传统的整流装置是电网污染的主要来源,三相电压型PWM整流器具有输出电压恒定、能实现单位功率因数运行的特点,甚至可以实现电能回馈电网.该文主要研究了三相电压型PWM整流器,内容包括下列方面:原理、拓扑结构、数学模型、控制策略和硬件实现.建立数学模型是研究三相PWM整流器的有效手段.分别在ABC静止坐标系、αβ静止坐标系和dq旋转坐标系中建立了低频和高频数学模型.该文主要对电压矢量定向控制和直接功率控制这两种关于PWM整流器的控制策略进行了研究.电压矢量定向控制包括间接电流控制和直接电流控制,该文分别介绍了它们的原理.关于直接电流控制,建立了它的仿真模型,并介绍了数字化实现的方法.由于电网电压的谐波会恶化PWM整流器的工作性能,所以研究了改良的方法,并进行了实验验证.直接功率控制方法的主要特点是结构简单、动态响应快、抗干扰性能好.该文介绍了瞬时功率的概念、直接功率控制的原理和电压矢量选择的方法.由于传统的开关状态表是引起无功功率控制效果差的主要原因,所以提出了改造开关状态表的方法.仿真和实验结果验证了此方法的有效性.最后,对电压矢量定向控制策略和直流功率控制策略作了比较研究.关于硬件方面,介绍了主电路LC参数的计算方法、二阶有源滤波的设计方法、DSP2407的主要功能、IPM的驱动与保护.
上传时间： 2013-04-24
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目前,在电压互感器设计中,虽有人进行过可靠性设计利优化设计方面的研究,但采用的方法仍为传统方法.本文采用现代设计方法,它将有限元分析、可靠性设计技术利优化设计技术有机的结合起来,因此采用现代设计方法得到的方案比利用传统设计方法设计出的方案更加经济合理.首先,本文简单介绍了电压互感器的原理,描述了电压互感器的分类、基本参数和误差分析.第二,本文研究了电磁场有限元分析原理,介绍了麦克斯韦方程和电磁场微分方程.本文采用大型通用有限元分析软件ANSYS对电压互感器进行二维电磁场有限元分析,对电压互感器建立了有限元数学模型和网格剖分,对有限元模型加载了边界条件并进行了求解.研究了二维磁场分析单元PLANE53单元利电路模拟单元CIRCU124单元的特点及使用方法.第三,对电压互感器的瓷套部分进行了可靠性设计.瓷套所受的弯曲负荷应力很多,主要包括:风力负荷产生的弯曲应力,地震负荷产生的弯曲应力,产品运输中倾斜产生的弯曲应力.本文研究了瓷套的应力分布的确定方法,将多种应力叠加在一起,推出了应力分布参数的计算公式.瓷套的应力、强度利各设计变量均可认为服从正态分布,在设计时作为正态分布变量处理.本文应用应力-强度干涉理论,对电压互感器瓷套的可靠性设计方法进行了研究.第四,研究了ANSYS软件的优化设计模块,研究了采用ANSYS软件进行优化设计的步骤和优化工具及方法.利用ANSYS软件的参数化设计语言与其OPT模块,实现了有限元数值计算与优化设计的有机结合.并以额定一次电压35KV,额定二次电压100V,额定频率50HZ的电压互感器为例,进行了有限元分析计算利优化设计.根据电压互感器产品设计的实际情况,确定设计变量为绕组导线规格和铁心结构尺寸.优化循环结束以后,可以选择列出所有参数的数值,也可以只列出优化变量,可以用图显示指定的参数随序列号的变化情况,通过多方案的比较,得到最优方案.将现代设计方法应用于生产厂家,可节省研究开支,大大缩短开发周期,减少计算误差,减少试验费用,降低成本,提高产品的可靠性,因此本项目的研究具有良好的经济效益和社会效益.
上传时间： 2013-06-10
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该论文在研究永磁同步电动机运行原理的基础上详细讨论了其变频调速的理论并且设计了一套基于DSP的永磁同步电动机磁场定向矢量控制系统.永磁同步电动机相对感应电动机来说具有体积小、效率高以及功率密度大等优点,因此自从上个世纪80年代,随着永磁材料性能价格比的不断提高,以及电力电子器件的进一步发展,永磁同步电动机的研究也进入了一个新的阶段.永磁同步电动机既区别于感应电动机又与电励磁同步电动机相比有自身的特点,因此该论文首先从永磁同步电动机的本身出发,讨论了其稳态运行原理,分析了永磁同步电动机的转矩特性、功率特性及效率.矢量控制理论的发明是交流调速领域中的一个重大突破,该论文详细讨论了永磁同步电动机的矢量控制,在推导其精确数学模型的基础上分析了矢量控制理论用于永磁同步电动机控制的几种电路控制策略,包括了i<,d>=0控制、cosψ=1控制,以及最大转矩/电流控制方式,并且开发出基于DSP的全数字永磁同步电动机的矢量控制系统,给出了其软、硬件的设计方案.弱磁控制是永磁同步电动机矢量控制又一方面,论文分析了永磁同步电动机弱磁调速的原理以及弱磁扩速困难的原因,并由此提出了两种特殊转子结构的新弱磁方案.直接转矩控制是继矢量控制后交流调速领域的又一个高性能控制方法,论文最后讨论了直接转矩控制理论在永磁同步电动机控制上的运用,并使MATLAB工具对永磁同步电动机的直接转矩控制系统进行了仿真研究,仿真结果表明,直接转矩控制具有动态性能好,静差小以及鲁棒性好的特点.
上传时间： 2013-07-06
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本文对感应电动机软起动过程中存在的电流、电磁转矩以及转速振荡问题进行了系统的理论分析和实验研究.论文首先根据感应电动机的数学模型,利用MATLAB仿真工具建立了感应电动机软起动的通用仿真模型,其次分析了晶闸管触发角度、机组的转动惯量、负载转矩以及转子电阻这四个因素对振荡的影响,进而探讨了感应电动机软起动过程中出现电流、电磁转矩以及转速振荡的原因.结果表明:在感应电动机软起动过程中,当转子转速达到同步转速并在其附近变化时,电动机的续流角会大幅度变化,当续流角围绕晶闸管的触发角变化时,三相交流调压电路的输出电压会产生振荡,在电动机定、转子磁场的相互作用下会使振荡加剧,因而就会造成电动机电流、电磁转矩以及转速的振荡.特别需要指出的是电动机在软起动过程中出现的转速振荡是在同步转速附近振荡而并非象有些文章所说的在低速下振荡.根据上述原因,本文提出了采用关断角控制的新型控制策略,这种控制策略是使电动机在起动过程中的电流关断角由某一初始值逐渐减小到零,利用该方法可以使感应电动机起动过程中的续流角始终小于晶闸管的触发角,这样续流角的变化就不会引起电动机端电压的振荡,因而就从根本上消除了感应电动机软起动过程中的振荡现象.文中首先通过仿真验证了该控制策略的正确性,在此基础上研制了基于关断角控制的感应电动机软起动装置的硬件电路和软件程序,并进行了样机试验,实验结果验证了理论分析的正确性.另外,文中还探讨了软起动对于感应电动机起动过程中转轴扭矩振荡的影响.大型感应电动机驱动大转动惯量负载直接起动时,其转子轴上会出现过大的扭矩振荡,这是由于定子绕组中电源频率的电流与转子中直流电流相互作用产生的具有转差频率的电磁转矩分量造成的.采用软起动会使电动机起动时转子中产生的直流电流分量大为减小,进而可以减小电磁转矩的转差频率分量,故可以有效地抑制感应电动机起动过程中作用在转轴上过大的扭矩振荡.
上传时间： 2013-07-13
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直流电动机具有运动效率高和调速性能好等诸多优点,但传统的直流电动机均采用电刷,以机械方法进行换向,因而存在致命弱点,再加上制造成本高及维修困难等缺点,从而限制了它的应用范围.近年来随着永磁材料、现代电力电子技术、计算机技术和现代控制理论的迅猛发展而成熟起来的永磁无刷直流电动机(Brushless Direct Current Motor-BIDCM)具有体积小、重量轻、效率高、噪音低且可靠性高的特点,因而得到了广泛的应用.该文研究的对象是由两套三相无刷直流电动机组成的六相无刷直流电动机,每套绕组三相对称,两套绕组对应相之间相差30°电角度.重点研究六相无刷直流电机的转矩特性和系统的可靠性.在分析无刷直流电动机电磁转矩产生原理的基础上,阐述了三相无刷直流电动机转矩脉动的原因,在此基础上提出六相无刷直流电动机.分析结果表明,六相无刷直流电动机的转矩特性优于三相无刷直流电机,并且系统的可靠性也较高.该文对无刷直流电动机的工作原理进行了详尽的分析,建立了三相和六相无刷直流电动机的数学模型.并利用MATLAB/SIMULINK软件建立了三相和六相无刷直流电动机的系统仿真模型.该系统仿真模型采用双闭环控制,内环为电流环(采用滞环调节),外环为速度环(采用PI调节).对所得的仿真结果进行分析,表明与理论分析相吻合,证明了六相无刷直流电动机仿真模型的正确性.对两套绕组可能出现的故障进行仿真分析,结果表明六相无刷直流电动机具有较强的容错能力.由此得出结论,该文提出的六相无刷直流电动机方案是可行的.由于绕组在电机的结构中占有相当重要的位置,该文利用槽号相位表,设计了三相和六相无刷直流电动机的绕组.对槽号的分配,线圈的连接作了详细地说明.该文还对三相和六相无刷直流电动机定子绕组的磁势进行了谐波分析,分析结果表明了六相无刷直流电动机定子绕组的磁势高次谐波含量要少于三相无刷直流电动机.
上传时间： 2013-07-13
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永磁无刷直流电动机是一种先进的集电力电子变换器与永磁电机本体于一体的机电一体化系统,它既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的一系列优点,又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好的诸多特点.正是由于这些原因,自上世纪末起,逐渐形成永磁无刷直流电机的研究热潮.在此背景下,本文以此为课题,对永磁无刷直流电机系统进行了一些理论分析和实践应用.本文首先在综合国内外有关文献的基础上,分析了永磁无刷直流电机的发展历程、现状和趋势,提出了目前存在的一些问题.介绍了永磁无刷直流电机的结构和运行原理,推导出永磁无刷直流电机的数学模型.针对永磁无刷直流电机的转矩脉动,本文详细分析了各种调制斩波方式对注入电机电流以及转矩脉动的影响,比较分析各种斩波方式下系统运行情况,提出一种有利于减少转矩波动的斩波方式.同时,本文还提出了一种回馈制动的方式,进一步提升系统性能,节约能源.在大型永磁电机磁极设计中,通常采用多块磁钢来组成励磁磁极.考虑到磁钢本体的分散性和加工误差,本文从工程实际应用出发,提出了一种磁钢优化配置方法,保证每个磁极中各段磁钢产生的合成磁密幅值接近相等且通量均衡,从电机本体设计角度上提高系统性能.本文在理论分析基础上,以单片机和功率智能模块为硬件平台,实现了一套多相永磁无刷直流电机系统.针对理论分析,进行了各种方案的比较分析,经过试验结果和仿真分析结果,进一步支持了论证了理论分析正确性和实用性.同时,对于实际应用中的一些问题,本文也做了一些工作,提出一些分析和改进.
上传时间： 2013-08-04
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舰船、飞机、移动通讯、石油钻井平台等独立系统中有许多交直流电力并存的场合，需要实现发供电系统的小型化、高功率密度、高可靠性以及高品质。常规的电励磁发电机因为带有电刷使供电系统的运行安全存在隐患，并且励磁机的使用增加了电机的体积和损耗。为使系统节能高效，本文设计并制作了应用于独立交直流电力系统的交直流永磁同步发电机。永磁电机定子上带有三套三相绕组，一套绕组用于提供交流电力，其余的两套绕组相位互差30度电角度，接整流器为直流负载供电。文中对电机的设计以及电机的基本性能进行探讨。为了减小永磁发电机的电压调整率，在电机的交轴与电机的永磁磁极尾部之间加一软磁材料，通过增加电机负载时的交轴电抗压降，来改善电机的电压调整率。 首先，针对永磁电机设计的特殊性，应用二维有限元法计算电机的电磁场以确定电机的主要尺寸，并讨论了不同软磁材料尺寸对电机的影响。文中还根据电磁场的计算结果，应用傅立叶级数计算了电机的空载感应电动势以用于预测电机的性能，使用能量摄动法计算了计及饱和、槽影响下的电机电感参数。考虑到永磁材料的温度性能问题，应用电磁场和温度场耦合的方式计算了电机稳态时的温度场。 然后，为了了解永磁同步发电机的主要电磁关系，研究了电机的数学模型，推导了考虑漏磁时具有三套互差一定电角度三相绕组的永磁发电机在dq0坐标系下的方程，可以看到，在dq0坐标系下电机的电感参数为常数。这样，利用这个特性，在对电机运行性能进行研究时，可以得到简化电磁方程。根据电机稳态运行时的方程，得到了电机的向量图。 因为带有多套绕组的永磁电机中含有较多的谐波，而采用dq0坐标系下的方程会忽略掉气隙磁场中的谐波分量，为了对电机的仿真更加精确，电机仿真时采用电机在ABC坐标系下的基本电磁方程。应用Matlab/SimPowerSystems中的模块搭建电机的仿真模型，永磁体的影响用感应电动势来表示。根据仿真结果与样机试验结果的比较发现，两者吻合良好。 另外，本文还设计了一台电励磁的交直流发电机，电磁设计结果表明，永磁电机在体积、重量、效率方面都很有优势。
上传时间： 2013-04-24
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变速恒频风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的关注，有着良好的发展前景。本文致力于研究变速恒频风力发电技术，从分析其运行机理入手，比较了定桨距、变桨距和变速恒频风力发电的区别，选定双馈式变速恒频方案：它在低风速阶段主要进行变桨距调节追求最大风能捕获，高风速时通过控制双馈电机转子侧的电流，达到定子输出恒频和有功、无功的独立调节。变桨距风力机作为风能转换为机械能的设备，是风力发电系统的重要组成部分，它与风电场风能资源的匹配问题直接影响到了风力发电系统的运行特性。本文以风能理论为基础，探讨了风力机组设备的选型问题，建立起风速和风力机系统的数学模型。双馈异步电机是变速恒频风力发电系统的核心。本文分析了其基本运行特点，指出双馈发电机具有普通交流电机无法比拟的优点；研究了稳态电路和功率平衡关系，并详细推导出M-T-0坐标系下的5阶状态方程，建立起定子磁链定向矢量控制系统，实现了定子有功和无功的解耦控制，使电机控制简单化。变频器是双馈电机实现变速恒频运行的关键，本文选定了六脉波交-交变频器作为励磁电源。通过对其主电路结构、余弦交截法和触发脉冲产生原理等的进一步分析，建立起六脉波交-交变频器的数学模型，并处理了与变频器与发电机的接口问题。最后，利用Matlab6.5/Simulink5.0仿真软件，建立了系统各组成部分的仿真模型，并进行了仿真实验研究。仿真结果表明，所建模型是正确的，变速恒频风力发电系统具有良好的运行特性。
上传时间： 2013-07-14
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动力传动中的直线往复运动往往是通过旋转运动在传动装置的作用下实现的。因此，频繁的高速和低速的传递运动装置的较好选择是直线开关磁阻电机(LSRM)。但是，这种电机很少得到运用，这是因为LSRM的数学模型很难准确建立，它的固有的牵引力脉动(类似于旋转开关磁阻电机的转矩脉动)也很难克服，因而控制起来比较困难。随着电力电子技术和数字技术的发展，直线开关磁阻电机以其简单结实的电机结构、优越的性能和经济指标，近年来受到学术界的极大关注，不少大学和研究机构都开展了研究工作，取得了一定的成就。本文在“通过先进的控制策略简化机械装置”的指导思想下，结合目前国际学术界的最新研究成果，对直线开关磁阻电机的理论、结构设计和系统仿真进行了一系列的研究。 本文从最基本的理论公式推导出直线开关磁阻电机的数学模型，并在此基础上结合具体参数进行电机的结构设计，分析了各参数的静态特性，推导出动态方程和传递函数，建立了非线性动态模型，利用该模型进行系统的动态特性分析，给出仿真结果；对系统进行优化，提出了一种简单可行的参数选择方法。仿真结果表明，其动态响应性能明显提高。在分析常用功率变换器的基础上，引进软开关技术，用来降低电机的损耗和脉动。采用TMS320VC33进行数据处理，给出了与DSP相连接的相关检测电路。 为了降低和消除开关磁阻电机的脉动和噪声，本文利用滑模变结构控制具有快速响应和对外部变化不灵敏等优点，设计了LSRM滑模变结构控制系统。仿真结果表明，其效果明显。 本文研究的目的在于把直线电机的结构和开关磁阻电机的原理和控制方式结合起来，对直线开关磁阻电机进行深入的分析，并在动态特性上进行较多的理论和仿真分析，在保持开关磁阻电机固有的优点上，进一步简化电机的结构，使之能在一些特殊场合使用，以提高整个传动系统的效率。 研究结果表明，直线开关磁阻电机的结构十分简单，控制策略相对成熟，因而直线开关磁阻电机的研究和推广运用是很有前途的。
上传时间： 2013-06-20
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开关磁阻电机（SR电机）驱动系统（SRD）是一种先进的机电一体化装置，但是其较大的振动噪声和转矩脉动问题制约了SRD的广泛应用。本文以减小SR电机振动噪声和转矩脉动为主题展开理论分析和实验研究。主要内容有：由于径向力引起的定子径向振动是SR电机噪声的主要根源，因此径向力的分析和计算是研究SR电机振动噪声的基础。本文利用磁通管法推导出径向力的解析表达式，定性分析了径向力与电机结构参数等之间的关系。根据虚位移原理，推导出基于矢量磁势的电磁力计算公式。该计算方法求解电磁力时只需进行一次磁场计算，不但减小了计算量，同时计算精度较传统虚位移法高。利用这一计算方法，求出了实验样机的转矩及径向力的精确数值解。针对在SRD性能仿真时，传统的非线性插值不但耗时，而且对有限元计算数据量要求高的问题，本文利用人工神经网络强大的非线性模型辨识能力，成功进行了SR电机磁链反演和转矩计算的模型训练，最后建立了基于人工神经网络的SR电机精确解析数学模型。因为SR电机本体结构形式的选择问题与振动噪声大小有着密切的关系。本文从噪声辐射和振动幅值角度探讨了SR电机主要尺寸的确定；接着从对称性、力波阶数等角度研究了SR电机相数及绕组连接方式、极数、并联支路数的选择问题。并对一些常用的降低电机机械噪声的措施和方法进行了综述。系统振动特性的研究对于减小振动噪声十分重要。本文从振动系统的运动方程出发，导出了从激振力到振动加速度的传递函数和系统的自由振动解；然后利用机电类比法得出了SR电机定子系统的固有频率以及振动振幅的解析解，定性分析了影响振动振幅的各种因素；最后利用基于能量法的有限元解法，通过建立不同的散热筋结构形式、高度、根数以及形状的SR电机三维有限元模型，分析得出了最有利于降噪和散热的散热筋结构是高度高、根数多、上窄下宽的梯形截面的周向散热筋的结论。通过建立不同绕组装配工艺下的SR电机三维有限元模型，分析得出了加强绕组刚度可以提高系统低阶固有频率的结论。通过比较实验样机的模态分析结果和运行实验结果，证实了模态分析的有效性。仿真是计算SRD系统性能和预估电机振动的有效手段。本文在用MATLAB建立SRD系统的非线性动态仿真模型的基础上，对SRD系统进行了稳态性能仿真、动态性能仿真以及负载突变仿真。接着利用稳态性能仿真，综合考虑最大平均转矩和效率这两个优化目标，对SR电机的开关角进行了优化。最后结合由磁场有限元计算得到的径向力数据表和稳态性能仿真，通过非线性插值得到径向力的波形，然后对径向力波形进行了频谱分析，从而找到其主要的谐波分量。在电机设计阶段避免径向力波主要频谱分量与SR电机定子的固有频率接近而引起共振是降低SR电机噪声的首要条件。合适的控制策略对于SR电机减振降噪是必不可少的。本文理论推导出三步换相法的时间参数取值公式。仿真证明本取值公式较原先文献的结论在阻尼比较小时有更好的减振效果。针对SR电机运行中可能出现多个模态振形被激发出来的情况，利用数值优化法对三步换相法的时间参数进行了优化，使得减振效果整体最佳，所提的数值优化方法对两步换相法同样有效。在分析已有的直接瞬时转矩控制的基础上，针对其不足之处，提出了转矩定频控制取代内滞环的方法、开始重叠区域的转矩控制方法、最佳开关角度二次优化法和时间参数优化的三步换相法等新的控制方案。动态仿真证明这些方案是切实有效的，达到了预期效果。最后在直接瞬时转矩控制的每一次转矩斩波都使用三步换相法，和在相关断时刻根据实际电平灵活选用两步或三步换相法以减小电机振动噪声，并提出了考虑减振要求的开关频率设计方法，最终形成了一套完整的降低振动噪声和转矩脉动控制策略。设计并研制了基于TMS320LF2407DSP的SR电机控制器。根据控制策略要求，选用了不对称半桥功率电路拓扑结构；出于降低成本以及提高可靠性考虑，采用了MOSFET双路并联电路方案。在控制软件中实现了本文所提出的降低SR电机振动噪声和转矩脉动控制策略。本文最后对实验样机进行了静态转矩的测量实验，对比转矩测量值与转矩有限元计算值，验证了磁场有限元计算的有效性。然后对实验样机进行了空载与负载、电流控制与转矩控制、低速斩波与高速单波、是否采用两步或三步换相法等一系列对比运行实验，对比各种实验结果，充分证实了本文所提出的降低振动噪声和转矩脉动控制策略的有效性。本课题组承担了国家十·五863计划电动汽车重大专项：“EQ6110HEV混合动力城市公交车用电机及其控制系统”（2001AA501421）。本文的研究是在该项目的资助下完成，并且本文关于电机本体结构形式、散热筋结构和机械降噪措施等的结论已在该项目的60kW实验样机上得到证实。
上传时间： 2013-07-05
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