勵磁控制系統是同步發電機的重要組成部分，它的特性好壞直接影響電機及電力系統運行的可靠性和穩定性。 基于此，利用仿真的方式對勵磁控制系統進行了研究并給出了相關結論，同時提出了一些新的控制算法，并建立了一個勵磁控制系統仿真平臺。 首先，從同步電機和勵磁系統的模型入手，根據研究需要修改了同步電機的仿真模型，詳細地介紹了檢測單元、控制單元和勵磁系統主回路模型，在總結普通PID調節方式不足的基礎上提出了一種性能優越的非線性PID控制方式。 其次，分別在有刷和無刷勵磁系統下，對普通PID、非線性PID和模糊自適應PID三種控制方式在階躍響應和突變負載的情況下進行仿真，對輸出的機端電壓進行分析并得出相關結論。 除了對通用的勵磁控制算法進行仿真分析外，提出了一種基于同步電機本身的勵磁控制算法，這種控制方式是對勵磁電流進行閉環控制，并輔以非線性的PID控制進行進行精度調節。針對這種方式，提出了兩種實現方案。同樣在有刷和無刷勵磁系統下進行階躍響應和突變負載的仿真分析研究。仿真測試表明，這種控制算法在控制的快速性和穩定性方面優于通用的控制方式。 最后，鑒于勵磁控制系統仿真的重復性及操作的繁瑣性，建立了一種基于MATLAB GUI的勵磁控制仿真平臺，借助此平臺對SIMULINK模型操作，可以方便地實現對參數的設置與修改、模型的查看和修正、仿真的顯示及相關的輔助操作等等，可以極大地簡化仿真的操作過程，提高仿真的效率。另外，此平臺的實現也為其它系統類型仿真界面的建立提供了重要的參考。
上傳時間： 2013-04-24
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帶整流負載的同步發電機在一些需要高品質直流電源的場所，如艦船電力推進、郵電通訊、飛機等電源系統得到了廣泛應用，并且受到了許多學者的關注，其研究領域主要涉及數字仿真、數學模型、穩態分析以及運行穩定性等方面。 本文對MATLAB/Simulink中的電機模型進行了深入的研究。針對MATTAB中電機仿真模型的不足和本文研究的需要，提出了同步發電機定、轉子分解的狀態方程，利用MATLAB工具箱建立了新的同步電機仿真模型并進行了封裝，為進行帶整流橋負載同步電機系統的分析與研究打下了很好的基礎。 對帶整流橋負載同步發電機整流系統穩態運行特性進行了分析，采用定、轉子分解模型建立了整流系統仿真模型。證明了在假定轉子磁鏈守恒，即忽略轉子電阻影響的條件下，定、轉子分解模型很容易轉變為帶三相對稱非線性負載的同步電機穩態分析模型。介紹了根據這一模型推導出的解析計算公式，給出了計算方法和步驟，并編寫了計算程序，便于工程上直接使用。與仿真結果的對比驗證了該解析計算的正確性。同時，仿真證實了忽略轉子電阻影響會給計算結果帶來一定的誤差，但是，在轉子電阻正常值范圍內，忽略其影響是允許的。 對帶有反電動勢負載的同步發電機整流系統的穩定性進行了仿真研究，將系統中的各個參數對系統穩定性的影響進行了仿真。為了解決穩定性仿真計算量大、計算時間長的問題，利用同步電機換相計算的穩態公式，對同步電機分解模型的定子部分和整流橋部分進行了簡化處理，得到了同步發電機整流系統穩定性分析簡化模型。通過兩種模型的仿真計算，證實了該簡化模型與非簡化模型的仿真結果相當一致。這樣既解決了帶有反電動勢負載的同步發電機整流系統的穩定性仿真計算的計算速度問題，也證明了換相過程及其產生的諧波對系統的穩定性沒有影響。
上傳時間： 2013-06-19
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本文首先簡述了交流調速系統的發展和研究重點，介紹了異步電機調速系統的不同控制策略，詳細論述了異步電機矢量控制系統的基本原理：異步電機的數學模型和坐標變換、矢量控制的基本方程式、轉子磁鏈的觀測方法、矢量控制的系統結構等，并重點分析了空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術的基本原理、控制算法以及在TMS320LF2407中的實現方法。 從工程實際應用出發，本文設計和開發了一套以DSP芯片TMS320LF2407為核心的有速度傳感器異步電機矢量控制系統，并給出了硬件和軟件的實現方法。該系統的功率電路采用電壓型的交-直-交變壓變頻結構，由整流電路、濾波電路及智能功率模塊IPM(PM15RSH120)逆變電路構成；控制電路以DSP芯片TMS320LF2407為核心，加上PWM信號發生電路、定子電流檢測電路、直流母線電壓檢測電路、智能功率模塊驅動電路、速度檢測電路、系統保護電路等，構成了功能齊全的異步電機全數字化矢量控制系統。 在此基礎上，本文對無速度傳感器異步電機矢量控制系統進行了有益的探索。提出了改進的電壓型轉子磁鏈估算模型，消除了電壓型轉子磁鏈估算模型中純積分環節所固有的漂移問題和積累誤差對實際系統性能的影響。在傳統型參考自適應系統基礎上，將系統中原有的自適應調節機構用一個具有在線學習能力的模糊神經網絡取代，提出一種基于模糊神經網絡的異步電機轉速估計方法，并給出了速度估計器的模糊神經網絡結構和學習算法。最后對基于模糊神經網絡轉速估計的異步電機矢量控制系統進行了仿真，結果表明該系統具有良好的性能。
上傳時間： 2013-07-02
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矢量控制作為一種先進的控制策略，是在電機統一理論、機電能量轉換和坐標變換理論的基礎上發展起來的，具有先進性、新穎性和實用性的特點。它是以交流電動機的雙軸理論為依據，將定子電流矢量分解為按轉子磁場定向的兩個直流分量：一個分量與轉子磁鏈矢量重合，稱為勵磁電流分量；另一個分量與轉子磁鏈矢量垂直，稱為轉矩電流分量。通過控制定子電流矢量在旋轉坐標系的位置及大小，即可控制勵磁電流分量和轉矩電流分量的大小，實現像直流電動機那樣對磁場和轉矩的解耦控制。本文研究的是以TMS320LF2407ADSP和FPGA為控制核心的矢量控制變頻調速系統。 分析了脈寬調制和矢量控制的原理與實現方法，從而建立了異步電動機的數學模型。對于矢量控制，分析了矢量控制的基本原理和控制算法，推導了三相坐標系、兩相靜止與旋轉坐標系下的電機基本方程和矢量控制基本公式。同時在進行相應的坐標變換以后，得到了間接磁場定向型變頻調速系統的矢量控制圖，并結合TMS320LF2407ADSP完成了具體的實現方法，根據矢量控制的基本原理，設計了一種基于DSP和FPGA的SVPWM冗余系統。 在硬件方面，以TMS320LF2407ADSP和EP1C12Q240FPGA為控制器，兩者之間通過雙口RAMIDT7130完成數據的交換，并能在一方失控時另一方立即產生SVPWM波形。同時完成無線遙控、速度給定、數據顯示以及電流、速度檢測和保護等功能，也對變頻調速系統的主電路、電源電路、FPGA配置電路、無線遙控電路、LCD顯示電路、保護電路、電流和轉速檢測電路作了簡單的介紹。在軟件方面，給出了基于DSP的矢量控制系統軟件流程圖，并用C語言進行了編程。用硬件描述語言Verilog對FPGA進行了編程，并給出了相關的仿真波形。MATLAB仿真結果表明，本文研究的調速系統的矢量控制算法是成功的，并實現了對電機的高性能控制。
上傳時間： 2013-07-09
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高速電機由于轉速高、體積小、功率密度高，在渦輪發電機、渦輪增壓器、高速加工中心、飛輪儲能、電動工具、空氣壓縮機、分子泵等許多領域得到了廣泛的應用。永磁無刷直流電機由于效率高、氣隙大、轉子結構簡單，因此特別適合高速運行。高速永磁無刷直流電機是目前國內外研究的熱點，其主要問題在于：（1）轉子機械強度和轉子動力學；（2）轉子損耗和溫升。本文針對高速永磁無刷直流電機主要問題之一的轉子渦流損耗進行了深入分析。轉子渦流損耗是由定子電流的時間和空間諧波以及定子槽開口引起的氣隙磁導變化所產生的。首先通過優化定子結構、槽開口和氣隙長度的大小來降低電流空間諧波和氣隙磁導變化所產生的轉子渦流損耗；通過合理地增加繞組電感以及采用銅屏蔽環的方法來減小電流時間諧波引起的轉子渦流損耗。其次對轉子充磁方式和轉子動力學進行了分析。最后制作了高速永磁無刷直流電機樣機和控制系統，進行了空載和負載實驗研究。論文主要工作包括： 一、采用解析計算和有限元仿真的方法研究了不同的定子結構、槽開口大小、以及氣隙長度對高速永磁無刷直流電機轉子渦流損耗的影響。對于2極3槽集中繞組、2極6槽分布疊繞組和2極6槽集中繞組的三臺電機的定子結構進行了對比，利用傅里葉變換，得到了分布于定子槽開口處的等效電流片的空間諧波分量，然后采用計及轉子集膚深度和渦流磁場影響的解析模型計算了轉子渦流損耗，通過有限元仿真對解析計算結果加以驗證。結果表明：3槽集中繞組結構的電機中含有2次、4次等偶數次空間諧波分量，該諧波分量在轉子中產生大量的渦流損耗。采用有限元仿真的方法研究了槽開口和氣隙長度對轉子渦流損耗的影響，在空載和負載狀態下的研究結果均表明：隨著槽開口的增加或者氣隙長度的減小，轉子損耗隨之增加。因此從減小高速永磁無刷電機轉子渦流損耗的角度考慮，2極6槽的定子結構優于2極3槽結構。 二、高速永磁無刷直流電機額定運行時的電流波形中含有大量的時間諧波分量，其中5次和7次時間諧波分量合成的電樞磁場以6倍轉子角速度相對轉子旋轉，11次和13次時間諧波分量合成的電樞磁場以12倍轉子角速度相對轉子旋轉，這些諧波分量與轉子異步，在轉子保護環、永磁體和轉軸中產生大量的渦流損耗，是轉子渦流損耗的主要部分。首先研究了永磁體分塊對轉子渦流損耗的影響，分析表明：永磁體的分塊數和透入深度有關，對于本文設計的高速永磁無刷直流電機，當永磁體分塊數大于12時，永磁體分塊才能有效地減小永磁體中的渦流損耗；反之，永磁體分塊會使永磁體中的渦流損耗增加。為了提高轉子的機械強度，在永磁體表面通常包裹一層高強度的非磁性材料如鈦合金或者碳素纖維等。分析了不同電導率的包裹材料對轉子渦流損耗的影響。然后利用渦流磁場的屏蔽作用，在轉子保護環和永磁體之間增加一層電導率高的銅環。有限元分析表明：盡管銅環中會產生渦流損耗，但正是由于銅環良好的導電性，其產生的渦流磁場抵消了氣隙磁場的諧波分量，使永磁體、轉軸以及保護環中的損耗顯著下降，整體上降低了轉子渦流損耗。分析了不同的銅環厚度對轉子渦流損耗的影響，研究表明轉子各部分的渦流損耗隨著銅屏蔽環厚度的增加而減小，當銅環的厚度達到6次時間諧波的透入深度時，轉子損耗減小到最小。 三、對于給定的電機尺寸，設計了兩臺電感值不同的高速永磁無刷直流電機，通過研究表明：電感越大，電流變化越平緩，電流的諧波分量越低，轉子渦流損耗越小，因此通過合理地增加繞組電感能有效的降低轉子渦流損耗。 四、研究了高速永磁無刷直流電機的電磁設計和轉子動力學問題。對比分析了平行充磁和徑向充磁對高速永磁無刷直流電機性能的影響，結果表明：平行充磁優于徑向充磁。設計并制作了兩種不同結構的轉子：單端式軸承支撐結構和兩端式軸承支撐結構。對兩種結構進行了轉子動力學分析，實驗研究表明：由于轉子設計不合理，單端式軸承支撐結構的轉子轉速達到40，000rpm以上時，保護環和定子齒部發生了摩擦，破壞了轉子動平衡，導致電機運行失敗，而兩端式軸承支撐結構的轉子成功運行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁無刷直流電機樣機和控制系統，進行了空載和負載實驗研究。對比研究了PWM電流調制和銅屏蔽環對轉子損耗的影響，研究表明：銅屏蔽環能有效的降低轉子渦流損耗，使轉子損耗減小到不加銅屏蔽環時的1/2；斬波控制會引入高頻電流諧波分量，使得轉子渦流損耗增加。通過計算繞組反電勢系數的方法，得到了不同控制方式下帶銅屏蔽環和不帶銅屏蔽環轉子永磁體溫度。采用簡化的暫態溫度場有限元模型分析了轉子溫升，有限元分析和實驗計算結果基本吻合，驗證了銅屏蔽環的有效性。
上傳時間： 2013-05-18
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在伺服系統中，為了實現高精度的控制，往往需要實時地檢測出電動機轉子的位置。用來檢測電動機轉子位置的角度傳感器主要有光電編碼器和旋轉變壓器。光電編碼器雖然能夠達到很高的精度，但是它的抗干擾性差，不宜應用在條件惡劣的場合中；相比較而言，旋轉變壓器（簡稱旋變）由于結構簡單，堅固耐用，抗干擾性強，能夠應用在各種條件惡劣的場合中，所以獲得了越來越廣泛的應用。 本文采用的旋變樣機是一種新型的磁阻式旋轉變壓器。分析了它的定轉子結構、定子繞組的連接方式以及轉子形狀的優化；并在此基礎上，推導出了它的正余弦輸出反電勢的表達式；最后在電磁場分析軟件Ansoft中，以樣機為原型建立了仿真模型，分析了它內部的電磁場分布以及正余弦輸出反電勢的波形。 其次，本文設計了一種以DSP為核心的R2D電路系統。它以振蕩電路產生的正弦波電壓信號作為旋變的激勵信號，加上相關的外圍電路，構成了旋轉變壓器一數字轉換器，解算出了旋變的軸角θ；并在此基礎上，分析了產生角度解算誤差的各種因素，同時計算出了旋變的轉速n。 最后，在上述解算方案的基礎上，本文又給出了第二種解算方案，即：DSP產生的方波經過濾波之后作為旋變的激勵信號，解算出了旋變的軸角θ；然后比較了這兩種解算方案的優缺點，重點分析了激勵信號中的諧波分量對正余弦輸出反電勢以及角度解算的影響。
上傳時間： 2013-04-24
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永磁同步發電機由于一系列高效節能的優點，在工農業生產、航空航天、國防和日常生活中得到廣泛應用，并且受到許多學者的關注，其研究領域主要涉及永磁同步發電機的設計、精確性能分析、控制等方面。 本課題作為國家自然科學基金項目《無刷無勵磁機諧波勵磁的混合勵磁永磁電機的研究》的課題，主要研究永磁電機的電磁場空載和負載計算，求出永磁電機的電壓波形和電壓調整率，為分段式轉子的混合勵磁永磁電機的研究奠定基礎，主要做了以下工作： 首先介紹了永磁同步發電機的基本原理，包括永磁同步發電機的結構形式和永磁同步發電機的運行性能，采用傳統解析理論給出了電壓調整率的計算方法及外特性的計算模型；然后用有限元ANSYS對永磁同步發電機樣機進行實體建模，經過定義分配材料、劃分網格、加邊界條件和載荷、求解計算等，得到矢量磁位Az、磁場強度H、磁感應強度B等結果，直觀地看出電機內部的磁場分布情況。 其次根據電磁場計算結果，應用齒磁通法對其進行后處理。該方法求解轉子在一個齒距內不同位置處的磁場，以定子齒的磁通為計算單位，根據繞組與齒的匝鏈關系，計算出磁鏈隨時間的變化，進而得到永磁同步發電機空、負載時電壓大小及波形。通過計算結果寫實驗結果對比，驗證了齒磁通法的正確性，為計算永磁同步發電機各種性能特性提供有力工具。 最后，基于齒磁通法對永磁同步發電機的外特性進行了深入研究，定量分析了結構參數對外特性的影響規律，提出了有效降低電壓調整率的方法的是：增加氣隙長度g的同時，適當增加永磁體的磁化方向的長度hm；此外，要盡量的減少每相串聯匝數N和增大導線面積以減小阻抗參數。通過改變電機的結構參數，對其電磁場進行計算，找到永磁電機電壓調整率的變化規律，為加電勵磁的混合勵磁永磁電機做準備，達到穩定輸出電壓的目的。
上傳時間： 2013-04-24
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目前離心機的變頻控制，采用的多是通用變頻器，沒有自主開發的離心機專用的交流調速控制器。同時，在控制方法上采用的主要還是V/F控制以及矢量控制，而效率更高，性能更好的直接轉矩控制方法則還沒有得到廣泛的應用。直接轉矩控制技術，用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制交流電動機的轉矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調節(Bang-Bang控制)產生PWM信號，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，獲得轉矩的高動態性能。直接轉矩控制，控制結構簡單、控制手段直接、信號處理的物理概念明確、轉矩響應迅速，限制在一拍內，是一種具有高動態響應的交流調速系統。本文通過對直接轉矩控制系統原理的分析、軟硬件的設計制作、系統的調試試驗，得到以下結論: ⑴直接轉矩控制系統，控制手段直接、信號處理的物理概念明確、轉矩動態響應迅速； ⑵直接轉矩控制系統中，低速階段轉矩脈動明顯，通過采用異步電動機適應全速的U-I模型，以及扇區細化等，可以有效減小轉矩脈動;由于轉矩和磁鏈采用離散的兩點式調節，即使在高速運行階段轉矩也有輕微的脈動，通過細分磁鏈扇區，采用空間矢量脈寬調制技術可以有效減小脈動，提高系統控制性能； ⑶直接轉矩控制系統中，檢測環節及其重要，特別是電壓、電流的檢測。無論采用哪種電機模型，電壓和電流都是最主要的參數，準確的電壓、電流檢測能夠增加電機模型的正確性，為控制提供基本的保障； ⑷直接轉矩控制系統中，對電機參數的要求簡單，只需要知道電動機定子電阻，因此直接轉矩控制系統的魯棒性強，易于移植。
上傳時間： 2013-04-24
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直接轉矩控制技術是繼矢量控制技術之后交流調速領域中新興的控制技術，它采用空間矢量的分析方法，在定子坐標系下計算并控制轉矩和磁鏈，以獲得轉矩的高動態性能。比較于矢量控制，它省去了復雜的矢量變換，克服了對電機轉子參數的依賴性，具有轉矩響應快的優點。然而，異步電動機的直接轉矩控制系統存在轉矩、電流和磁鏈脈動較大，開關頻率不恒定的問題。本文在傳統直接轉矩控制的基礎上，針對其存在的缺點提出了基于空間矢量脈寬調制的直接轉矩控制策略。 這種新型的直接轉矩控制策略使空間矢量脈寬調制技術和直接轉矩控制技術相結合。把電動機和PWM逆變器看成一體，使電動機獲得賦值恒定的近似理想的圓形磁場，解決其轉矩、電流、磁鏈脈動大，開關頻率不恒定的問題。在論文撰寫的過程中做了如下工作： 根據電機原理和坐標變換理論，建立定子正交α—β兩相靜止坐標系下的異步電動機的數學模型，包括電機的磁鏈模型、轉矩模型和運動方程。 設計PI控制器，該控制器把轉矩和磁鏈誤差信號轉換成參考電壓，然后通過坐標變換把參考電壓變換成SVPWM模塊所需的指令電壓，對SVPWM模塊進行控制。 設計SVPWM控制模塊，其中設計了期望電壓空間矢量的合成方法，矢量區段的判斷，計算了開關器件的導通時間和時刻。 通過理論分析和設計各個模塊，組成了控制系統逆變器部分的仿真模型。在MATLAB/SIMULINK仿真工具箱中搭建仿真模型，通過設置合理的仿真參數、電機參數、給定量參數以及PI控制器的控制參數對系統進行仿真研究，從而在理論上驗證系統設計的正確性。 仿真實驗結果證明了這種基于空間矢量脈寬調制的直接轉矩控制方法可以有效改善直接轉矩控制系統的性能。減小傳統直接轉矩控制中的磁鏈和轉矩脈動，并使逆變器工作在恒定的開關頻率。最后總結論文所做的研究工作，并展望了今后的研究重點和方向。
上傳時間： 2013-04-24
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勵磁系統是電力系統控制的重要組成部分，它直接影響著發電機的運行可靠性、經濟性和電力系統運行的穩定性。勵磁系統性能的優化與控制策略的研究，對發電機乃至整個電力系統的安全運行具有決定性的意義。 本文針對300MW同步發電機的技術特點，全面論述了勵磁系統主電路拓撲及輔助電路的工作原理。為提高勵磁系統的控制精度與實時性，本文以16位DSP為控制核心，對勵磁調節單元軟硬件的實現進行研究，以滿足發電機在不同運行工況下對勵磁系統控制性能的要求。 其次，本文在詳細闡述PID+PSS控制和線性最優勵磁控制理論的基礎上，客觀分析了兩種控制方式的優點與不足，綜合二者的優點引出了綜合勵磁控制的研究方法并在微機上成功實現。通過實驗發現，綜合勵磁控制器的性能更優越，其提高了勵磁系統的控制精度，改善了機組運行的穩定性。同時針對單參量PSS存在反調的不足，進行了算法改進，給出了加速功率型PSS的數學推理與軟件實現；根據機組的運行結果可知，該算法的改進不僅解決了傳統PSS的反調問題，而且優化了PSS抑制低頻振蕩的性能。 最后，本文利用發電機park微分方程，推導了發電機起勵與滅磁的數學方程。在Matlab/Simulink仿真環境下，建立了起勵與滅磁的仿真模型。給出了發電機自并起勵、他勵起勵和故障滅磁的仿真結果，并對結果進行客觀地分析，得出了有用的結論。
上傳時間： 2013-04-24
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