随着微电子技术、计算机技术、软件技术以及网络技术的高度发展及其在电子测控技术与仪器上的应用，新的测控理论、方法、测控领域以及新的仪器结构不断的出现，在许多方面已经冲破仪器的概念，电子测控仪器的功能和作用发生了质的变化。在这种背景下，八十年代末美国成功开发了图形化的计算机语言LabVIEW。 LabVIEW是美国NI公司实现虚拟仪器(VirtualInstrument-Ⅵ)技术的G语言。图形化编程开发平台的特点是基于通用计算机等标准软硬件资源平台，实现构建灵活、层次体系明晰、功能强大且人机界面友好的测控系统，因此在国内外许多测控应用中被广泛采用，但目前用LabVIEW实现的应用大多是基于单机运行的LabVIEW虚拟仪器程序。 本论文介绍了小型电站中多个任务的实时测控系统。系统采用分布式控制系统结构，将人机交互、数据采集等任务和控制任务分别交由测试计算机和控制计算机完成。该测控系统计算机应用软件是在LabVIEW平台上开发，实现了友好的人机交互，简单直观的现场数据监控，安全可靠的故障处理措施等功能。这个实时系统对电机的多个开关量、模拟量、温度信号、直流电动机和步进电动机等进行实时的数据采集和控制。 本设计通过基于优先级的设置和执行系统的选择，结合固定时间间隔调度和事件驱动机制，提出了基于LabVIEW平台测控系统的两级多任务调度策略。这些设计方案大大提高了测控系统的性能。按照软件工程学的观点对实时多任务测控系统进行了方案设计；开发了操作简单、界面友好、通用化程度高的测控系统。 本论文较全面系统深入地研究了LabVIEW的网络化功能。系统分析了LabVIEW的TCP/IP、DataSocket和RemotePanels三种网络通信机制，详细讨论了每种机制的原理及功能特点，并设计了相应的LabVIEW程序。实现了基于局域网的实时数据通信和远程控制。 此外，为了结果查询和数据分析，本课题还设计了用LabVIEW开发的数据库。
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本课题是国家自然科学基金重点资助项目“微型燃气轮机一高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”(50437010)的部分研究内容。高速电机的体积小、功率密度大和效率高，正在成为电机领域的研究热点之一。高速电机的主要特点有两个：一是转子的高速旋转，二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率，由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。本文针对高速永磁电机的机械与电磁特性及其关键技术进行了深入地研究，主要包括以下内容： 首先，进行了高速永磁电机转子的结构设计与强度分析。根据永磁体抗压强度远大于抗拉强度的特点，提出了一种采用整体永磁体外加非导磁高强度合金钢护套的新型转子结构。永磁体与护套之间采用过盈配合，用护套对永磁体施加的静态预压力抵消高速旋转离心力产生的拉应力，使永磁体高速旋转时仍承受一定的压应力，从而保证永磁转子的安全运行。基于弹性力学厚壁筒理论与有限元接触理论，建立了新型高速永磁转子应力计算模型，确定了护套和永磁体之间的过盈量，计算了永磁体和护套中的应力分布。该种转子结构和强度计算方法已应用于高速永磁电机的样机设计。 其次，进行了高速永磁转子的刚度分析和磁力轴承—转子系统的临界转速计算。基于电磁场理论分析了磁力轴承支承的各向同性，利用气隙静态偏置磁通密度计算了磁力轴承的线性支承刚度，在对高速电机转子结构离散化的基础上建立了磁力轴承—转子系统的动力学方程，采用有限元法计算了高速永磁电机转子的临界转速。利用该计算方法设计的1台采用磁力轴承的高速电机，已成功实现60000r/min的运行。 再次，进行了高速永磁电机的定子设计，提出了一种新型环形绕组结构。环型绕组线圈的下层边放在定子铁心的6个槽中，而上层边分布在定子铁心轭部外缘的24个槽中，不但增加了定子表面的通风散热面积，使冷却气流直接冷却定子绕组，更为重要的是，解决了传统2极电机绕组端部轴向过长的难题，使转子轴向长度大为缩短，从而增加了高速永磁电机转子系统的刚度。 然后，采用场路耦合以及解析与实验相结合的方法，分析计算了高速永磁电机的损耗和温升，并对高速永磁发电机的电磁特性进行了仿真。高速电机的优点是体积小和功率密度大，然而随之而来的缺点是单位体积的损耗大，以及因散热面积小造成的散热困难。损耗和温升的准确计算对高速电机的安全运行至关重要。为了准确计算高速电机的高频铁耗，对定子铁心所采用的各向异性冷轧电工钢片制作的试件，进行了不同频率和不同轧制方向的导磁性能和损耗系数测定。然后采用场路耦合的方法，分析计算了高速电机的定子铁耗和铜耗、转子护套和永磁体内的高频附加损耗以及转子表面的风磨损耗。在损耗分析的基础上，计算了高速电机的温升。最后，设计制造了一台额定转速为60000r/min的高速永磁电机试验样机，并进行了初步的试验研究。测量了电机在不同转速下空载运行时的定、转子温升及定子绕组的反电动势波形。通过与仿真结果的对比，部分验证了高速永磁电机理论分析和设计方法的正确性。在此基础上，提出一种高速永磁电机的改进设计方案，为进一步的研究工作打下了基础。
上传时间： 2013-04-24
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上传时间： 2013-07-07
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低压断路器是电力系统中低压配电网中的主要电器开关之一，它不仅可以接通和分断正常负载电流和过载电流，而且可以接通和分断短路电流。主要在频繁操作的低压配电线路或开关柜中作为电源开关使用，并对线路、电器设备等实行保护，当它们发生严重过流、过载、短路、断相、漏电等故障时，能自动切断线路，起保护作用，应用十分广泛。智能控制器是断路器上的保护装置，也是断路器的核心控制装置。 20世纪90年代，随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，断路器的保护装置己由传统的电磁式过流脱扣器发展成采用集成电路的电子式脱扣器，直至目前出现了带高性能微处理器的智能控制器。新一代的智能控制器采用了模块化结构设计，集测量、监视、控制、通信、保护等功能于一体，在低压系统中得到了广泛的应用。 在本课题中，该智能控制器在硬件上以美国Microchip公司推出的公司生产的PIC148F448为核心处理器，主要进行数据的实时采集处理和断路器的故障保护，实时显示线路运行时电流或故障信息等。利用带有CAN接口的高性能的PIC18F448单片机设计了CAN总线接口，给出了CAN接口的硬件电路、软件流程。该电路具有硬件设计简单、可靠性高、实时性强等特点。实现了智能控制器与PC机的双向通信功能，通过总线系统达到遥调、遥控的目的，使得智能控制器的性能得到增强，符合配电系统的要求，达到了本课题研究要求。
上传时间： 2013-04-24
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传统污水系统采用继电器调节控制，容易漂移，且不能智能化，无法保证泵站及时可靠运行。而以单片机为基础的微型控制机抗干扰能力差，工作期间调整点不稳定，系统容易死机，需要经常到现场服务调节，无法及时准确掌握污水泵站的运行状态。采用可编程控制器控制，系统运行可靠，基本可以做到免维护调整。 本文针对污水泵站的性能要求和PLC的技术特点，研究了基于DCS测控系统的控制与管理。该系统是以SIEMENS公司的S7-200系列小型PLC作远程终端，以工业PC机作上位机的主从式一点对多点监控网络。工业PC机安装在污水处理厂的中央控制室，既是泵站PLC的上位机，又是处理厂微机局域网的一个工作站，通过自定义无线通讯模块与各泵站实现数据通信，并通过时间和事件触发，计算出最佳的平衡水量和各泵站调度水量。下位机PLC安装在泵站，根据上位机的指令控制泵站的水泵和阀门，组成本地数据采集系统。根据给定的调度水量，调整开启的水泵台数和工作时间，达到调度水量的目的。 污水泵站管理系统中泵站地理位置分散，处理厂集中进行数据处理、监视。这一特点与DCS系统功能相吻合。从这一意义上来讲，集散控制系统能较好地适应本系统，同时还可以满足在中心控制室集中显示、打印、控制各系统的运行状态和参数的要求。系统统一设计，使其功能合理分配到各子系统中。避免了功能重复及各系统间的不兼容，这样使得系统维护方便，减少了备品备件。给整个泵站运行管理带来了方便，提高了运行效率，同时也提高了管理效率，减少了泵站现场管理人员，降低了人力资源成本，也大大降低了因为人工管理造成的疏漏，提高了系统的可靠性。
上传时间： 2013-08-05
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直接转矩控制技术，是继矢量控制技术之后出现的又一种新的控制思想，其控制手段直接，系统响应迅速，具有优良的静、动态特性，系统鲁棒性好，因而受到了普遍关注并得到了迅速发展。 本论文从交流调速技术的发展开始，分析了异步电机直接转矩控制的基本原理，推导了u-l、i-n两种磁链模型，并对这两种磁链模型的适应范围和特点进行了分析，然后推导了在全速范围都适用的u-n模型。u-n模型的特点是：低速下工作于i-n模型，高速下工作于u-i模型，高低速之间自然过渡，加之引入电流调节器对电流观测值进行补偿，大大提高了模型的观测精度。 然后以交流电力机车为例，介绍了直接转矩控制技术在交流调速系统中的应用，并根据电力机车的牵引特性，设计了不同的控制策略： (1)低速区：采用圆形磁链的直接转矩控制； (2)高速区：采用六边形磁链的直接转矩控制； (3)弱磁区：通过改变磁链给定值来调节转矩，实现恒功率调节。 同时应用MATLAB/SIMULINK软件建立了直接转矩控制系统的仿真模型，并得出了仿真结果，验证了该方法的正确性。 最后介绍了无速度传感器的直接转矩控制方法，推导了基于模型参考自适应(MRAS)理论的转子转速的辨识方法，建立了转子转速的辨识模型，并得到了仿真结果。
上传时间： 2013-04-24
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准确计算电机铁耗一直是困扰电机设计者的一个难题。传统方法是假设电机内部磁场仅是交变磁化的，根据铁磁材料在交变磁化条件下测量的数据，计算电机齿部和轭部由基波磁场造成的损耗，对于计算值与实测值之间的误差通过经验系数来修正。这种方法对于已经长期制造和使用的电机而言勉强适用，对于近年来发展很快的永磁电机、高速电机和其他新结构电机，由于缺乏合适的经验系数，导致此方法难以适用。众多研究人员的成果已经证明电机的铁耗有相当一部分是由旋转磁化导致的，因此顾及旋转磁化的电机铁耗计算模型是本文的一个重要内容。 本文从铁磁材料的铁耗入手，先研究铁磁材料在交变磁化和旋转磁化方式下的计算和测量方法，目的是得到铁耗分立模型中磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗的计算系数。本文提出并实现了数字式的25cm爱泼斯坦方圈测试系统，它可以测量在任何频率和波形电源供电下硅钢片的损耗，本文还在二维铁耗测试系统中对硅钢片在圆形旋转磁化条件下的损耗进行了测量。结果表明，在同样频率和磁密的条件下，旋转磁化下的损耗要比交变磁化下的损耗大。本文提出了基于磁密轨迹的电机铁耗计算模型，它只采用较容易获得的交变磁化损耗系数，但又能顾及到旋转磁化带来的影响。通过实际电机的计算和测试，表明轨迹法的计算结果在未经任何系数修正的情况下就具有很好的精度，适合推广使用。 软磁复合材料是一种新型的粉末金属材料，它具有涡流损耗小和易制造成具有复杂结构电机等特点。为了探索这种材料在高频领域中的应用和验证本文提出的铁耗计算模型，本文成功地设计和制造了一台采用软磁复合材料的爪极式永磁电机，由于结构复杂，本文通过三维有限元分析，对该电机的磁通、磁链、电感、转矩和铁耗等参数和性能的计算提出了计算方法。对该种电机的热分析，本文提出了热网络法和磁热耦合有限元法。由于铁耗在高速电机总损耗中占有很大比例，因此在有限元方法中，本文通过映射剖分法，使磁场和热场模型中的单元总数、大小和顺序保持完全一致，轨迹法计算得到的各单元铁耗直接耦合进热场进行计算，得到了电机准确的温度分布。本文还进行了高速电机转子的模态分析，合理地调整转子的直径、长度和轴承位置，使转子的自然共振频率远离电机的工作频率范围。本文构建了一测试平台对样机进行了发电机状态测试，并通过假转子法测量了电机铁耗，实验结果证明了本文所用方法的可行性，得到的结论对软磁复合材料的应用及爪极式电机的设计与分析都具有很好的参考价值。
上传时间： 2013-06-27
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无刷直流电机是随着电力电子技术的发展和高性能永磁材料的出现而迅速发展起来的一种新型机电一体化电机。随着无刷直流电机在各个领域的广泛应用，无位置传感器控制方法的优势越来越明显，特别是“反电势法”无刷直流电机控制方法已经发展成为最实用的无位置传感器控制方法。 论文在介绍常用的无位置传感器无刷直流电机控制方法的基础上，详细分析了“反电势法”无刷直流电机控制原理。深入研究了两种反电势过零检测方法，采用“直接反电势法”设计了反电势过零检测电路。该方法不需要引出电机中性点，通过选择PWM和导通控制策略，就能直接从电机端电压获得反电势过零点信号。它避免了开关高频调制产生的干扰，不需要对端电压进行滤波。建立了基于PSPICE软件的仿真模型并对其进行了仿真验证。以按摩椅用无刷直流电机为样机，设计了“直接反电势法”无刷直流电机控制系统的硬件电路，详细介绍了电路各个组成部分，同时给出了控制系统中所采用的软硬件抗干扰措施。 论文介绍了“直接反电势法”无刷直流电机控制常用的起动方法，深入讨论了“三段式”起动技术，对“三段式”起动技术中转子预定位、外同步加速和外同步到自同步的切换进行了详细的分析，并围绕“三段式”起动技术详细介绍了“直接反电势法”控制软件设计流程。 最后，通过实验验证了这种方法的可行性和正确性。
上传时间： 2013-05-24
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高速电机由于转速高、体积小、功率密度高，在涡轮发电机、涡轮增压器、高速加工中心、飞轮储能、电动工具、空气压缩机、分子泵等许多领域得到了广泛的应用。永磁无刷直流电机由于效率高、气隙大、转子结构简单，因此特别适合高速运行。高速永磁无刷直流电机是目前国内外研究的热点，其主要问题在于：（1）转子机械强度和转子动力学；（2）转子损耗和温升。本文针对高速永磁无刷直流电机主要问题之一的转子涡流损耗进行了深入分析。转子涡流损耗是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生的。首先通过优化定子结构、槽开口和气隙长度的大小来降低电流空间谐波和气隙磁导变化所产生的转子涡流损耗；通过合理地增加绕组电感以及采用铜屏蔽环的方法来减小电流时间谐波引起的转子涡流损耗。其次对转子充磁方式和转子动力学进行了分析。最后制作了高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。论文主要工作包括： 一、采用解析计算和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构、槽开口大小、以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的影响。对于2极3槽集中绕组、2极6槽分布叠绕组和2极6槽集中绕组的三台电机的定子结构进行了对比，利用傅里叶变换，得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量，然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的解析模型计算了转子涡流损耗，通过有限元仿真对解析计算结果加以验证。结果表明：3槽集中绕组结构的电机中含有2次、4次等偶数次空间谐波分量，该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗。采用有限元仿真的方法研究了槽开口和气隙长度对转子涡流损耗的影响，在空载和负载状态下的研究结果均表明：随着槽开口的增加或者气隙长度的减小，转子损耗随之增加。因此从减小高速永磁无刷电机转子涡流损耗的角度考虑，2极6槽的定子结构优于2极3槽结构。 二、高速永磁无刷直流电机额定运行时的电流波形中含有大量的时间谐波分量，其中5次和7次时间谐波分量合成的电枢磁场以6倍转子角速度相对转子旋转，11次和13次时间谐波分量合成的电枢磁场以12倍转子角速度相对转子旋转，这些谐波分量与转子异步，在转子保护环、永磁体和转轴中产生大量的涡流损耗，是转子涡流损耗的主要部分。首先研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响，分析表明：永磁体的分块数和透入深度有关，对于本文设计的高速永磁无刷直流电机，当永磁体分块数大于12时，永磁体分块才能有效地减小永磁体中的涡流损耗；反之，永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加。为了提高转子的机械强度，在永磁体表面通常包裹一层高强度的非磁性材料如钛合金或者碳素纤维等。分析了不同电导率的包裹材料对转子涡流损耗的影响。然后利用涡流磁场的屏蔽作用，在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜环。有限元分析表明：尽管铜环中会产生涡流损耗，但正是由于铜环良好的导电性，其产生的涡流磁场抵消了气隙磁场的谐波分量，使永磁体、转轴以及保护环中的损耗显著下降，整体上降低了转子涡流损耗。分析了不同的铜环厚度对转子涡流损耗的影响，研究表明转子各部分的涡流损耗随着铜屏蔽环厚度的增加而减小，当铜环的厚度达到6次时间谐波的透入深度时，转子损耗减小到最小。 三、对于给定的电机尺寸，设计了两台电感值不同的高速永磁无刷直流电机，通过研究表明：电感越大，电流变化越平缓，电流的谐波分量越低，转子涡流损耗越小，因此通过合理地增加绕组电感能有效的降低转子涡流损耗。 四、研究了高速永磁无刷直流电机的电磁设计和转子动力学问题。对比分析了平行充磁和径向充磁对高速永磁无刷直流电机性能的影响，结果表明：平行充磁优于径向充磁。设计并制作了两种不同结构的转子：单端式轴承支撑结构和两端式轴承支撑结构。对两种结构进行了转子动力学分析，实验研究表明：由于转子设计不合理，单端式轴承支撑结构的转子转速达到40，000rpm以上时，保护环和定子齿部发生了摩擦，破坏了转子动平衡，导致电机运行失败，而两端式轴承支撑结构的转子成功运行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。对比研究了PWM电流调制和铜屏蔽环对转子损耗的影响，研究表明：铜屏蔽环能有效的降低转子涡流损耗，使转子损耗减小到不加铜屏蔽环时的1/2；斩波控制会引入高频电流谐波分量，使得转子涡流损耗增加。通过计算绕组反电势系数的方法，得到了不同控制方式下带铜屏蔽环和不带铜屏蔽环转子永磁体温度。采用简化的暂态温度场有限元模型分析了转子温升，有限元分析和实验计算结果基本吻合，验证了铜屏蔽环的有效性。
上传时间： 2013-05-18
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随着我国现代化的大力发展，对能源的需求越来越多，但是能源危机却已成为全球性的问题，在众多能源当中，电能是人类生活中最重要的能源，如何节约电能，提高电能利用率是我们必须人力解决的问题。本文就超级电容储能系统在地铁中的应用进行了研究，提出了相应的控制策略并对其进行了建模论证。 文中首先对现有的几种储能装置进行了简单的介绍，分析了储能系统的发展现状和趋势，后来还介绍了地铁供电和地铁车辆的一些情况，对应用对象进行了一定的研究；然后对超级电容的特点和一些应用特性进行了分析，结合地铁的实际工况，提出了能量回收系统的控制策略。 最后，利用Matlab仿真工具对能量回收系统进行了建模和仿真，验证了系统控制策略的正确性。在文章的末尾，还通过一些调查数据对超级电容能量回收系统实际应用中可能碰到的问题进行了讨论。 随着超级电容的快速普及和发展，超级电容器储能及应用技术的研究将是一个很有潜力的发展方向，具有很高的市场潜力和应用价值。
上传时间： 2013-07-26
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