[发明专利]风力磁悬浮机舱的主被动悬浮控制方法

说明书

本发明针对非线性、强干扰以及悬浮质量较大的风力机舱悬浮系统，提供了一种主被动悬浮控制方法，包括机舱俯仰被动抑制和机舱轴向主动悬浮两部分，引入涡流阻尼和机舱重心下移被动平抑机舱俯仰，采用机舱悬浮控制器、悬浮干扰补偿器以及变流器反电动势自适应补偿的轴向主动悬浮控制策略，实现机舱的主被动悬浮。设计步骤包括风力磁悬浮机舱两自由度悬浮模型构建、机舱配重力臂设计、涡流铝板厚度设计、机舱悬浮控制器、干扰补偿器以及自适应反电动势补偿器等。本发明的实施可降低机舱悬浮主动悬浮自由度、悬浮设备复杂度以及故障率。

技术领域

本发明公开了一种风力磁悬浮机舱的主被动悬浮控制方法，是一种应用于悬浮物重量大、外部干扰多以及多自由度运动的有效控制方法，属于电气工程控制领域。

背景技术

风机偏航系统为大中型风力发电机组的核心组件，实现风力机舱前端的桨叶正面迎风，捕获最大风能。目前，风机偏航系统采用多电机、多齿轮驱动方式实现机舱偏航迎风，重达一吨的机舱以及多齿轮传动机制，使得机舱偏航功耗大、故障率高。曲阜师范大学新能源研究所将磁悬浮和盘式电机技术引入风机偏航系统，提出了风力磁悬浮偏航系统，包括悬浮绕组、偏航定子，以及将机舱、悬浮绕组构成一体的偏航旋转体，风向变化时，悬浮绕组上电产生电磁吸力悬浮机舱旋转体，在偏航定子三相交流电作用下，产生电磁转矩驱动机舱旋转体无摩擦偏航对风。

磁悬浮技术因不接触、无摩擦、维护费用低等优点，广泛应用于磁悬浮列车、磁悬浮轴承、离心式压缩机以及飞轮储能等领域；但磁悬浮本质的非线性、弱阻尼和开环不稳定特性，使其必须依赖主动悬浮控制才可实现悬浮稳定。采用多自由度主动控制，可实现多自由度悬浮物体稳定性能，但导致传感器、悬浮变流器以及控制器数量大，增加了控制难度、设备成本以及故障率。风力磁悬浮偏航系统运行在80m高的塔架上，桨叶侧和尾翼侧受力不均，机舱存在轴向和俯仰两维运动，采用两自由度主动控制，必然要将悬浮绕组按照桨叶侧和尾翼侧等量分割，分别设置气隙传感器、悬浮变流器以及控制器，虽然可大幅提升机舱悬浮性能，但将导致机舱悬浮设备复杂、控制难度大、故障率高。减少主动控制自由度，提升被动悬浮刚度和阻尼，是降低悬浮故障率和悬浮设备复杂度的有效途径。

发明内容

本发明的主要目的在于：采用机舱俯仰被动抑制和机舱轴向主动悬浮协同控制方法，减少主动悬浮控制自由度，降低悬浮故障率和悬浮设备复杂度。所述机舱俯仰被动抑制，采用涡流阻尼提升和机舱重心下移方法，被动平抑机舱俯仰，所述涡流阻尼提升是在风机偏航定子下侧安装涡流铝板，与机舱旋转体上悬浮绕组共同构成涡流阻尼系统；所述机舱重心下移是通过在机舱旋转体下侧设置俯仰配重，下移机舱重心，提升俯仰刚度；所述机舱轴向主动悬浮控制，采用机舱悬浮稳态控制器、悬浮干扰补偿器以及变流器反电动势自适应补偿器的机舱轴向主动悬浮控制策略。

1、风力磁悬浮机舱的主被动悬浮控制方法，设计步骤如下：

步骤1，构建风力磁悬浮机舱两自由度悬浮模型

a)采用电流微元法求取含涡流铝板的涡流阻尼力F_z和轴向悬浮力F

其中：S_a为总悬浮绕组面积，h为机舱悬浮有效气隙，a为悬浮绕组半径，I为悬浮电流，N为悬浮绕组匝数，c为涡流铝板厚度，σ为涡流铝板电导率，μ₀为真空导磁率,v为机舱悬浮速度。

b)风力磁悬浮机舱两自由度悬浮运动方程为