本課題是國家自然科學基金重點資助項目“微型燃氣輪機一高速發電機分布式發電與能量轉換系統研究”(50437010)的部分研究內容。高速電機的體積小、功率密度大和效率高,正在成為電機領域的研究熱點之一。高速電機的主要特點有兩個:一是轉子的高速旋轉,二是定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率,由此決定了不同于普通電機的高速電機特有的關鍵技術。本文針對高速永磁電機的機械與電磁特性及其關鍵技術進行了深入地研究,主要包括以下內容: 首先,進行了高速永磁電機轉子的結構設計與強度分析。根據永磁體抗壓強度遠大于抗拉強度的特點,提出了一種采用整體永磁體外加非導磁高強度合金鋼護套的新型轉子結構。永磁體與護套之間采用過盈配合,用護套對永磁體施加的靜態預壓力抵消高速旋轉離心力產生的拉應力,使永磁體高速旋轉時仍承受一定的壓應力,從而保證永磁轉子的安全運行。基于彈性力學厚壁筒理論與有限元接觸理論,建立了新型高速永磁轉子應力計算模型,確定了護套和永磁體之間的過盈量,計算了永磁體和護套中的應力分布。該種轉子結構和強度計算方法已應用于高速永磁電機的樣機設計。 其次,進行了高速永磁轉子的剛度分析和磁力軸承—轉子系統的臨界轉速計算。基于電磁場理論分析了磁力軸承支承的各向同性,利用氣隙靜態偏置磁通密度計算了磁力軸承的線性支承剛度,在對高速電機轉子結構離散化的基礎上建立了磁力軸承—轉子系統的動力學方程,采用有限元法計算了高速永磁電機轉子的臨界轉速。利用該計算方法設計的1臺采用磁力軸承的高速電機,已成功實現60000r/min的運行。 再次,進行了高速永磁電機的定子設計,提出了一種新型環形繞組結構。環型繞組線圈的下層邊放在定子鐵心的6個槽中,而上層邊分布在定子鐵心軛部外緣的24個槽中,不但增加了定子表面的通風散熱面積,使冷卻氣流直接冷卻定子繞組,更為重要的是,解決了傳統2極電機繞組端部軸向過長的難題,使轉子軸向長度大為縮短,從而增加了高速永磁電機轉子系統的剛度。 然后,采用場路耦合以及解析與實驗相結合的方法,分析計算了高速永磁電機的損耗和溫升,并對高速永磁發電機的電磁特性進行了仿真。高速電機的優點是體積小和功率密度大,然而隨之而來的缺點是單位體積的損耗大,以及因散熱面積小造成的散熱困難。損耗和溫升的準確計算對高速電機的安全運行至關重要。為了準確計算高速電機的高頻鐵耗,對定子鐵心所采用的各向異性冷軋電工鋼片制作的試件,進行了不同頻率和不同軋制方向的導磁性能和損耗系數測定。然后采用場路耦合的方法,分析計算了高速電機的定子鐵耗和銅耗、轉子護套和永磁體內的高頻附加損耗以及轉子表面的風磨損耗。在損耗分析的基礎上,計算了高速電機的溫升。最后,設計制造了一臺額定轉速為60000r/min的高速永磁電機試驗樣機,并進行了初步的試驗研究。測量了電機在不同轉速下空載運行時的定、轉子溫升及定子繞組的反電動勢波形。通過與仿真結果的對比,部分驗證了高速永磁電機理論分析和設計方法的正確性。在此基礎上,提出一種高速永磁電機的改進設計方案,為進一步的研究工作打下了基礎。
上傳時間: 2013-04-24
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針對空間電壓欠量脈寬調制過程中存在的問題,采用理論推演與軟件設計方法,在介紹了s V P w M 的基本原理的基礎上,利用T I 公司的 D S P電機控制芯片 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7設計了S V P W M的實現方法,并給出 j - 變頻調速系統的全數字化實現。 通過對永磁同步電機進行控制仿真實驗,得到的結果表明此方法是切實可行V , J ,控制系統具有優良的動靜態性能,較高的控制效果,有廣泛的應用前景。
上傳時間: 2013-04-24
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隨國民經濟的飛速發展,用電量的日益增加,電網的經濟運行已是一個不可忽視的問題。因此,如何降低網損,提高電力系統的輸電效率,保證電力系統的經濟運行是電力系統面臨的實際問題,也是電力系統研究的主要方向之一。 電力系統在運行過程中,由于感性負載的存在,使電網無功功率大量增加。另外,近些年來,國民經濟各部門大力推廣使用各種新型的電力電子整流裝置,他們在減少能量耗損的同時,也帶來了功率因數下降、電壓波動、閃變、三相不平衡以及諧波干擾等問題。其最終結果都是使配電設備的使用效能得不到充分發揮,設備的附加功耗增加。因此,進行有效的無功功率補償,提高功率因數是電網及電力系統安全經濟運行的重要保證。毫無疑問,無功功率補償的研究勢在必行。 我國與世界上發達國家相比,無論從電網功率因數還是補償深度來看,都有較大差距,因此在我國大力推廣無功補償技術尤為迫切。 對于實際應用的MCR,要求能夠自動控制。本文采用以單片機為核心的控制器方案,包括檢測電路、控制電路、觸發電路、鍵盤顯示電路和通信電路等。檢測電路用于檢測變壓器二次側的電壓和電流并獲耿同步信號;控制電路根據相應的控制策略,對檢測信號和給定輸入量進行計算,給出控制信號;觸發電路根據控制信號輸出的控制信號產生相應觸發角的晶閘管觸發脈沖;鍵盤可用來輸入各種控制指令,顯示電路可以直觀的輸出系統的各種狀態;通信電路提供與控制站的數據交換,以便實現電力系統的集中控制。 文中對補償器模型進行了實驗驗證,實驗結果與文中分析一致,說明了本文補償理論的正確性和可行性。
上傳時間: 2013-06-22
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微型燃微型燃氣輪發電機組由渦輪機、壓縮機、燃燒室、回熱器、軸承、高速發電機、電力變換系統、噴油系統等部分組成。它是一種環保型發電裝置,它可用作常規機組或緊急備用電源,也可以用于分布式發電及冷熱電聯供系統、汽車混合動力系統和微型燃機-燃料電池聯合系統等領域。因此,研究這種動力裝置具有很重要的實用意義。 本文在分析了微型燃氣輪發電機組及其控制技術發展現狀的基礎上,根據設計要求,機組控制系統應能保證機組安全穩定運行,保證機組在任何情況下,不發生超溫、超轉現象。同時應考慮機組從點火、加速、直至額定運行過程中,使機組能夠充分預熱,以降低對機組的熱沖擊,提高機組壽命。機組轉子轉速達到95%額定轉速后投入按額定轉速控制的閉環控制,保證發電機輸出電壓和電力輸出單元穩定工作。當發生一般性故障(按給定列表)且為無人職守狀態時,機組控制系統應正常停車:當機組發生一般性故障且為有人職守時,機組控制系統應發出聲光報警。當機組發生嚴重故障時機組控制系統應發出聲光報警并緊急停車。同時還應考慮設置機組調試時所需的與其它通信的數據接口。提出了微型燃氣輪發電機組控制系統的設計方案。 根據確定的方案和工程實際要求,完成了控制系統的結構、硬件和軟件的設計。以西門子S7-300PLC及相關的開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊作為發電機組的中心控制單元。完成了各PLC模塊硬件連接電路的設計,以及系統供電電路的設計,并完成了微型燃機發電機組的起動控制、檢測報警及停車控制的軟件設計。編程采用梯形圖語言,使程序更具可讀性。 本文采用德國西門子S7-300PLC及配套的I/0卡件作為微型燃機控制系統的主控制器;選用沈陽工業大學研制的全自動浮動式充電器作為電機的啟動直流電源;采用啟停自鎖邏輯解決了在停車后徹底切斷電瓶負載的問題。
上傳時間: 2013-04-24
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直流偏磁是變壓器的一種非正常工作狀態,是指在變壓器的勵磁電流中出現了直流分量。在直流輸電系統中,由于換流站的工作特性,有直流電流分量流過換流變壓器的繞組,產生直流偏磁現象,這一現象將對換流變壓器的正常運行產生不利的影響,如勵磁電流發生畸變、變壓器鐵心損耗增加及鐵心高度飽和引起的漏磁通增加。因此,從電磁場的角度分析這一現象是必要的。 由于鐵磁材料的非線性,不能應用疊加原理分析直流偏磁時的勵磁情況。為此,本文應用了二維瞬態場路直接耦合有限元法,借助大型有限元分析軟件Ansoft,定量分析了在不同等級直流偏磁電流作用下,換流變壓器空載運行狀態下的勵磁電流波形情況,結果表明,直流偏磁使鐵心中的磁通密度發生偏移,對應的勵磁電流波形呈現正負半波極不對稱的形狀,并且直流偏磁量越大勵磁電流的畸變越嚴重。 在求出直流偏磁量與勵磁電流峰值關系的基礎上,應用一種基于鐵心空載損耗數據的方法,定量分析了在不同等級直流偏磁電流作用下,換流變壓器鐵心損耗情況,結果表明,隨著直流偏磁電流的增加,鐵心損耗也會隨之增加,這會導致鐵心溫升上升,嚴重時會導致鐵心局部過熱,影響變壓器的正常運行。 在漏磁場分析中,討論了變壓器漏磁場的類型和作用,經過合理簡化,建立了換流變壓器二維漏磁場計算模型,應用二維瞬態場路直接耦合有限元法,分析了不同等級直流偏磁電流作用下,換流變壓器漏磁場分布情況,結果表明,隨著直流偏磁量的增加,不同位置處漏磁場分量的變化規律基本不變,但漏磁在增加,且不同位置漏磁分量增加的速率不同。
上傳時間: 2013-06-25
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隨著電力電子技術、微處理器技術以及新的電機控制技術的發展,交流調速性能日益提高。變頻調速技術的出現使交流調速系統有取代直流調速系統的趨勢。但是國民經濟的快速發展要求交流變頻調速系統具有更高的調速精度、更大的調速范圍和更快的響應速度,一般的通用變頻器已經不能滿足工業應用的需求,而交流電機矢量控制調速系統能夠很好的滿足這個要求。矢量控制(Field Oriented Control),能夠實現交流電機電磁轉矩的快速控制,本文對三相交流異步電機的矢量控制系統進行了研究和分析,以高性能數字信號處理器為硬件平臺設計了基于DSP的三相交流異步電機的矢量控制系統,并分析了逆變器死區效應的產生,實現了逆變器死區的補償。 本文介紹了交流調速及其相關技術的發展,變頻調速的方案以及國內外對矢量控制的研究狀況。以三相交流異步電機在三相靜止坐標系下的數學模型為基礎,通過Clarke變換和Parke變換得到三相交流異步電機在兩相旋轉坐標系下的數學模型,并利用轉子磁場定向的方法,對該模型進行分析,設計了轉子磁鏈觀測器,以實現交流電機電流量的有效解耦,得到定子電流的轉矩分量和勵磁分量。仿照直流電機的控制方法,設計了矢量控制算法的電流與速度雙閉環控制系統。設計了以TMS320LF2407A為主控制器的硬件平臺,在此基礎上實現了矢量控制算法,論述了電壓空間矢量調制(SVPWM)的原理和方法,并對其進行了改進。最后對逆變器的死區進行了補償。 實驗表明基于轉子磁場定向的矢量控制(FOC)系統,結構簡單,電流解耦方便,動態性能好,精度較高,能夠基本滿足現代交流電機控制系統的轉矩和速度要求。
上傳時間: 2013-05-24
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在永磁無刷直流電機中,即使電樞繞組不通電,由于水磁體產生的磁場同定子鐵芯的齒槽相互作用而產生轉矩,即齒槽定位力矩。定位力矩使電機輸出轉矩波動,產生振動和噪聲。影響齒槽轉矩的因素很多,如齒槽的數量、齒槽形狀、斜槽角度、磁鋼的極弧系數以及輔助凹槽等等,因此,準確計算定位力矩較為復雜。本文利用麥克斯韋張量法來分析定位力矩,為電機設計提供理論參考。文中闡述了齒槽力矩產生機理,綜述了抑制齒槽轉矩的方法,探討了抑制齒槽轉矩的發展趨勢。 本文以永磁無刷直流電機為對象,利用Ansoft有限元仿真軟件,通過有限元分析對改變槽口寬度、定子斜槽、改變極弧系數和定子沖片增加輔助凹槽對定位力矩的影響進行了研究。深入分析了沖片輔助凹槽對抑制永磁無刷直流電機定位力矩的作用,因為沖片面加輔助凹槽的方法,生產中便于加工,對電機性能影響很小。結果表明,同一沖片上在對稱位置上排布輔助凹槽能取得很好的效果,而以沖片中心線對稱地加兩個輔助凹槽時,輔助凹槽角度不同作用不同。對不同沖片,適合的輔助凹槽角度也是不同的。 最后對這幾種抑制定位力矩的方法進行優化組合,找出了一個最優的抑制永磁無刷直流電機定位力矩的方案。
上傳時間: 2013-06-18
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隨著焊接技術、控制技術以及計算機信息技術的發展,對于數字化焊機系統的研究已經成為熱點,本文開展了對數字化IGBT逆變焊機控制系統的研究工作,設計了數字化逆變焊機的主電路和控制系統的硬件部分。 本文首先介紹了“數字化焊機”的概念,分析了數字化焊機較傳統的焊機的優勢,然后結合當前數字化焊機的國內外發展形勢,針對數字信號處理技術的特點,闡明了進行本課題研究的必要性和研究內容。文章隨后列出了整個數字化逆變焊機的設計思路和方案,簡要介紹了數字信號處理器(DSP-Digital SignalProcessing)的特點,較為詳細地解釋了以DSP為核心的控制系統設計過程。根據弧焊電源控制的要求,選擇了控制器的DSP型號。 逆變焊機的主電路采用輸出功率較大的IGBT全橋式逆變結構(逆變頻率20KHz),由輸入整流濾波電路、逆變電路、中頻變壓器、輸出整流電路和輸出直流電抗器組成。文中簡略介紹了主電路的設計要點及元件的選型和參數的計算,并對所設計的主電路進行了Matlab計算機仿真研究。 在控制系統的設計中,采用TI(美國德州儀器)公司的DSP(TMS320LF2407)芯片作為CPU,由于其速度快(40MHz)、精度高(16bits)等特點,為弧焊逆變器控制系統真正實現數字化提供了條件。在DSP最小系統、電壓電流采樣調理模塊、保護模塊、鍵盤與顯示模塊等主要模塊的作用下對整個焊接電源進行了實時的閉環控制與焊接過程的實時監控。控制電路采用脈寬調制方式(PWM)進行輸出控制,即:控制IGBT的導通時間來實現焊機輸出功率與輸出特性的控制。設計了專門的“分頻電路”,DSP輸出的控制脈沖經過“分頻電路”分成兩路后,再經IGBT專用驅動模塊M57959L,進行功率放大后,觸發IGBT。DSP對輸出電流和電弧電壓進行實時采樣,采用離散的PI控制算法計算后,輸出相應的控制量來實時調節IGBT驅動脈沖的脈寬,進而調制輸出電流,達到控制焊機輸出的目的。 經過實驗,得到了相應的輸出電壓電流波形、PWM波形和IGBT門極驅動的實驗波形,該控制系統基本符合逆變焊機的工作要求。 最后,在對本文做簡要總結的基礎上,對于本逆變焊機的進一步完善工作提出了建議,為數字化焊機控制系統今后更加深入的研究奠定了良好的基礎。
上傳時間: 2013-08-01
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超聲波電機(Ultrasonic Motor簡稱USM)是八十年代發展起來的新型微電機。本文針對超聲波電機及其控制技術的研究現狀和發展趨勢,以我國研究技術相對比較成熟并有產業化前景的行波超聲波電機(Traveling-wave Ultrasonic Motor簡稱TUSM)的伺服控制技術為研究對象,以直徑60mm的行波超聲波電機TUSM60為研究實例,在特性測試、動穩態性能分析,辨識模型建立、控制策略與控制算法的選擇與實現等方面展開研究。本論具體的研究內容為: 在分析超聲波電機研究歷史和現狀的基礎上,結合國內外超聲波電機特別是行波超聲波電機控制技術的發展趨勢,重點論述了行波超聲波電機及其驅動控制技術的研究進展。 介紹行波超聲波電機的基本結構,并從該電機的主要理論基礎--壓電原理、行波合成、接觸模型出發,分析了行波超聲波電機定子質點的運動方程.并結合定轉子摩擦接觸特點,分析了行波超聲波電機的運行機理。 根據對行波超聲波電機測試和高精度控制的要求,研制出基于雙DSP和FPGA的超聲波電機高性能測試控制平臺。其中控制核心采用了雙DSP結構,可以在對行波超聲波電機進行控制的同時,將必要的參數讀取出來進行分析和研究。為行波超聲波電機瞬態特性分析以及控制策略、控制算法的深入研究打下了基礎。 對電機的瞬態、穩態特性進行的測試,可以分析驅動頻率、電壓以及相位差等調節量對電機輸出的影響。在此基礎上進一步對行波超聲波電機的調節方式、控制算法選擇方面進行分析,并得到相應結論。 通過對實驗數據的總結和歸納,利用系統辨識中的非參數方法,建立在特定頻率條件下的近似線性模型。在行波超聲波電機工作范圍內,辨識若干組不同頻率條件下的近似線性模型,將這些模型的參數進行二維或三維擬合,可以得到一個關于行波超聲波電機傳遞函數的模型。辨識模型的建立為合理的選擇和優化控制參數,控制效果的驗證等提供了行之有效的手段。 在對行波超聲波電機的速度控制、位置控制展開的研究中.首先利用遺傳算法對常規PI恒轉速控制的控制參數整定及修正方法進行了研究;利用神經元的在線自學習能力,研究和設計單神經元PID-PI轉速控制器,提高控制系統對電機非線性和時變性的適應能力;為了消除在伺服控制中,單一調節量(驅動頻率)情況下,低轉速的跳躍問題,研究和討論了多調節量分段控制方法,并利用模糊控制對控制方法的有效性進行了驗證;在位置控制中,利用轉速控制研究的結果,研究和設計了位置--速度雙環(串級)控制器,實現了電機高精度位置伺服控制。 通過對已有控制系統的改進和簡化,設計和研制了具有實用化價值行波超聲波電機控制器:并將研究成果應用于針對核磁成像設備而設計的行波超聲波電機隨動控制系統中,同時嘗試了將該控制器用于高精度X-Y兩維定位平臺。
上傳時間: 2013-07-13
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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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