[发明专利]三相直线感应电机分段供电切换过程的实时仿真建模方法

说明书

本发明属于实时仿真建模领域，具体涉及了一种三相直线感应电机分段供电切换过程的实时仿真建模方法，旨在解决现有分段供电三相直线感应电机的仿真建模未考虑分段供电特性或未对分段供电切换开关进行建模的问题。本发明包括：基于三相直线感应电机的三相晶闸管通断信号获取三相晶闸管开关状态；结合变流器输出对地相电压值计算三相直线感应电机输入可变电压源和虚拟定子电阻值；构建定子和转子的磁链及电流状态方程；结合三相直线感应电机输入可变电压源和虚拟定子电阻值获取三相直线感应电机切换过程的电流，实现三相直线感应电机分段供电切换过程的实时仿真建模。本发明实现了基于晶闸管开关分段供电的三相直线感应电机切换过程的实时仿真建模。

背景技术

高速直线电磁推进技术可将电能直接转化为机械能，可应用于工业、交通和国防领域。长初级直线感应电机动子结构简单，适用于短时、大推力和高速系统。为了减少供电变流器的电压等级，通常采用分段供电方式，由切换开关实现多个短定子段分时供电。随着被推进物体速度需求的不断增加，百毫秒级切换时间的机械开关已无法满足切换时间需求，采用基于电力电子设备的固态开关，最快可实现微秒级的切换过程。目前，固态开关通常采用全控型的IGBT或者半控型的晶闸管，全控型的IGBT具有较好的关断电流能力，然而其电流和串联耐压能力通常不高，造价也较高；半控型的晶闸管，关断过程需依靠晶闸管电流自然过零点，但是其通流、串联耐压和造价都优于IGBT。对于10kV和10kA以上分段供电场合，基于晶闸管开关的分段供电具有一定的优势。

高速直线电磁推进系统由长定子直线电机、分段供电开关、变频供电电源等子系统构成。系统中定子段、晶闸管开关和变流器数量多且结构复杂，为了降低系统的开发和调试风险，设备运送到现场之前需做充分的硬件在环测试实验。硬件在环可实现对高速直线电磁推进系统信息部分，包括控制策略、保护动作、逻辑、时序、通讯可靠性、硬件设备性能及各种运行工况进行全方位的模拟和测试，经过硬件在环测试的信息系统可直接应用于工程现场，大大降低了系统开发和测试的风险。硬件在环测试设备的关键是对被模拟设备进行实时仿真数学建模，该建模方法不同于传统的电路仿真建模，实时仿真数学模型的实际计算时间需小于仿真步长。通过需要拆分状态方程计算矩阵、避免非线性器件迭代运算、采用分布式并行运算等技术实现实时仿真。

对高速直线电磁推进系统的实时仿真建模，基于晶闸管开关分段供电的三相直线感应电机切换过程是个难点。基于双向晶闸管的交流切换开关可实现分段供电的快速切换，然而晶闸管为半控型电流源器件，双向晶闸管的开通条件为门级加触发信号，关断条件为门级无触发信号且主端子间的正向电流小于维持电流。因此，晶闸管的关断过程需由外部电路决定，包括直线感应电机和变流器，采用电路矩阵仿真方法时，需对其非线性特征进行迭代运算，且每一次开关动作会改变电路导纳矩阵系统，增加仿真计算量难以实现实时仿真。变流器通常采用电压源型变流器，电机的状态方程输入为电压，然而晶闸管为电流源型开关，也为实时仿真带来较大困难。一些文献提出了一种单边复合次级直线感应电机力特性建模分析方法[1]，该方法主要针对直线电机的推力和法向力进行建模分析，然而其供电为理想的电流源，并未考虑直线感应电机的分段供电特性。另一些文献提出了一种直线电机进给系统机电集成建模方法[2]，该方法主要分析驱动系统及电机本体的非线性特征，建立系统机电集成模型，然而该方法并未对分段供电切换开关进行建模。

以下文献是与本发明相关的技术背景资料：

[1]兰志勇、陈财、沈凡享，一种单边复合次级直线感应电机力特性建模分析方，2019-03-27，CN109992874A.

[2]杨晓君、赵万华、刘辉等，一种直线电机进给系统机电集成建模方法，2017-12-23，CN108021039A.

发明内容