到該數(shù)據(jù)表范圍內(nèi)的任意轉(zhuǎn)速、電角度位置和直流側(cè)電流下對(duì)應(yīng)的副勵(lì)磁機(jī)相反電勢(shì)和損耗；

23、通過有限元方法計(jì)算主勵(lì)磁機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、電角度位置、勵(lì)磁電流和負(fù)載電阻作用下的主勵(lì)磁機(jī)的相反電勢(shì)和主勵(lì)磁機(jī)損耗，并將計(jì)算得到的結(jié)果制作成主勵(lì)磁機(jī)相反電勢(shì)和主勵(lì)磁機(jī)損耗分別關(guān)于主勵(lì)磁機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、電角度位置、勵(lì)磁電流和負(fù)載側(cè)直流電流作用下的數(shù)據(jù)表，通過所述數(shù)據(jù)表進(jìn)行樣條曲線插值得到該數(shù)據(jù)表范圍內(nèi)的任意轉(zhuǎn)速、電角度位置勵(lì)磁電流和負(fù)載側(cè)直流電流下對(duì)應(yīng)的主勵(lì)磁機(jī)相反電勢(shì)和損耗；

24、通過有限元方法計(jì)算主發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、電角度位置、勵(lì)磁電流和負(fù)載電阻作用下的主發(fā)電機(jī)的相反電勢(shì)和主發(fā)電機(jī)損耗，并將計(jì)算得到的結(jié)果制作成主發(fā)電機(jī)相反電勢(shì)和主發(fā)電機(jī)損耗分別關(guān)于主發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、電角度位置、勵(lì)磁電流和負(fù)載側(cè)直流電流作用下的數(shù)據(jù)表，通過所述數(shù)據(jù)表進(jìn)行樣條曲線插值得到該數(shù)據(jù)表范圍內(nèi)的任意轉(zhuǎn)速、電角度位置勵(lì)磁電流和負(fù)載側(cè)直流電流下對(duì)應(yīng)的主發(fā)電機(jī)相反電勢(shì)和損耗。

25、進(jìn)一步的是，步驟四中，整流橋的特性計(jì)算分為三種情況：

26、情況一：b11、b12和b13中有2項(xiàng)及以上等于0，則a1’和電壓c1’為0；

27、情況二：b11、b12和b13中有2項(xiàng)大于0；

28、對(duì)于b11和b12>0，b13<0情況，整流橋的特性計(jì)算過程如下：

29、

30、其中：ib11和ib12分別表示相反電勢(shì)b11和b12支路的相電流，vd(·)表示二極管的伏安特性曲線，通過該式計(jì)算得到ib11和ib12，若兩者均大于0，則副勵(lì)磁機(jī)整流后電流a1’＝(ib11+ib12)，電壓c1’＝a1’rs2；若計(jì)算得到ib11和ib12中存在小于0的值，則需要重新計(jì)算；若ib11＜0，則副勵(lì)磁機(jī)整流后電流a1’＝ib12，電壓c1’＝a1’rs2；若ib12＜0，則副勵(lì)磁機(jī)整流后電流a1’＝ib11，電壓c1’＝a1’rs2；

31、對(duì)于b11和b13>0，b12<0及b12和b13>0，b11<0情況，整流橋的特性計(jì)算過程與上述相同；

32、情況三：b11、b12和b13中有1項(xiàng)大于0；

33、對(duì)于b11>0，b12和b13<0情況，整流橋的特性計(jì)算過程如下：

34、

35、其中：ib13表示相反電勢(shì)b13支路的相電流，通過該式計(jì)算得到ib12和ib13，若ib12和ib13均小于0，則副勵(lì)磁機(jī)整流后電流a1’＝|(ib12+ib13)|，電壓為c1’＝a1’rs2；若計(jì)算得到ib12和ib13中存在大于0的值，則需要重新計(jì)算；若ib12＞0，則副勵(lì)磁機(jī)整流后電流a1’＝|ib13|，電壓為c1’＝a1’rs2；若ib13＜0，則副勵(lì)磁機(jī)整流后電流a1’＝|ib12|，電壓為c1’＝a1’rs2；

36、對(duì)于b12>0，b11和b13<0及b13>0，b11和b12<0情況，整流橋的特性計(jì)算過程與上述相同。

37、進(jìn)一步的是，步驟五具體為：根據(jù)副勵(lì)磁機(jī)電角度位置θ1計(jì)算主勵(lì)磁機(jī)對(duì)應(yīng)的電角度位置θ2；

38、

39、其中：p1為副勵(lì)磁機(jī)的極對(duì)數(shù)，p2為主勵(lì)磁機(jī)的極對(duì)數(shù)。

40、進(jìn)一步的是，步驟七具體為：根據(jù)副勵(lì)磁機(jī)電角度位置θ1計(jì)算主發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)的電角度位置θ3；

41、

42、其中：p3為主發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

43、進(jìn)一步的是，步驟九中，計(jì)算三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的損耗，具體為：

44、以三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、副勵(lì)磁機(jī)電角度位置θ1和副勵(lì)磁機(jī)負(fù)載側(cè)電流a1作為基值，通過樣條插值方法得到副勵(lì)磁機(jī)損耗數(shù)據(jù)表中對(duì)應(yīng)的損耗；

45、以三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、主勵(lì)磁機(jī)電角度位置θ2、副勵(lì)磁機(jī)整流后電流a1’和主勵(lì)磁機(jī)負(fù)載側(cè)電流a2作為基值，通過樣條插值方法得到主勵(lì)磁機(jī)損耗數(shù)據(jù)表中對(duì)應(yīng)的損耗；

46、以三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、主發(fā)電機(jī)電角度位置θ3、主勵(lì)磁機(jī)整流后電流a2’和主發(fā)電機(jī)負(fù)載側(cè)電流a3作為基值，通過樣條插值方法得到主發(fā)電機(jī)損耗數(shù)據(jù)表中對(duì)應(yīng)的損耗；

47、通過式p＝i2r，分別計(jì)算副勵(lì)磁機(jī)負(fù)載側(cè)電流為a1、主勵(lì)磁機(jī)負(fù)載側(cè)電流為a2、主發(fā)電機(jī)負(fù)載側(cè)電流為a3、副勵(lì)磁機(jī)定子繞組阻值為rs1、主勵(lì)磁機(jī)定子繞組阻值為rs2、主發(fā)電機(jī)定子繞組阻值為rs3、主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組阻值為rr2、主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組阻值為rr3情況下對(duì)應(yīng)的損耗值p。

48、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

49、1.僅需要少量發(fā)電機(jī)的有限元數(shù)據(jù)即可構(gòu)成三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)性能計(jì)算所需的數(shù)據(jù)表，而且三級(jí)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)各單元的仿真是獨(dú)立進(jìn)行的，能夠減小設(shè)計(jì)階段通過本方法評(píng)估某一部件優(yōu)化情況的時(shí)間。

50、2.本方法在提前計(jì)算好的數(shù)據(jù)樣本的基礎(chǔ)上，通過插值和迭代處理能夠快速的得到不同工況下的性能情況。比通過有限元方法更加節(jié)省時(shí)間。

51、3.本方法將三級(jí)式發(fā)電機(jī)中當(dāng)前級(jí)的直流電流輸出作為下一級(jí)的輸入，形成了整體前后級(jí)的電流耦合。此外還將各級(jí)的損耗代入模型的熱路計(jì)算，形成了整體的溫度耦合。與傳統(tǒng)的分別分析各級(jí)發(fā)電機(jī)性能指標(biāo)相比，更加具有物理聯(lián)系，能夠更好的滿足電流和溫度耦合的物理?xiàng)l件。