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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随着中国经济的迅速发展,能源问题在当今社会中受到越来越多的关注.能量回馈系统可以在减缓矛盾方面发挥重要作用,无论在减少能源的浪费方面或是在新能源的利用开发上.主要运用在功率电子负载、分布式发电和电机制动能馈等场合.该文主要研究了能量回馈系统.电力电子的逆变技术是能量回馈系统的核心部分,该文讲述了电压型逆变电路和电流型逆变电路在能量回馈系统中的工作实现原理.电压型逆变电路是该文的重点,针对中国电网的形式,对单相和三相逆变电路作了分析,讨论了几种控制策略的选择,提出间接电流控制中相位幅值分别控制方法和直接电流控制中滞环控制方法在逆变器并网中的实现意义.电流型有源逆变利用移相调节,适合大功率场合.文章的最后部分比较分析电流型和电压型电路的性能特点.数字化是控制领域发展的趋势,在具体实现能量回馈系统的过程中,该文也充分运用数字式控制方式.在电流型逆变系统中,运用可编程序控制器(PLC)作为控制核心,并在MCGS组态平台实现和工控机的通讯.在电压型逆变系统中,将数字信号处理器(DSP)作为控制中心,实现外围电路工作及其控制.在以上基础上,分别研制了一台大功率晶闸管电流型有源逆变器和一台电压型并网逆变器.
上传时间： 2013-06-20
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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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随着电力电子器件、永磁材料、微机、新型控制理论和电机理论的发展，无刷直流电机的技术优势逐渐凸显，近年来在各种驱动、伺服和控制领域得到了迅速的推广应用。大功率无刷直流电机在国外已经成功应用于对系统效率、可靠性要求较高的场合，在国内，近年来也引起了广泛兴趣。本课题对大功率无刷直流电机进行预研，以两台无刷直流电机样机为研究对象进行分析和电磁设计研究。首先计及电枢绕组电感，从分析换相过程入手，建立了三相星型六状态工作模式下，电压源型无刷直流电机的数学模型，并基于此模型，通过仿真和实验，对该种无刷直流电机的电磁转矩系数、反电势系数、机械特性和电枢等效电阻等进行了深入研究，分析表明电枢绕组电感对上述各系数和特性存在较大影响，因此在大功率无刷直流电机设计和分析中，电枢绕组电感必须予以考虑。其次，本文对等效磁路法、电磁场有限元法和等效磁网络法以及它们在无刷直流电机电磁设计中的应用进行了比较研究，提出了采用有限元法计算漏磁系数、计算极弧系数、电枢计算长度和气隙系数，然后把它们应用到等效磁路法中进行空载特性计算，而采用电磁场有限元法分析负载特性的场路结合法。以此为基础，编制了无刷直流电机电磁设计软件，并将其应用于两台样机的设计，通过与电磁场有限元法计算结果和实验数据进行对比，验证了该方法的准确性。最后对两台样机的电枢反应及其影响进行了仿真和实验研究，分析发现q轴电枢反应是影响切向磁化结构的无刷直流电机性能的主要因素，设计中需采取措施抑制q轴电枢反应的影响。
上传时间： 2013-04-24
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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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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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永磁无刷直流电动机利用转子上的永磁体激磁，采用电子换相取代机械换相，结构简单、体积小、效率高，在许多领域得到了广泛应用。但是，由于永磁无刷直流电动机本身存在较大的转矩脉动，从而使电机运行性能存在缺陷，限制了它在精密传动系统中的应用。本文在开发完成永磁无刷直流电动机控制系统的基础上，针对如何减小和抑制自控式永磁电动机转矩脉动这一问题，提出了一种混合控制策略：利用原有的六个离散位置信号，在三三导通控制策略的基础上，融入矢量控制策略，使得电机在运行过程中定子的基波磁势与转子磁势尽量保持在90°左右，来实现近似正弦波电流驱动，可以在不增加系统成本的基础上，较好地抑制电磁转矩脉动，并通过实验验证其正确性，其主要内容如下： 第二章主要阐述了永磁无刷直流电动机的运行原理，给出了电机的数学模型，在此基础上，利用Matlab/Simulink软件建立了电机及控制系统的仿真模型，并给出了仿真和实验波形。 第三章介绍基于TI公司TMS320F240PQA芯片的永磁直流无刷电机控制器的设计，并对系统主电路、驱动模块、电流检测、过压保护等电路作了详细的介绍，对设计中容易出现的问题进行分析，搭建了整个系统的硬件平台。 第四章介绍了常规的矢量控制技术，提出了一种混合控制策略的新方法：利用霍尔位置传感器的六个位置信号，使得电机在运行过程中定子的基波磁势与转子磁势尽量保持在90°左右，从而达到控制器简单、转矩脉动降低的目的。并分析了这种控制策略在匀速、加减速情况下的运行性能。 第五章在前几章分析的基础上，完整给出了混合控制策略的软件编程方法，并按照模块化的思想，把软件分成多个独立模块，并重点介绍了系统启动、转速计算、转子位置计算、sinθ和cosθ的计算、PWM输出等几个部分，并给出实验波形验证其可行性。
上传时间： 2013-05-30
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本文主要研究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，并针对电网不平衡情况对三相PWM整流器作了相应的研究。 首先对PWM整流器的原理做了详细的介绍，主要是拓补结构，工作原理，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。选择了电压型的三相PWM整流器作为研究对象，并在dq坐标系中对其数学模型进行解耦。此外设计了基于TMS320F2812和IPM模块的硬件实验系统，介绍了硬件系统的电感和电容的参数设计。 介绍了间接和直接电流控制，并在直接电流控制中，引入了空间电压矢量定向控制，给出了实现该控制策略的主要算法，并建立了仿真模型。直接功率控制是近来发展起来的三相PWM整流器控制技术，在详细介绍了传统的直接功率控制策略后，针对其存在的问题，提出了空间电压矢量调制的直接功率控制策略，并通过仿真和实验验证了控制策略的有效性。最后在三相电网不平衡的条件下，研究了对三相VSR的影响。详细分析了抑制直流电压波动的双电流控制方法，以改善三相VSR在电网不平衡条件下的输入输出性能。
上传时间： 2013-06-09
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