本课题来源于国家863计划《高速高效防爆稀土永磁同步电机研究》项目的部分研究内容。为了进一步提高稀土永磁同步电动机的效率，本论文主要采用有限元分析与实验相结合的方法，重点针对稀土永磁同步电动机稳态运行时的谐波转子铜耗、瞬态起动过程以及空载谐波磁场进行了深入研究。 论文利用有限元电磁场仿真软件MagNet，对油田抽油用22kW稀土永磁同步电动机进行了详细的电磁场仿真计算，首次，对谐波磁场引起的稀土永磁同步电动机稳态运行时的转子铜耗进行了深入分析。通过对22kW电机的间接法和直接法效率实验，分离出谐波引起的杂散损耗，并与仿真计算结果进行对比分析，证明了：实际稀土永磁同步电动机稳态运行时是存在转子铜耗的，这也是和传统稀土永磁同步电动机理论不同的地方。研究成果《稀土永磁同步电动机稳态运行时的转子铜耗分析》发表在核心期刊《微特电机》2006年第9期上。 论文采用有限元MagNet对抽油用22kW稀土永磁同步电动机进行了起动过程的仿真研究，并利用先进的动态示波记录仪DL750对22kW电机进行了空载起动过程的实验。实验结果表明有限元电磁仿真计算结果是准确的，也为稀土永磁同步电动机的优化设计提供了参考依据。研究成果《基于有限元的稀土永磁同步电动机起动过程仿真研究》发表在核心期刊《微特电机》2007年第1期上。 论文应用有限元电磁场软件MagNet对作者设计的370W稀土永磁同步电动机的空载气隙磁场进行了仿真分析，得到空载谐波磁场的波形畸变率是6.23﹪；为了验证有限元分析结果的正确性，专门设计了两台370W稀土永磁同步电动机对拖实验，利用WT3000电力分析仪分析出：实际空载气隙磁场波形的畸变率是3.26﹪；通过实验结果和仿真结果的对比分析，发现实际电机的转子鼠笼条对电机空载谐波磁场有很好的抑止作用。初步的研究成果《稀土永磁同步电动机空载气隙磁场的谐波分析研究》于2006年12月投到核心期刊《微特电机》上。
上传时间： 2013-04-24
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本课题的研究工作主要围绕机床用永磁交流伺服电动机设计展开，所做的主要工作包括以下几个部分： 首先，钕铁硼永磁材料导电率较高、耐热性能较差，当电机气隙磁场谐波含量较大时，永磁体中就会感应出涡流形成涡流损耗导致永磁体发热。因此，有必要对转子永磁体内的涡流进行计算和分析。本文分析了永磁同步电动机转子永磁体内涡流产生的原因，建立涡流的数学模型并推导出永磁体涡流损耗的计算公式。用ANSOFT有限元软件建立电动机的物理模型进行电磁场求解，结合路的计算公式算出永磁体的涡流损耗。 其次，运行平稳性是伺服电动机的一项重要的性能指标，而转矩波动的大小直接影响运行平稳性。本文分析了机床用永磁交流伺服电动机转矩波动产生的原因，运用转矩波动计算公式结合ANSOFT有限元软件，计算比较相同功率、相同极数不同槽数时，电动机的转矩波动情况。通过比较计算出的转矩波动百分比的大小，选择所设计电动机的极槽配合，以提高机床用永磁交流伺服电动机的运行性能。 最后，完成机床用永磁交流伺服电动机基本结构尺寸以及电磁参数的选取，利用有限元软件，分析计算气隙长度变化对失步转矩倍数和永磁体用量的影响，以及永磁体宽度对气隙磁密波形的影响，以此合理选择气隙长度和永磁体的宽度，使电动机的性能更优良。在上述研究的基础上，本文设计了一台0.9kW，8极36槽的机床用永磁交流伺服电动机样机，并对其性能进行了测试，测试结果表明，电机的性能指标达到了预期的要求，证明了电机设计过程理论分析计算的正确性。
上传时间： 2013-06-13
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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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电机是现代工业生产和日常生活最主要的原动力和驱动装置。电机一旦发生故障，会造成不同程度的经济损失和社会影响。因此研究不同场合、不同运行状态下电机故障诊断理论和相关技术具有很高的实用价值。 电机出现故障时，故障信号中往往含有大量的时变、短时突发性质的成分。因此可以通过检测、分析故障信号，获得电机的故障信息。传统的信号分析方法，如傅立叶变换，是一种纯频域分析，缺乏空间局部性，不能满足故障信号分析的要求。而小波分析和小波包分析法具有良好的时频局部性，能够将信号在任意频段进行划分，从而使在不同频段的各种故障特征信号更加容易被识别和提取。基于小波包分析处理非平稳信号的优越性，本文选用小波包分析对电机故障信号进行分析检测。 本文在研究了异步电机常见故障类型和诊断方法的基础上，详细分析了电机滚动轴承异常、转子断条、气隙偏心等故障原因，采用基于信号分析法中的振动诊断法和定子电流检测法，对电机滚动轴承故障、转子断条故障进行诊断。对于存在已知轴承故障的电机，在故障状态下采集到振动信号，利用峭度值计算和小波包分析相结合的方法，选用db3作为小波基，进行小波包分析，对包含有故障特征频率信息的信号进行重构，获得轴承故障特征频率，根据故障特征频率的数值和能量，确定出轴承故障的类型。应用小波包分析和FFT相结合的方法，选用Coif5为小波包基，检测转子断条故障特征频率。在此基础上，采集故障电机的振动信号和电流信号，并分别应用上述方法进行了仿真模拟实验，结果表明这些方法是准确可行的。 论文以DSP为核心，完成了电机故障诊断系统的硬件电路的设计，包括信号检测电路、调理电路，A/D转换电路等，并给出了主要的软件流程图。
上传时间： 2013-04-24
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三相电压不平衡度是衡量电网电能质量的一个重要指标。在三相系统中，引起电压不平衡的主要原因是发电机的输出电压不平衡和负载不平衡两方面，电压不平衡比较严重时，会给系统带来诸多危害。近年来，STATCOM因其动态响应速度快，电流谐波含量小，装置体积小等优点，在电压不平衡补偿中的应用越来越广。 首先本文研究了基于IGCT的STATCOM主电路。为了获得更高的输出电压，通常需要将IGCT串联使用。然而在器件串联使用时，由于其特性的差异会产生暂态电压分配不均衡，导致个别器件上产生过电压而威胁器件的安全，严重时会烧毁器件。因此需要采用均压电路来保证串联结构中电压的平均分配。本文重点对IGCT串联均压电路和缓冲电路进行了设计，在分析串联均压电路的同时，计算了吸收电容和吸收电阻的取值范围。而后，对缓冲电路进行了Pspice仿真，通过仿真验证了均压电路的工作效果。结果表明，吸收电容和吸收电阻的取值合适，能够对IGCT的串联运行起到很好的保护作用。本文还对100Kvar/660VSTATCOM的主电路进行了参数设计，对IGCT的型号和各主要元件进行了选择。 本文重点研究了不平衡系统中STATCOM的控制策略。建立了基于IGCT的STATCOM的数学模型；根据STATCOM的电流暂态模型，对电流电压进行序分解，并做D—Q坐标变换，建立STATCOM在静止坐标系下的正、负序数学模型。基于建立的负序模型，研究STATCOM在不平衡情况下的控制策略，本文采用无差拍控制方法；根据实际补偿时遇到的问题：收敛速度慢、依赖固定的负载模型、鲁棒性差等，对无差拍控制方法进行了优化设计。该优化方法在传统无差拍的基础上引入了参考电流观测器和状态观测器；文中具体设计了这个改进无差拍控制器和其相关电路。经分析与仿真验证了本文提出的优化控制方法，将该方法应用于STATCOM不平衡补偿器，取得了良好的不平衡补偿性能、快速的动态响应和良好的鲁棒性。
上传时间： 2013-06-05
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电压空间矢量脉冲宽度调制技术是一种性能优越、易于数字化实现的脉冲宽度调制方案。在常规SVPWM算法中，判定等效电压空间矢量所处扇区位置时需要进行坐标旋转和反正切三角函数的运算，计算特定电压空间矢量作用时间时需要进行正弦、余弦三角函数的运算以及过饱和情况下的归一化处理过程，同时，在整个SVPWM算法中还包含了无理数的运算，这些复杂计算不可避免地会产生大量计算误差，对高精度实时控制产生不可忽视的影响，而且这些复杂运算的计算量大，对系统的处理速度要求高，程序设计复杂，系统运行时间长，占用系统资源多。因此，从工程实际应用的角度出发，需要对常规SVPWM算法进行优化设计。 本文提出的优化SVPWM算法，只需进行普通的四则运算，计算非常简单，克服了上述常规SVPWM算法中的缺点，同时，采用交叉分配零电压空间矢量，并将零电压空间矢量的切换点置于各扇区中点的方法，达到降低三相桥式逆变电路中开关器件开关损耗的目的。SVPWM算法要求高速的数据处理能力，传统的MCU、DSP都难以满足其要求，而具有高速数据处理能力的FPGA/CPLD则可以很好的实现SVPWM的控制功能，在实时性、灵活性等方面有着MCU、DSP无法比拟的优越性。本文利用MATLAB/Simulink软件对优化的SVPWM系统原型进行建模和仿真，当仿真效果达到SVPWM系统控制要求后，在XilinxISE环境下采用硬件描述语言设计输入方法与原理图设计输入方法相结合的混合设计输入方法进行FPGA/CPLD的电路设计与输入，建立相同功能的SVPWM系统模型，然后利用ISESimulator（VHDL/Verilog）仿真器进行功能仿真和性能分析，验证了本文提出的SVPWM优化设计方案的可行性和有效性。
上传时间： 2013-06-27
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近年来，随着集成电路技术和电源管理技术的发展，低压差线性稳压器（LDO）受到了普遍的关注，被广泛应用于便携式电子产品如PDA、MP3播放器、数码相机、无线电话与通信设备、医疗设备和测试仪器等中，但国内研究起步晚，市场大部分被国外产品占有，因此，开展本课题的研究具有特别重要的意义。 首先，简单阐述了课题研究的背景及意义，分析了低压差线性稳压器（LDO）研究的现状和发展趋势，并提出了设计的预期技术指标。 其次，详细分析了LDO线性稳压器的理论基础，包括其结构、各功能模块的作用、系统工作原理、性能指标定义及设计时对性能指标之间相互矛盾的折衷考虑。 再次，设计了基于自偏置电流源的带隙基准电压源，选取PMOS管作为系统的调整元件并计算出了其尺寸，设计了基于CMOS工艺的两级误差运算放大器。利用HSPICE工具仿真了基准电压源和误差运算放大器的相关性能参数。 然后，重点分析了稳压器的稳定性特征，指出系统存在的潜在不稳定性，详细论述了稳定性补偿的必要性，比较了业界使用过的几种稳定性补偿方法的不足之处，提出了一种基于电容反馈VCCS的补偿方法，对系统进行了稳定性的补偿； 最后，将所设计的模块进行联合，设计了一款基于CMOS工艺的LDO线性稳压器电路，利用HSPICE工具验证了其压差电压、静态电流、线性调整率等性能指标，仿真结果验证了理论分析的正确性、设计方法的可行性。
上传时间： 2013-07-08
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20世纪90年代以来，为了缓解能源和环境对人类生活和社会发展的压力，世界各国都投入了大量资金开发电动汽车。在日本、美国、法国等汽车强国已经开发出一些商品化的电动汽车。我国在“十五”期间，国家电动汽车重大科技专项确立以燃料电池汽车、混合电动汽车、纯电动汽车以及相关的多能源动力总成控制、驱动电机、动力蓄电池及燃料电池等关键零部件研发。 与其它驱动电机相比，永磁同步电动机具有高效率、高功率密度和良好的控制特性，受到人们的普遍关注，越来越多地应用于电动汽车的驱动装置中。本文课题以印度REVA公司小型纯电动汽车驱动用永磁同步电动机及其控制器为研究对象，对永磁同步电动机本体及控制器硬件进行了比较深入的研究，设计并制作了永磁同步电动机试验样机以及基于TMS320LF2407A DSP的永磁同步电动机控制器，在此基础上展开了初步试验研究。 本文首先比较了当前常用电动汽车驱动电机的特点，并综述了电力电子和计算机控制技术在汽车驱动中的应用；然后分析永磁同步电机气隙磁场对电机性能的影响，针对电动汽车驱动电机的特点，提出了T形转子永磁同步电动机，不仅使永磁同步电动机的气隙磁场接近正弦同时解决了高速运行时磁钢的固定问题；同时，制作了基于TMS320LF2407A DSP和IPM模块的永磁同步电动机矢量控制器，并对控制器进行了驱动无刷直流电动机的负载实验和永磁同步电机的空载实验；最后，分析永磁同步电机矢量控制的数学模型，并建立了永磁同步电机的SVPWM驱动的仿真模型，进行了id=0的矢量控制系统仿真，研究了永磁同步电机参数对系统动态响应的影响。
上传时间： 2013-07-23
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心音信号是人体最重要的生理信号之一，包含心脏各个部分如心房、心室、大血管、心血管及各个瓣膜功能状态的大量生理病理信息。心音信号分析与识别是了解心脏和血管状态的一种不可缺少的手段。本文针对目前该研究领域中存在的分析方法问题和分类识别技术难点展开了深入的研究，内容涉及心音构成的分析、心音信号特征向量的提取、正常心音信号（NM）和房颤（AF）、主动脉回流（AR）、主动脉狭窄（AS）、二尖瓣回流（MR）4种心脏杂音信号的分类识别。本文的工作内容包括以下5个方面： a）心音信号采集与预处理。本文采用自行研制的带有录音机功能的听诊器实现对心音信号的采集。通过对心音信号噪声分析，选用小波降噪作为心音信号的滤波方法。根据实验分析，选择Donoho阈值函数结合多级阈值的方法作为心音信号预处理方案。 b）心音信号时频分析方法。文中采用5种时频分析方法分别对心音信号进行了时频谱特性分析，结果表明：不同的时频分析方法与待分析心音信号的特性有密切关系，即需要在小的交叉项干扰与高的时频分辨率之间作综合的考虑。鉴于此，本文提出了一种自适应锥形核时频（ATF）分析方法，通过实验验证该分布能较好地反映心音信号的时频结构，其性能优于一般锥形核分布（CKD）以及Choi-Williams分布（CWD）、谱图（SPEC）等固定核时频分析方法，从而选择自应锥形核时频分析方法进行心音信号分析。 c）心音信号特征向量提取。根据对3M Littmann（） Stethoscopes[31]数据库中标准心音信号的时频分析结果，提取8组特征数据，通过Fihser降维处理方法提取出了实现分类可视化，且最易于分类的心音信号的2维特征向量，作为心音信号分类的特征向量。 d）心音信号分类方法。根据心音信号特征向量组成的散点图，研究了支持向量机核函数、多分类支持向量机的选取方法，同时，基于分类的目的 性和可信性，本文提出以分类精度最大为判断准则的核函数参数与松弛变量的优化方法，建立了心音信号分类的支持向量机模型，选取标准数据库中NM、AF、AR、AS、MR每类心音信号的80组2维特征向量中每类60组数据作为支持向量机的学习样本，对余下的每类20组数据进行测试，得到每类的分类精度（Ar）均为100％，同时对临床上采集的与上述4种同类心脏杂音信号和正常心音信号中每类24个心动周期进行分类实测，分类精度分别为：NM、AF、MR的分类精度均为100％，而AR、AS均为95．83％，验证了该方法的分类有效性。 e）心音信号分析与识别的软件系统。本文以MATLAB语言的可视化功能实现了心音信号分析与识别的软件运行平台构建，可完成对心音信号的读取、预处理，绘制时-频、能量特性的三维图及两维等高线图；同时，利用MATLAB与EXCEL的动态链接，实现对心音信号分析数据的存储以及统计功能；最后，通过对心音信号2维特征向量的分析，实现心音信号的自动识别功能。 本文的研究特色主要体现在心音信号特征向量提取的方法以及多分类支持向量机模型的建立两方面。 综上所述，本文从理论与实践两方面对心音信号进行了深入的研究，主要是采用自适应锥形核时频分析方法提取心音信号特征向量，根据心音信号特征向量组成的散点图，建立心音信号分类的支持向量机模型，并对正常心音信号和4种心脏杂音信号进行了分类研究，取得了较为满意的分类结果，但由于用于分类的心脏杂音信号种类及数据量尚不足，因此，今后的工作重点是采集更多种类的心脏杂音信号，进一步提高心音信号分类精度，使本文研究成果能最终应用于临床心脏量化听诊。 关键词：心音信号，小波降噪，非平稳信号，心脏杂音，信号处理，时频分析，自适应，支持向量机
上传时间： 2013-04-24
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三相逆变器作为交流供电电源的主要部分，广泛地应用于电动车、电力设备、产业设备、交通车辆等领域。逆变器的并联控制技术以其广泛的应用前景也得到越来越深入地研究。人们对逆变电源的要求越来越高，高性能、高可靠性的大功率逆变器就是当今逆变电源的发展趋势之一。提高逆变电源容量主要有两个途径，设计大功率的逆变器和采用逆变器并联技术实现电源模块化。 为此，本文以两台400kVA组合式三相逆变器为对象，采用全数字化控制方式，主要研究了大功率三相逆变器的波形控制技术和并联控制技术。本文围绕大功率组合式三相逆变器，对其主电路结构、系统的数学模型、波形控制技术以及并联系统模型、并联控制方案进行了较为详细的分析和研究。分析了适用于大功率的组合式三相逆变器结构，并给出了400kVA组合式三相逆变器的主电路设计。建立和分析了组合式三相逆变器在ABC、αβ、dq 坐标系下的数学模型。针对大功率组合式三相逆变器，采用在dq 坐标系下的三相电压闭环统一控制方案。为了使大功率三相逆变器得到较好的输出电压波形质量，采用PID 瞬时值电压反馈控制和重复控制并联结合的控制方案。分析了PID 控制器和重复控制器的原理，并针对400kVA 三相逆变器的系统性能，给出了相应数字PID 控制器和重复控制器的设计。并利用Matlab 建立了系统的仿真模型，给出了理论研究结果。提出了有效提高系统动态性能的两种方法：加负载电流前馈和动态过程中强制改变改变调制比。介绍了大功率三相逆变器的短路限流保护技术，提出了采用瞬时值限流电路和单独的软件限流环相结合的方案，保证大功率三相逆变器在短路时自动限流保护。对两台大功率三相逆变器组成的并联系统的结构、环流特性及逆变器的输出功率进行了分析。详细分析了输出阻抗特性不同时，逆变器环流和输出功率分配的差异，得出了输出阻抗对环流和功率影响的一般规律。针对大功率三相逆变器并联系统，采用基于功率误差的分散逻辑控制方案。分析了基于功率误差的分散逻辑控制原理，逆变器输出功率的检测和母线信号综合的脉宽调制原理。根据400kVA 三相逆变器并联系统的输出阻抗特性，采用了无功调节输出电压幅值和同步锁相实现相位同步的并联控制策略。 本文最后在两台400kVA组合式三相逆变器样机上得到了实验验证。实验结果进一步验证了大功率三相逆变器的波形控制和并联控制策略有效可行性。
上传时间： 2013-07-03
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