[發明專利]三相直線感應電機分段供電切換過程的實時仿真建模方法

有效

• 申請號: 202110758677.1
• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113420521B
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 徐飛;李耀華;史黎明;李子欣
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: G06F30/367
• 分類號: G06F30/367;G06F30/398
• 代理公司: 北京瀚仁知識產權代理事務所(普通合伙) 11482
• 代理人: 宋寶庫;屠曉旭

本發明屬于實時仿真建模領域，具體涉及了一種三相直線感應電機分段供電切換過程的實時仿真建模方法，旨在解決現有分段供電三相直線感應電機的仿真建模未考慮分段供電特性或未對分段供電切換開關進行建模的問題。本發明包括：基于三相直線感應電機的三相晶閘管通斷信號獲取三相晶閘管開關狀態；結合變流器輸出對地相電壓值計算三相直線感應電機輸入可變電壓源和虛擬定子電阻值；構建定子和轉子的磁鏈及電流狀態方程；結合三相直線感應電機輸入可變電壓源和虛擬定子電阻值獲取三相直線感應電機切換過程的電流，實現三相直線感應電機分段供電切換過程的實時仿真建模。本發明實現了基于晶閘管開關分段供電的三相直線感應電機切換過程的實時仿真建模。

背景技術

高速直線電磁推進技術可將電能直接轉化為機械能，可應用于工業、交通和國防領域。長初級直線感應電機動子結構簡單，適用于短時、大推力和高速系統。為了減少供電變流器的電壓等級，通常采用分段供電方式，由切換開關實現多個短定子段分時供電。隨著被推進物體速度需求的不斷增加，百毫秒級切換時間的機械開關已無法滿足切換時間需求，采用基于電力電子設備的固態開關，最快可實現微秒級的切換過程。目前，固態開關通常采用全控型的IGBT或者半控型的晶閘管，全控型的IGBT具有較好的關斷電流能力，然而其電流和串聯耐壓能力通常不高，造價也較高；半控型的晶閘管，關斷過程需依靠晶閘管電流自然過零點，但是其通流、串聯耐壓和造價都優于IGBT。對于10kV和10kA以上分段供電場合，基于晶閘管開關的分段供電具有一定的優勢。

高速直線電磁推進系統由長定子直線電機、分段供電開關、變頻供電電源等子系統構成。系統中定子段、晶閘管開關和變流器數量多且結構復雜，為了降低系統的開發和調試風險，設備運送到現場之前需做充分的硬件在環測試實驗。硬件在環可實現對高速直線電磁推進系統信息部分，包括控制策略、保護動作、邏輯、時序、通訊可靠性、硬件設備性能及各種運行工況進行全方位的模擬和測試，經過硬件在環測試的信息系統可直接應用于工程現場，大大降低了系統開發和測試的風險。硬件在環測試設備的關鍵是對被模擬設備進行實時仿真數學建模，該建模方法不同于傳統的電路仿真建模，實時仿真數學模型的實際計算時間需小于仿真步長。通過需要拆分狀態方程計算矩陣、避免非線性器件迭代運算、采用分布式并行運算等技術實現實時仿真。

對高速直線電磁推進系統的實時仿真建模，基于晶閘管開關分段供電的三相直線感應電機切換過程是個難點。基于雙向晶閘管的交流切換開關可實現分段供電的快速切換，然而晶閘管為半控型電流源器件，雙向晶閘管的開通條件為門級加觸發信號，關斷條件為門級無觸發信號且主端子間的正向電流小于維持電流。因此，晶閘管的關斷過程需由外部電路決定，包括直線感應電機和變流器，采用電路矩陣仿真方法時，需對其非線性特征進行迭代運算，且每一次開關動作會改變電路導納矩陣系統，增加仿真計算量難以實現實時仿真。變流器通常采用電壓源型變流器，電機的狀態方程輸入為電壓，然而晶閘管為電流源型開關，也為實時仿真帶來較大困難。一些文獻提出了一種單邊復合次級直線感應電機力特性建模分析方法[1]，該方法主要針對直線電機的推力和法向力進行建模分析，然而其供電為理想的電流源，并未考慮直線感應電機的分段供電特性。另一些文獻提出了一種直線電機進給系統機電集成建模方法[2]，該方法主要分析驅動系統及電機本體的非線性特征，建立系統機電集成模型，然而該方法并未對分段供電切換開關進行建模。

以下文獻是與本發明相關的技術背景資料：

[1]蘭志勇、陳財、沈凡享，一種單邊復合次級直線感應電機力特性建模分析方，2019-03-27，CN109992874A.

[2]楊曉君、趙萬華、劉輝等，一種直線電機進給系統機電集成建模方法，2017-12-23，CN108021039A.

發明內容