Математична модель багатообмоткової синхронної машини з гібридним збудженням

Abstract

Використання багатообмоткових або багатофазних синхронних машин дає змогу покращити електромагнітну сумісність з джерелом живлення, забезпечити кращу роботу у випадку несправностей в окремих каналах живлення, покращити якість електромагнітного моменту в системах з напівпровідниковими перетворювачами. Формування магнітного потоку в синхронних машинах з гібридним збудженням відбувається за допомогою постійних магнітів та обмотки збудження. Такі машини поєднують переваги синхронних машин з постійними магнітами з можливістю регулювання магнітного потоку. Таке регулювання потрібне в електроприводах для розширення діапазону регулювання швидкості, а також в генераторах для забезпечення кращої стабілізації напруги та компенсації реакції якоря в умовах зміни швидкості та навантаження. Для проведення досліджень та синтезу систем керування багатообмотковими синхронними машинами, зокрема машинами з постійними магнітами, в системах генерування і споживання електроенергії часто використовують спрощені моделі в прямокутних системах координат. Такі моделі забезпечують високу швидкодію розрахунку, однак не дають змоги моделювати всі режими роботи, зокрема несиметричних, з різними схемами з’єднань обмоток. Пропонується нова математична модель багатообмоткової синхронної машини з гібридним збудження, створена з використанням методу середніх напруг на кроці чисельного інтегрування, що забезпечує високу числову стійкість розрахунку та швидкодію. Модель синхронної машини розроблено у фазних координатах, що збільшує можливості моделювання, зокрема несиметричних режимів роботи та багатоканальних режимів з різним способом під’єднання навантажень до обмоток. Подання розрахункової моделі у формі багатополюсника полегшує її використання для моделювання складних електромеханічних систем. Адекватність моделі підтверджено шляхом порівняння результатів моделювання з результатами фізичного експерименту з використанням двообмоткової синхронної машини з гібридним збудженням.

The use of multi-winding or multi-phase synchronous machines makes it possible to improve electromagnetic compatibility with the power supply, ensure better operation in the case of faults in separate power channels, and improve the quality of electromagnetic torque in systems with semiconductor converters. The magnetic flux in hybrid-excited synchronous machines is formed by means of permanent magnets and an excitation winding. Such machines combine the advantages of permanent magnet synchronous machines with the ability to regulate the magnetic flux. Such regulation is needed in electric drives to expand the speed regulation range, as well as in generators to provide better voltage stabilization and compensation for armature reaction under conditions of speed and load changes. Simplified models in rectangular frame are often used to perform research and synthesis of control systems for multi-winding synchronous machines, including permanent magnet machines, in power generation and consumption systems. Such models provide high calculation speed, however, they do not allow modeling all operating modes, including asymmetric ones with different winding connection schemes. The paper proposes a new mathematical model of a multi-winding synchronous machine with hybrid excitation developed using the method of average voltages at the numerical integration step, which provides high numerical stability of the computation performance. The model of the synchronous machine is developed in phase coordinates, which increases the possibilities of modeling, in particular, asymmetric operating modes and multichannel modes with different ways of connecting loads to windings. Representation of the mathematical model in the form of a multipole facilitates its use for modeling complex electromechanical systems. The adequacy of the model is confirmed by comparing the simulation results with the results of a physical experiment using a two-winding synchronous machine with hybrid excitation.