水平轴磁悬浮风力发电机混合磁轴承系统研究

2015-03-12王晓晖莫丽红叶小婷贾红云

微特电机 2015年11期

张晨，张涛，倪伟，王晓晖，莫丽红，叶小婷，贾红云

(1.淮阴工学院，淮安223003;2.南京信息工程大学，南京210044)

0 引言

风力发电机(以下简称风力机)主轴系统的支承方式直接影响着风力机的起动阻力矩、发电风速、维护成本和使用寿命。为了根本消除机械摩擦磨损、减少后期维护、增加发电量和提高风能资源的利用范围，国内外众多学者将磁悬浮轴承技术应用到风力发电机中，又称磁悬浮风力发电机。但大多数的研究，主要是永磁轴承［1-6］与机械轴承配合使用，完成风力机主轴系统的支承。由于永磁轴承一旦制作成型，承载力不能人为控制，在较大风速下，一旦主轴的偏移量过大，无法回到悬浮位置，机械摩擦磨损问题将再次出现。此外，永磁轴承多采用磁环叠加方式，磁环安装精度要求高，通常占据的径向(或轴向)空间也较大［2-6］。而混合磁轴承具有设计简单、体积小、电功率消耗少等优点，很可能成为未来磁悬浮风力发电机的主要支承形式，并将在缩减磁轴承体积、减轻整机重量、提高结构紧凑程度和塔架安全性等［7］方面作出重要贡献。因此，本文采用混合磁轴承作为风力机的径向支承结构，在径向偏移量接近为零时，不消耗电功率，单靠永磁力就能实现径向二自由度稳定悬浮;在偏离悬浮位置时，又可以通过控制线圈中的电流，以应对径向偏移量的变化。

本文首先介绍了径向混合磁轴承的结构形式与数学模型，对风力发电机转子受力情况进行了分析，并完成了径向混合磁轴承结构参数设计与分析;然后，设计了其数字控制系统，构建了径向混合磁轴承基础实验平台，进行了转子起浮、扰动等相关试验。试验结果表明，样机参数设计合理，系统动、静态性能良好，为小型磁悬浮风力发电机的研究奠定了良好的基础。

1 结构形式与数学模型

图1 是径向混合磁轴承横截面和轴向剖面图，单箭头为定子永磁体产生的偏置磁通，双箭头为线圈产生的控制磁通，两者相互作用，将产生使转子悬浮的径向力F。

根据参考文献［8 -9］，该磁轴承的等效磁路图如图2 所示。

图2 径向混合磁轴承等效磁路图

假设转子在x，y 轴上的偏移量分别为x，y，据磁路基尔霍夫定律，各气隙处合成磁通:

根据转子所受的电磁力与磁通关系得到:

将式(1)代入式(2)，采用泰勒展开式在平衡位置附近作线性化处理，然后再沿着x 和y 轴投影，并进行电流等效变换后，最终得到混合磁轴承径向悬浮力数学模型的矩阵形式如下:

式中;且二者均为常数。

2 参数设计与分析

2.1 转子受力分析

以一台300 W 水平轴磁悬浮风力发电机的设计为例，在径向混合磁轴承设计之初，必须要明确径向悬浮力的大小，图3 是转子结构受力分析示意图。

图3 风力发电机转子受力分析示意图

根据径向上的力平衡和B 点力矩平衡可得:

式中:G1是风轮装置的重量，取114.3 N;G2是发电机转子系统的重量，取24.5 N;N1是径向悬浮力大小;N2是机械轴承的径向载荷。

由式(4)计算得出:N1=178.57 N，N2=39.77 N。因此，混合磁轴承提供的径向悬浮力为180 N。

2.2 设计结果

径向混合磁轴承参数设计过程依次为气隙长度选取、磁极面积估算、安匝数设计、永磁体和定子参数确定［10-11］。根据这些初步参数，利用ANSYS 仿真软件，建立径向混合磁轴承3D 模型，逐个对重要结构参数进行优化仿真，并分析磁场分布情况。最终，得到径向混合磁轴承主要参数的设计结果，如表1 所示。

表1 径向混合磁轴承设计要求和主要参数

2.3 磁轴承刚度

刚度曲线决定了磁轴承的线性工作范围、悬浮力提升和振动调节时间。因此，分析径向混合磁轴承的刚度特性是十分必要的。以混合磁轴承在径向y 方向上的偏移量为例，研究磁轴承的刚度特性，并给出气隙长度的大小。

图4 是径向混合磁轴承刚度曲线。从图4(a)中可见，当径向偏移量y 在0 ～0.35 mm 变化时，力-电流曲线(或电流刚度)近似呈线性关系;在y=0 mm，i=1 A 时，径向悬浮力在180 N 左右，满足径向承载力设计要求。从图4(b)中可以看出，在0 ≤y ≤0.3 mm 时，力-位移曲线(或位移刚度)呈线性增长，并随着控制电流i 的增加，径向悬浮力也是稳步提升;而在0.3 mm ＜y≤0.45 mm 时，曲线已不再是线性关系。综合考虑，选择气隙长度为0.25 mm。这样，既确保了磁轴承工作在线性范围，径向悬浮力的提升完全适应径向偏移量的变化，转子振动调节时间也能相应地减小。

3 数字控制系统设计

3.1 总体控制框图

根据式(3)构建出径向混合磁轴承数字控制框图，如图5 所示。首先，位移指令x*，y*与电涡流位移传感器实时检测到的x，y 比较后，经位移PID变换成Fx，Fy，由力/电流变换得到ix，iy，分别与ix0，iy0相加后，再由Clarke 逆变换得到i*A，i*B，i*C，与霍尔电流传感器实时检测的iA，iB，iC滞环比较产成PWM 波，驱动三相功率逆变器控制线圈A，B，C 中的电流，实现对x，y 方向上的径向悬浮力控制。

3.2 主要硬件构成

本文采用的是以DSP 2812 开发平台为核心的径向混合磁轴承数字控制系统，其中硬件电路的设计主要包括DSP 控制电路、径向功率驱动电路、位移/电流采样电路和故障保护电路。

DSP 控制电路主要完成信号采集数字量、上位机PID 数据、位移-力-电流算法等内容，以产生PWM 输出，驱动功率开关管，实现转子径向二自由度的稳定悬浮。径向功率驱动电路采用的是交-直-交的主电路拓扑结构，经单相不控整流桥、电容滤波电路、光耦隔离电路和三菱IPM 智能模块，提供磁轴承系统调节所需的能量。位移/电流采样电路则是一个电压调理的过程，以满足DSP 的ADC 模块模拟输入0 ～3.3 V 的电压限制。此外，为了避免IPM 智能模块在电路发生故障时被损坏，同时考虑径向混合磁轴承数字控制系统对电压、电流的限定范围。因此，需要设计过/欠电压检测、过电流检测和驱动信号封锁等故障保护电路。

3.3 程序流程图

图6 是径向混合磁轴承数字控制系统的程序流程图，主要包括主程序和主中断服务程序。主程序是对系统控制寄存器，中断PIE 和向量表以及EVA，ADC，SCI 等模块进行了初始化设置;主中断服务程序则是用来完成信号数字量转换、位移-电流的双闭环控制、上位机PID 调节参数的传输等任务。此外，还有SCIB 的接收、发送中断程序。

图6 程序流程图

由于转子起浮瞬间的径向偏移量较大，容易引起频繁振动，所以需要在PID 控制器中加入低通滤波环节，逐步衰减微分项幅度，也就是采用不完全微分PID 算法。这样就使得微分作用时间变长，当转子在平衡位置附近变化时很容易实现悬浮，减小了动态误差，取得了较好的控制效果。

4 实验结果与分析

根据表1 中径向磁轴承设计参数，制作磁轴承样机，并构建磁悬浮实验平台。采用数字PID 控制器进行径向二自由度的位移控制，当比例增益Kp=10，积分时间常数Ti=0. 25，微分时间常数Td=0.000 010，微分增益ε =0.05 时，对位移接口电路进行调试，0 表示最大负位移，3 V 表示最大正便宜，1.5 V 表示转子处于平衡位置，径向混合磁轴承实现了稳定悬浮。图7(a)是转子起浮试验，从图7 中可以看出，起浮时间约40 ms，在y 方向上的起浮电压大于1 V，x 方向小于1 V，稳定悬浮的电压约为1.5 V;在斜向的方向上，给径向转子施加一个180 N 的外扰力，由图7(b)可以看出，力的作用时间约为400 ms，x方向上的扰动较y方向明显，在约20 ms的调节时间之后，转子很快又回到了悬浮位置，说明系统具有较好的抗干扰能力。