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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无刷直流电机是一种性能优越、应用前景广阔的电机，应用传统的控制理论对其进行控制系统设计、分析的技术已经相对成熟，在此基础上研发出的各种调速系统已经在工业生产中获得广泛应用。因此，无刷直流电机的进一步推广应用，在很大程度上依赖于对一些先进控制策略的研究。 为了改进无刷直流电机调速系统的控制性能，本文基于灰色控制理论建立了无刷直流电机灰色PID控制调速系统模型。常规的PID控制以其结构简单、可靠性高、易于工程实现等优点至今仍被广泛采用。在系统模型参数变化不大的情况下，PID控制性能优良，但无刷直流电机是一种多变量、非线性的控制系统，传统的PID控制器难以克服电机自身参数不确定和扰动带来的转速偏差问题，无法实现精确快速的控制。灰色控制器是在继承经典PID控制器不依赖于对象模型优点的基础上，通过改进经典PID固有缺陷而形成的新型控制器，性能优良并且算法简单。该控制器设计不需要建立电机的精确数学模型，对参数变化和负载扰动不敏感。系统较好地实现了给定速度参考模型的自适应跟踪，结构简单，能适应环境变化，具有较强的鲁棒性。 本文以灰色系统理论为基础，把无刷直流电机的数学模型分为确定部分与不确定部分，对被控对象的不确定部分建立灰色模型，进行灰色预估补偿，使控制系统的灰量得到一定程度的白化。对所提出的无刷直流电机灰色PID控制调速系统进行了仿真，对仿真结果给出理论分析；以TMS320F2812型DSP为核心控制器建立了无刷直流电机调速驱动系统。仿真和实验结果表明，基于灰色PID控制算法的无刷直流电机调速系统受电机参数变化影响较小，具有较高的控制精度和鲁棒性，表现出优良的动、静态性能。
上传时间： 2013-04-24
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永磁同步发电机由于一系列高效节能的优点，在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到广泛应用，并且受到许多学者的关注，其研究领域主要涉及永磁同步发电机的设计、精确性能分析、控制等方面。 本课题作为国家自然科学基金项目《无刷无励磁机谐波励磁的混合励磁永磁电机的研究》的课题，主要研究永磁电机的电磁场空载和负载计算，求出永磁电机的电压波形和电压调整率，为分段式转子的混合励磁永磁电机的研究奠定基础，主要做了以下工作： 首先介绍了永磁同步发电机的基本原理，包括永磁同步发电机的结构形式和永磁同步发电机的运行性能，采用传统解析理论给出了电压调整率的计算方法及外特性的计算模型；然后用有限元ANSYS对永磁同步发电机样机进行实体建模，经过定义分配材料、划分网格、加边界条件和载荷、求解计算等，得到矢量磁位Az、磁场强度H、磁感应强度B等结果，直观地看出电机内部的磁场分布情况。 其次根据电磁场计算结果，应用齿磁通法对其进行后处理。该方法求解转子在一个齿距内不同位置处的磁场，以定子齿的磁通为计算单位，根据绕组与齿的匝链关系，计算出磁链随时间的变化，进而得到永磁同步发电机空、负载时电压大小及波形。通过计算结果写实验结果对比，验证了齿磁通法的正确性，为计算永磁同步发电机各种性能特性提供有力工具。 最后，基于齿磁通法对永磁同步发电机的外特性进行了深入研究，定量分析了结构参数对外特性的影响规律，提出了有效降低电压调整率的方法的是：增加气隙长度g的同时，适当增加永磁体的磁化方向的长度hm；此外，要尽量的减少每相串联匝数N和增大导线面积以减小阻抗参数。通过改变电机的结构参数，对其电磁场进行计算，找到永磁电机电压调整率的变化规律，为加电励磁的混合励磁永磁电机做准备，达到稳定输出电压的目的。
上传时间： 2013-04-24
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现代轧钢机的机组容量日益增大，其有功、无功负荷变动异常剧烈。由于大部分设备供电多半采用晶闸管整流装置，使电网中谐波增大，功率因数降低，出现较大的电压波动。因此研究轧钢厂供电系统电能质量的基本内容—无功补偿与谐波抑制，对提高企业供电可靠性、降低损耗、提高用电设备出力等具有重要意义。由于通用的电力分析软件不具备设计功能，因此有必要开发一套无功补偿装置设计和电能质量分析的专业软件。 该文详细分析了轧钢供电系统各个谐波源产生的谐波特点和功率因数特点，研究了广泛应用于轧钢供电系统的TCR+FC型静止无功补偿装置的补偿特性和结构特点。以此为理论基础，从软件工程的角度，开发了一套动态补偿仿真软件，其中包括人机交互界面、电力模型和运算模型等。人机交互界面是用户与软件的接口，而电力模型和运算模型是内置在软件内，对用户不可见。用户在界面上输入系统参数，通过界面调用运算模型可以自动地设计TCR+FC型静止无功补偿装置的各滤波支路和TCR支路的电路参数，除此之外，通过界面调用电力模型，用户可以从界面上读取该系统补偿前后的电能质量。 因此，该软件既是一个设计软件，又是分析软件，不仅能设计静止无功补偿装置的各支路具体电路参数，为实际轧钢系统的静止无功补偿装置的设计提供理论参考，还能对系统投入SVC前后的电能质量的变化做出详细的对比分析。 最后，以科学研究领域广泛应用的PSCAD/EMTDC软件为测试工具，在其中建立相应的电力模型。通过比较在两个软件中仿真得到的轧钢机负载曲线、电压电流波形、电压波动、谐波、功率因数等，证实了该动态软件的正确性。
上传时间： 2013-04-24
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对供电系统进行适当的无功补偿，可以稳定电网电压，提高功率因数，提高设备利用率，减小网络有功功率损耗，提高输电能力，平衡三相功率，为系统提供电压支撑，提高系统运行安全性。钢铁企业一直就是用电大户，具有容量大、负荷冲击大、起制动频繁、快速性、工作连续性和自动化程度高等特点，存在功率因数低、电压波动等问题。研究钢铁企业的无功补偿，对企业提高供电可靠性，节能减排，降低损耗，提高用电设备效率，保证产品质量有着非常重要的意义。 本文选用目前工程上应用最为广泛的动态补偿装置静止无功功率补偿器，即SVC对钢铁企业负荷进行无功补偿。考察了轧钢企业的负荷特点，对比了各种补偿装置的优缺点，在此基础上提出了FC—TCR型SVC做为钢铁企业的无功补偿装置。 本文根据特定的现场参数，提出了FC—TCR型SVC装置的设计框架，建立了潮流计算和SVC装置的数学模型，给出了含有SVC补偿装置的电力系统潮流计算的计算方法，计算了SVC装置的FC和TCR各支路参数，对一次设备进行选型，最后提出了一套完整的SVC系统设计方案。仿真结果表明，采用本方案的SVC系统有效提高了供电系统的功率因数，抑制了电压波动，表明方案设计中的支路配置，参数设置和设备选型是合理的。 从基于瞬时无功功率理论的补偿装置触发角度的算法出发，研究了SVC装置动态补偿的实现方法。本文还提出了动态补偿SVC监控系统和晶闸管触发系统的硬件实现。 为了验证SVC系统设计的合理性，搭建了SVC的模拟试验平台，对一次系统，监控系统，光电触发系统进行了联合调试，调试结果达到了设计预期目标。
上传时间： 2013-06-23
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我国电网无功补偿容量不足和配备不合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。冲击性负荷更会使得电网无功功率不平衡，将导致系统电压的巨大波动、善变，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定性被破坏事故。 FC+TCR型静止无功补偿装置响应速度快，可以动态补偿无功功率，提高系统功率因数，抑制系统电压波动和闪变，因此在电气化铁路、电弧炉、轧机等的负荷无功补偿上得到广泛应用。中小用户由于成本高较少使用，但中小用户无功补偿容量及市场巨大，研制适合中小用户的FC+TCR型静止无功补偿装置很有必要。基于此目的，本文研制一台10kV FC+TCR型静止无功补偿装置，并以此为研究对象进行设计理论研究工作。 本文根据负荷无功功率的变化情况，计算了静止无功补偿装置的主电路参数，设计配备了高电位取能触发板和BOD过电压保护板。选择以TMS320F2812为核心的嵌入式控制板为主要部件，设计信号接入电路和晶闸管触发脉冲形成电路，构成最基本的静止无功补偿控制器。 基于瞬时无功补偿理论和不平衡负荷的平衡化原理（Steinmetz原理），建立补偿电纳计算模型，通过电压电流瞬时值采样计算需要补偿的瞬时无功功率和电纳，根据补偿电纳通过查表方法求得晶闸管的控制角，并将其应用到静止无功补偿装置样机中。仿真结果表明，算法是快速有效和准确的，主电路的参数是合理的，具有实际工程应用价值。
上传时间： 2013-08-02
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由于电动助力转向（EPS）系统具有高性能、高效率、低成本、节能环保等优点，随着汽车电子技术的发展，电动助力转向技术逐渐取代传统的液压助力转向（HPS），成为转向助力技术的主流。 @@ 本文在详细了解EPS系统性能要求和工作原理的基础上，对各种已有的EPS助力电机进行了总结和比较。对比结果表明，无刷直流电机（BLDC）凭借其显著的优点，成为EPS助力电机的较优选择。 @@ 无刷直流电机作为一种由电动机本体和驱动器组成的机电一体化产品，与传统的直流电机一样，具有良好的起动和调速性能，并且由于用电子换向取代了机械换向，不存在传统直流电机的换向火花和机械噪声，在许多性能要求比较高的场合已得到普遍应用。随着电力电子技术、计算机技术的发展，其应用范围还在进一步扩展。然而，BLDC电机作为EPS系统的助力电机也并非全无缺点。永磁电机中固有的齿槽转矩的存在，以及由于采用120°换向工作模式造成的转矩波动，都会严重影响EPS系统的操控性能。 @@ 本课题针对无刷直流电机在汽车电动助力转向系统中的应用，根据EPS系统对助力电机的要求，设计了一台转向助力用永磁无刷直流电动机，并使用有限元方法对电机性能进行了分析。为了反映参数变化对电机性能的影响，从而为电机的设计提供指导，我们还用场路耦合的解析算法对电机性能进行了分析。在分析结果的基础上，对永磁电机中的齿槽转矩进行了研究，并针对样机提出了齿槽转矩的削弱方法，然后使用三维有限元的方式对所提出的方法进行了仿真验证。 @@ 根据EPS系统的工作原理，探讨了助力电机的控制策略，并设计了带传感器的无刷直流电机的控制系统。分别完成控制系统硬件和软件的设计，并进行了相关实验，结果表明基本达到了设计的目标。 @@关键词：EPS、无刷直流电机、电机设计与优化、有限元、控制器设计
上传时间： 2013-07-29
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无功功率是影响电网稳定的一个重要因素，无功补偿是保证电力系统高效可靠运行的有效措施之一，它关系到整个电力系统能否安全稳定的运行。基于国内电力市场的需求现状，考虑到无功补偿的实现条件和经济适应性，研制出了一种基于DSPTMS320LF2407A控制的TSC型低压动态无功补偿装置。 本文主要研究了TSC无功补偿的基本原理，无功补偿的控制方式和原理，MATLAB系统仿真以及控制器的软、硬件的设计。在硬件设计方面，由DSPTMS320LF2407A作为主控制器，能够实现自动采样计算、无功自动调节、故障保护、数据存储等功能，具有比传统的单片机控制运算速度高，实时性好的特点。采用晶闸管控制投切电容器，完全实现了电容器的快速，无弧，无冲击投切，具有优良的性能。在软件上，采用C语言和汇编语言混合编程。在投切原则上，与常见的功率因数控制方案相比较，采用无功功率和功率因数相结合控制方式，避免了轻载投切振荡，使无功调节更为合理。 为了实现装置应具有的功能，本文设计并制作了较为完整的控制电路及其外围设备的硬件电路。文中设计编写了整个控制系统的控制程序，给出了控制软件的结构框图。结果表明本装置软硬件设计合理，控制方法可行，系统运行可靠，达到了预期的目的。
上传时间： 2013-07-05
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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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高压TSC（Thyristor Switch Capacitor）装置是指额定工作电压为6kV-35kV晶闸管投切电容器补偿装置，是一种典型静止无功补偿器，其对增强系统稳定性、提高系统运行经济性，保证电压质量及改善电能质量都能发挥良好的作用。目前国内对高压TSC装置研制与生产还处于起步阶段，加速高压TSC装置的国产化，对在我国电力系统中早日推广与应用高压TSC装置具有重大意义。 首先在无功功率的测量上，如何在有谐波干扰等复杂环境下准确检测无功功率，本文采用了基于快速傅立叶变换的方法，可以很好的完成无功功率的采集。在主电路结构上，晶闸管开关阀是高压TSC装置的关键构成部件，高压TSC装置要求晶闸管开关应具有良好的电气性能，要求晶闸管开关应是有效和可靠的。本文通过晶闸管特性和串联技术的研究，给出了晶闸管串联开关的静态均压和动态均压方法，设计出合理使用的电路结构。通过仿真分析，验证了均压电路的效果。 电容器无涌流投入技术也是TSC主要研究点，由于在高压系统中器件两端承受的电压较高，低压TSC系统中常用的过零固态继电器或集成过零触发芯片满足不了耐压的需要，本文设计了专门的过零检测及触发电路，在器件两端电压过零时触发，避免了由于电容器残压过高而造成的巨大冲击电流，从而在硬件电路上实现电容器组的无过渡过程投切，电路简单可靠。同时，在控制策略上将几种投切判据进行了比较，采用了电压无功复合投切判据，以无功功率作为主判据，电压作为辅助判据，有效地克服了仅以功率因数作为投切判据的控制方式中的轻载时容易产生投切振荡而重载时容易出现补偿不充分的缺点。
上传时间： 2013-05-24
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