石油钻采设备通常工作于公共电网所不及的沙漠、海洋和陆地等环境场合，其中的电站子系统由数台柴油发电机组及其相应的控制系统构成，为石油钻机提供动力电源（小电网供电系统）。石油钻机中的钻井设备（绞车、泥浆泵和转盘等）由大功率的交流或直流电动机驱动，根据钻井工艺需要调节转速和控制转矩，因此，通常采用VFD变频调速系统或SCR直流调速系统来满足钻井工艺要求。众所周知，电力电子装置（VFD变频传动系统和SCR直流传动系统）对电力系统带来谐波污染，尤其是对柴油发电机组小电网系统，谐波污染的问题将更为严重，而且SCR电驱动系统的功率因数较低，也给小电网系统带来额外负担，影响供电质量。因此，对石油钻机电驱动系统进行谐波抑制和提高功率因数，显得尤为重要。本论文正是针对此问题进行的研究和实践。 本文对石油钻机电驱动系统的构成及其工作原理作了介绍，重点分析了SCR和VFD电驱动系统谐波和无功功率产生的原因及危害，结合国内外的研究成果，提出对石油钻机电驱动系统进行谐波抑制和无功补偿的方案，并将其应用到实际的工程项目中。 石油钻机电驱动系统为典型的多谐波源系统，本文对各个谐波源进行了详细地分析，并且将多个谐波源进行了合成叠加和计算，来确定对电网系统总的影响（电压畸变率）；针对SCR和VFD电驱动系统的结构和特点，提出了对SCR和VFD系统进行谐波抑制和无功功率补偿的不同解决方案，即：对SCR电驱动系统，采用有源滤波器+动态无功功率补偿的办法，来消除谐波和改善功率因数；而对VFD电驱动系统，采用有源滤波器来消除谐波即可。 对石油钻机SCR和VFD电驱动系统谐波进行的分析和计算，为两系统谐波抑制的方案选型和系统优化提供了设计依据。本文选用适合于柴油发电机组小电网供电系统的有源滤波器（额定电压为690V）来滤除谐波，在系统结构上，采用一个谐波源配置一个有源滤波器的方法，主要解决了CT和PT连接的问题，实践证明系统配置合理，滤波效果良好。同时对SCR电驱动系统设计了动态无功补偿装置，通过实测数据验证了本文对SCR电驱动系统的无功进行了有效地补偿。
上传时间： 2013-04-24
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永磁同步电机是同步电机的一个重要类型，其转子一般采用稀土永磁材料做激磁磁极，与传统同步电机相比，体积和重量大为减小，而且结构简单，运行可靠，维护更方便。现代电气传动控制的发展趋势之一是开发新的交流调速与伺服系统。无论在矢量控制还是标量控制中，转速与位置的闭环控制都需要在电机轴上安装一个速度传感器，但是由于速度传感器的引进不仅增加了成本，降低了系统可靠性，还存在安装问题，效果并不十分理想。因此高性能无速度传感器控制成为近年来电机研究的热点。 本文在系统介绍卡尔曼滤波器的基础上，将其引入到永磁同步电机无速度传感器状态观测中。由于永磁同步电机是一个强耦合的多阶非线性系统，本文采用了工程实际中普遍采用的泰勒展开式截断的方法，对电机方程线性化处理，将卡尔曼滤波算法推广至非线性系统，并加入了反映电机系统模型误差和环境干扰的系统噪声和测量噪声模型，形成扩展卡尔曼滤波算法。扩展卡尔曼滤波器将电机转子位置与转速作为系统状态变量进行实时估算，并将所得信息反馈到永磁同步电机控制系统中。通过仿真，与电机实际运行状态进行比较，证明了扩展卡尔曼滤波具有良好的动态跟踪能力和抗噪声能力。 针对扩展卡尔曼滤波算法在无速度传感器控制中存在的不足，本文给出了降阶线性卡尔曼滤波算法。降阶线性卡尔曼滤波算法重新选择了系统状态变量，建立新的完全线性化的系统方程，并且卡尔曼滤波算法中的系统协方差矩阵成为时不变序列，因此可以直接应用线性卡尔曼滤波算法。仿真结果证明，与扩展卡尔曼滤波算法相比，新的算法更加简单，减轻了繁重的参数调节任务，易于数字化实现，不仅具备扩展卡尔曼滤波算法的优势，而且在某些性能方面超越了扩展卡尔曼滤波算法。 通过分析得知，由于将系统模型不确定性与测量噪声体现在系统方程中，因此卡尔曼滤波算法在状态估算方面具有良好的性能。本文以降阶线性卡尔曼滤波 算法为理论基础，以永磁同步电机为对象，以数字信号处理器（DSP）为核心，设计了电机状态观测系统的设计方案。整个方案在不增加成本的基础上，充分利用数字信号处理器（DSP）丰富的资源和强大的运算能力，通过检测电机相电流，实时估算出电机转子位置与转速。本系统可以代替传统速度传感器，为电机控制系统提供转子位置和转速反馈信息。本文的下一步主要工作便是将此系统付诸实践，应用于实际工程中，对卡尔曼滤波算法在永磁同步电机无速度传感器控制方面的性能进行进一步研究。关键词：永磁同步电机；无速度传感器；卡尔曼滤波
上传时间： 2013-04-24
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随着电力电子技术的发展，高压换流设备在工业应用中日益广泛。其核心元件晶闸管（SCR）的电压与电流越来越高（已达到10KV/10KA以上），应用场合要求也越来越高。在国际上，晶闸管的光控技术发展日益成熟。根据对国内晶闸管技术发展前景和需求的展望，本文采用自供电驱动技术与光控技术相结合，研发光控自供电晶闸管驱动控制板，然后与晶闸管本体相结合即形成光控晶闸管工程化实现模型，其可作为光控晶闸管的替代技术。 在工程应用中，光控晶闸管的典型应用场合为四象限高压变频器和国家大型直流输变电系统等。随着国家节能工程的实施，高压变频器的应用范围越来越广泛，已成为工业节能中的重要环节。高压直流换流系统难度大，技术复杂，要求高，本论文研究的光控晶闸管替代技术只作为其储备技术之一。本论文以电流源型高压变频器作为该光控晶闸管替代技术的应用背景重点阐述。 电流源型高压变频器为了提高单机容量，通常是数个SCR串联使用。随着系统容量越来越大，装置对高压开关器件的要求也越来越高。如果一组串联SCR中某一个SCR该导通时没有导通，那么加在该组SCR上的电压都将加到该SCR上形成过电压，造成该器件的击穿损坏，甚至于一组串联SCR都被烧坏。为了克服上述问题，保证高压变频器中串联晶闸管能够安全可靠的工作，提高系统可靠性，有必要为晶闸管配备后备驱动系统。本文提出了给SCR驱动电路增设自供电驱动系统——SPDS （Self—Powered Drive System）的解决办法。SPDS基本功能是通过高位取能电路利用RC缓冲电路中的能量为监测电路和后备触发电路提供正常工作所需要的能量。它的优点是由于缓冲电路与晶闸管同电位，自供电驱动系统要求的电压隔离水平可以从几千伏降低到几百伏，节省了高压隔离变压器，节省了成本和体积，提高了系统可靠性。国外对相关内容已经有了深入研究，并将其应用在高压变频器产品中。在国内，目前还没有查到相关文献。本文为基于晶闸管的电流源型高压变频器设计了一种高压晶闸管自供电驱动系统，填补了国内空白，为自供电驱动系统的推广应用和其他高压开关器件自供电驱动系统的研制提供了参考。 本文详细介绍了串联高压晶闸管驱动系统的要求和RC缓冲电路的工作特 点，进而提出了SPDS的工作原理和具体实现方式，阐述了SPDS各部分组成及其功能。SPDS的核心技术是取能回路和触发方式的设计。本文在比较各种高压取能方式和触发方式优缺点的基础上，选择采用RC缓冲取能方式和光纤触发方式。 论文基于Multisim10仿真软件，结合高压晶闸管自供电驱动系统取能电路的原理，对高压晶闸管自供电驱动系统的核心部分——SPDS取能电路进行了仿真。通过搭建带SPDS取能电路的单相晶闸管仿真电路和电流源型高压变频器前侧变流电路的仿真模型，详细讨论了影响RC取能回路正常工作的各种因素。同时，通过设定仿真电路的参数，分析了其工作状况。根据得到的仿真波形图，证明了高压晶闸管自供电驱动系统可以达到有效触发晶闸管导通的设计目标，具有可行性。 为考察SPDS的实际工作性能，本文搭建了简易的SPDS低压硬件实验平台，为其高压条件下的工程化应用打好了基础。 在论文的最后，对高压晶闸管自供电驱动系统的发展方向进行了展望。 关键词：高压变频器；晶闸管驱动；自供电系统；高压换流；光控晶闸管
上传时间： 2013-05-26
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在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，风力发电已经成为绿色可再生能源的一个重要途径。双馈电机变速恒频(VSCF)发电是通过对转子绕阻的控制来实现的，而转子回路流动的功率是由发电机运行范围所决定的转差功率，因而可以将发电机的同步转速设定在整个运行范围的中间。如果系统运行的转差率范围为±30％，则最大转差功率仅为发电机额定功率的30％，因此交流励磁变换器的容量可大大减小，从而降低成本。该变换器如果加上良好的控制策略，则系统运行将具有优越的稳态和暂态运行性能，非常适用于风能这种随机性强的能源形式。本文对变速恒频双馈机风力发电系统的若干关键技术，如空载柔性并网、带载柔性并网、解列控制、最大功率点跟踪、电网电压不平衡运行、低电压故障穿越等问题进行了深入研究，论文的主要工作如下： 根据交流励磁变速恒频风力发电的运行特点，将电网电压定向的矢量控制方法应用在双馈发电机的并网发电控制上。研究了一种基于电网电压定向的双馈机变速恒频风力发电柔性并网控制策略，在变速条件下实现无电流冲击并网和输出有功、无功功率的解耦控制，建立了交流励磁发电机柔性并网及稳态运行的控制模型，对柔性并网及其逆过程的解列分别进行了仿真和实验研究。 提出了一种以向电网输送净电能最多为目标的最大功率点跟踪控制策略，在不检测风速情况下，能够自动寻找并跟随最大功率点，且不依赖风力机最佳功率特性曲线，提高了发电系统的净输出能力，具有良好的动、静态性能。仿真和实验结果证明了本控制策略的正确性和有效性。 对网侧变换器分别进行了幅相控制和直接电流控制策略的研究。结果表明：幅相控制策略简单实用，可以得到正弦波电流，且波形谐波小，实现了单位功率因数运行，但响应速度相对较慢；而直接电流控制策略具有网侧电流闭环控制，使网侧电流动、静态性能得到提高，实现对系统参数的不敏感，增强了电流控制系统的鲁棒性，但算法相对复杂。 在电网不平衡条件下，如果以传统的电网电压平衡控制策略设计PWM整流器，会使系统出现不正常的运行状态。为了提高三相PWM整流器的运行性能，本文对电网电压不平衡情况下三相PWM整流器运行控制策略进行了改进，研究了消除负序电流和抑制输入功率二次谐波的控制策略，实现了线电流正弦、负序输入电流为零及总无功功率输入为最小的目标。 为了提高VSCF风力发电系统的运行能力，本文对电网故障时双馈风力发电系统低电压穿越控制(LVRT)进行了研究，在不改变系统硬件结构的情况下，通过改变励磁控制策略来实现LVRT；在电网故障时使电机和变换器安全穿越故障，保持不脱网运行，提高系统的稳定性和安全性。
上传时间： 2013-07-09
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本文分析了永磁同步直线电动机的运行机理与运行特性，并通过坐标变换，分别得出了电机在a—b—c，α—β、d—q坐标系下的数学模型。针对永磁同步直线电机模型的非线性与耦合特性，采用了次级磁场定向的矢量控制，并使id=0，不但解决了上述问题，还实现了最大推力电流比控制。为了获得平稳的推力，采用了SVPWM控制，并对它算法实现进行了研究。 针对速度环采用传统PID控制难以满足高性能矢量控制系统，通过对传统PID控制和模糊控制理论的研究，将两者相结合，设计出能够在线自整定的模糊PID控制器。将该控制器代替传统的PID控制器应用于速度环，以提高系统的动静态性能。 在以上分析的基础上，设计了永磁同步直线电机矢量控制系统的软、硬件。其中电流检测采用了新颖的电流传感器芯片IR2175，以解决温漂问题；速度检测采用了增量式光栅尺，设计了与DSP的接口电路，通过M/T法实现对电机的测速。最后在Matlab/Simlink下建立了电机及其矢量控制系统的仿真模型，并对分别采用传统PID速度控制器和模糊PID速度控制器的系统进行仿真，结果表明采用模糊PID控制具有更好的动态响应性能，能有效的抑制暂态和稳态下的推力脉动，对于负载扰动具有较强的鲁棒性。
上传时间： 2013-07-04
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随着全球汽车保有量的与日俱增，能源危机和环境污染正逐渐成为制约世界汽车工业发展的瓶颈。而新兴的混合动力汽车（HEV）在节能和排放上的优越性正逐步体现出来。由于采用“油、电”配合的方式来驱动车体，其所搭载电动机及其驱动控制系统的研究则成为混合动力汽车研发中的关键技术之一，它直接决定着整车的动力性，燃油经济性和排放指标。 论文首先比较了常见的几种电动汽车的性能，概括了混合动力汽车的优点，介绍了混合动力汽车电机及其控制系统技术的发展现状；其次探讨了几种常用交流电动机的性能优劣，由于永磁同步电机具有高效、高功率密度以及良好的调速性能，本文混合动力汽车传动系统选用永磁同步电机；根据混合动力汽车所搭载电动机在功率和扭矩上的要求以及永磁同步电机在结构上的特点，选取了发动机电机系统的结构布置形式；论文建立了永磁同步电动机的数学模型，分析了永磁同步电动机矢量控制的原理；设计了基于TMS320F2812DSP的永磁同步电动机矢量控制系统，详细阐述了功率驱动电路，速度及位置检测电路，电流反馈及过流保护电路，CAN通讯模块等系统中重要的组成单元；软件采用模块化的结构，阐述了关键子程序如电流采集、位置检测程序和SVPWM产生子程序。 最后，搭建了实验平台，对硬件进行了调试和修改，通过样机及系统台架试验，取得了大量的实验数据，检验了所设计样机的特性，发现其制作过程中的不足，并实现了电机控制系统的闭环控制，从而达到了对混合动力汽车用永磁同步电动机控制系统的探索与研究的目的。
上传时间： 2013-05-23
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交流伺服技术是研制开发各种先进的机电一体化设备，如工业机器人、数控机床、加工中心等的关键性技术，但是要提高交流伺服系统的控制性能关键在于伺服控制器对电机动态和静态响应的控制，要获得良好的电机动、静态性能关键在于伺服控制器的控制算法。为此，本文开展了主要针对电机控制算法中的PID控制器参数整定算法研究。研究工作是基于黑龙江省科技攻关项目为支撑。 本论文在查阅大量文献资料的基础上，掌握了系统构成和基本控制原理，并分析了国内交流伺服存在的问题，设计了基于TI公司电机数字化控制芯片TMS320F2812的交流伺服控制器的控制单元；基于三菱公司智能化功率器件IPM设计了控制器的功率单元；以及电源单元和相关电路的保护单元。 基于电机矢量控制原理，构建了永磁同步电机的矢量控制模型，在原有研究的基本PID控制基础上，根据模糊控制的基本原理，研究了应用于电机控制的模糊参数自整定PID控制器设计原理，构建模糊参数自整定PID控制器的数学模型，并进行该系统的仿真研究和实际应用程序设计。 本文的重点是阐述模糊参数自整定PID控制器的设计原理和方法，利用基于模糊参数自整定PID控制器的交流伺服系统仿真模型，应用Matlab/Simulink仿真软件平台验证模型和算法的正确性，并与常规PID控制性能进行对比分析。在实际硬件平台验证了本文提出算法的可行性和正确性。 通过仿真和实际结果对比得出结论，模糊参数自整定PID控制器可以提高交流伺服系统的动态和静态性能。
上传时间： 2013-04-24
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应用于电动汽车驱动领域的永磁同步电机交流驱动系统是由永磁同步电机、电力电子技术和控制技术相结合而形成的新型交流驱动系统。因其具有良好的运行性能而成为当代电气传动领域研究的热点之一。 永磁同步电机是一个多变量、非线性、高强耦合的系统，其输出转矩与定子电流不成正比，而是复杂的函数关系，因此要得到好的控制性能，需要进行磁场解耦。矢量变换控制技术正好适用于永磁同步电机的这种特点。 本文在数字电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407的基础上，以永磁同步电机为研究对象，对其矢量控制技术进行了研究和设计。 首先课题根据永磁同步电机实际物理模型，分析推导得到了永磁同步电机的三相静止坐标系下及两相旋转坐标系下的数学模型。 接着课题对永磁同步电机运行特性进行了分析和研究。在此基础上，课题提出了一种新型的永磁同步电机矢量控制系统，在这个系统上，课题提出了应用不同矢量控制策略的矢量控制方法，并对其做了仿真验证。 结果表明，课题设计的系统以及应用不同矢量控制策略的矢量控制方法准确可行。 这个控制系统便于实现多种矢量控制方法，为永磁同步电机扩速增效提供了理论平台。 在理论分析、仿真通过基础上，课题对驱动系统的硬件和软件两个方面进行了具体的设计。 课题完成了DSP控制系统关键硬件电路的设计，并设计制作了一块应用SCALE模块的IGBT驱动电路，此驱动电路响应迅速、抗干扰性强，驱动性能优越。此外，课题完成了永磁同步电机矢量控制系统全数字化设计，调试通过了速度位置检测、电流检测、PI调节、坐标变换等应用模块。 课题最后对整个系统的做了全面的总结，并对今后的工作方向进行了展望。
上传时间： 2013-06-22
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变频器在各行各业中的各种设备上迅速普及应用，已成为当今节电、改造传统工业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、提高产品质量以及推动技术进步的主要手段之一，是国民经济和生活中普遍需要的新技术。但是现有变频器的调制算法尚存在一些缺点，如开关损耗大和共模电流大等，因此有必要研究和设计高性能调制算法的变频控制器。鉴于此，开展了以下工业变频器高性能调制算法为对象的研究内容： 在阐述了工业变频器系统的结构、调制算法、调速算法的基础上，结合数学模型，分析了共模电压产生的原理、共模电流其影响和危害，给出了共模电压和共模电流的关系。总结其他的抑制共模电压的方案基础上，提出一种新的共模电压抑制SVPWM；还阐述了死区产生的原因及其影响，以及死区补偿的原理并将上述两个调制算法利用MATLAB/SIMULINK软件对该系统给予了全面的仿真分析。 变频器硬件部分设计包括整流滤波电路、逆变器功率电路、上电保护电路、DSP控制系统及其外围电路、IGBT驱动及保护电路以及反激式开关电源，对于传感器检测滤波电路的具体电路参数设计，是在PSPICE上仿真基础上得出。并在考虑成本、EMC、效率等因素后考虑完成了所有硬件相关的原理图绘制和PCB绘制； 变频器软件部分设计包括主程序、键盘扫描程序、系统状态处理程序、PWM发送中断程序、电机启动函数、电压调整程序、AD采样中断程序以及故障保护中断程序。在实现一般SVPWM的基础上，根据之前理论和仿真得到的共模电压抑制SVPWM、以及死区补偿算法，将这两个对SVPWM进行改进的调制算法在硬件平台上实现。 在硬件电路完成设计的各个阶段，逐渐编制相应的控制程序，并进行调试，并完成整个程序的编制和调试。此外，还调试了系统所需的反激式开关电源。整个系统调试中遇到了很多问题，如键盘消除抖动问题、共模电压抑制SVPWM出现的直通现象等。最终完成了工业变频器样机，并且采用的是文章中研究的调制算法，效果良好，达到设计的目的； 提出了一种将有源功率因数校正(PFC)技术引用到串级调速中来提高定子侧功率因数的新方法。通过建立电动机折算到转子侧的等值电路，重点分析了有源PFC技术代替传统串级调速系统中的不控整流桥后，系统可以等效为转子串电阻调速。得到了等效串电阻的计算公式和变化趋势，对电动机功率因数、电磁转矩脉动也进行了分析，发现能够比传统串级调速时有所提升。鉴于电动机转子侧电势频率非常低，分析了有源PFC的具体实现的特殊考虑和参数选取方法，并基于对称平衡的Scott变压器和两个单相有源PFC电路实现了绕线电动机转子侧的三相有源低频PFC，得到超低纹波的直流输出电压。利用MATLAB建立了完整的仿真平台，所得结果验证了理论分析的正确性。
上传时间： 2013-07-09
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随着人们生活水平的提高，肥胖逐渐成为一种社会疾病，肥胖容易使人患上阻塞性睡眠呼吸暂停综合症，严重影响生活质量，严重时甚至危及生命。研制性能良好低成本的呼吸机有很好的实际意义。本论文论述了一种基于dsPIC30F3010控制器及无刷直流电机(BrushlessDirectCurrentMotor，简称BLDCM)的呼吸机控制器，实现了反电势法无位置传感器无刷直流电机的运行控制。 论文从基本电磁定律出发，分析了无刷直流电动机结构和工作原理，建立了无刷直流电动机的数学模型，在此基础上详细分析了“反电势法”无刷直流电机控制原理，深入研究了三种反电势过零检测方法，并对检测电路移相产生的转子位置误差进行了分析，给出了补偿方法。 对无刷直流电动机无位置传感器控制中的关键问题——起动方法进行研究，介绍了“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。针对传统“三段式”起动的缺点，论文提出了一种新的外同步到自同步的切换方式。 综合上述，本系统以dsPIC30F3010单片机为控制器，设计了“反电势法”无刷直流电机无位置传感器控制系统的硬件电路，详细介绍了电路各个组成部分的工作原理，同时介绍了控制系统中采用的硬件抗干扰措施。结合dsPIC30F3010的特点，充分利用其片内的资源，设计了系统的软件。实验结果表明系统能够控制电机顺利起动，而且实现了电机正确的换相和稳定的运行。
上传时间： 2013-07-26
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