随着电力电子技术的发展，高速永磁无刷直流电机应用前景越来越广阔，有较大的研究价值，对其电磁性能进行准确的分析和设计具有重要的经济价值和理论意义。本文主要是围绕着永磁无刷直流电机，尤其是高速永磁电机的磁路、电路性能的分析、铁耗和温升的计算、优化设计、控制系统和样机制造和实验等做了大量的工作： 对电机的磁路进行分析设计：从磁路结构入手，分析了定子铁芯、转子铁芯和永磁体的各种结构优劣及其选型、选材的根据；讲述了场路结合的分析计算方法；给出了极数、槽数、绕组、转子参数、定子参数和轴承的参数确定方法。 对永磁无刷直流电机的电路进行分析：从电机磁场分析入手，根据齿磁通分析计算了电枢绕组的感应电动势；根据此电动势的波形，推导了三相六状态控制时，电动势的电路计算模型，重点推导了电动势平顶宽度小于120度电角度时的电路模型，指出换相前电流波形出现尖峰脉冲的原因，该模型考虑了电感对高速电机性能的影响；给出了基于能量摄动法计算绕组电感的方法。 高速永磁无刷直流电机内的损耗尤其是铁耗较大，根据经验系数来计算铁耗的传统方法已显得力不从心，如何准确计算高速永磁无刷直流电机内的铁耗是困扰电机工作者的一个难题，本文根据Bertotti铁耗分立计算模型，进一步推导了考虑电机内旋转磁化对铁耗的影响的铁耗计算模型，其各项损耗系数是由铁芯材料在交变磁化条件下的损耗数据通过回归计算得到。通过实际电机的计算和实验测试，表明此计算模型有较高的准确度。随着电机内损耗的增大，温升也是一个重要问题，为了了解电机内的温度分部，防止局部过热，本文建立了基于热网络法永磁无刷直流电机的温升计算模型，并对电机进行了温升计算，计算结果和实际测量基本一致。 本文确立了永磁无刷直流电机的电磁计算方法，建立了优化设计的数学模型，编制了程序，用遗传算法成功地对高速永磁无刷直流电机的效率进行了优化，给出了优化算例，并做出样机，通过对优化前后的方案做出样机并进行比较实验，优化后测量损耗有了较大的减小。 对永磁无刷直流电机控制系统中的几个关键问题进行了研究：位置检测技术、三相逆变电路中的功率管压降和控制系统换相角问题，它们都对电机的性能有很大的影响。本文着重分析了霍尔位置传感器原理、选型及在电机中的安装应用；功率管压降对起动电流、功率的影响问题；控制系统提前或滞后换相对电机电流，输出性能的影响，提出适当提前换相有利于电机出力。 做出永磁无刷直流电机样机并进行实验研究，主要包括高速永磁无刷直流电机、内置式永磁无刷直流电机、高压永磁无刷直流电机的设计、性能分析、样机制作、实验分析等。建构了对样机进行发电机测试、电动机测试、损耗测量的实验平台，通过在测试时使用假转子的方法成功分离出了电机铁耗和机械损耗，实验测量结果和计算结果基本一致。 总之，通过对永磁无刷直流电机的磁路、电路及性能特性的分析研究，建立了一套永磁无刷直流电机的设计理论和分析方法，并通过样机的制造和实验，进一步的验证了这些理论和方法的准确性，这对永磁无刷直流电机的设计和应用有很好的参考价值。
上传时间： 2013-04-24
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本文对燃料电池车用DC/DC变换器的基本原理以及控制策略进行了较为详尽的分析和讨论，对基于ARM的DC/DC变换器控制系统的软硬件设计作了较为详尽的论述，对控制系统的电磁兼容作了详细的研究并给出了提高电磁兼容能力的措施。本文介绍了本课题研究的背景，燃料电池电动汽车的特性和研究的目的与意义并分析了大功率DC/DC变换器主电路的拓扑结构、工作原理和电磁兼容环境。在此基础上，从控制电路的最小系统、检测系统、脉冲发生系统以及驱动电路、CAN通讯电路等方面重点讨论了DC/DC变换器控制系统的硬件设计以及驱动电路的设计。本文在DC/DC变换器电感电流连续状态空间小信号数学模型的基础上，应用MATLAB软件对大功率DC/DC变换器单环控制系统进行了建模和仿真分析，给出了具有实际指导意义的结论，设计了基于ARM控制系统的软件结构并编写了相应的软件代码。此外，本文从硬件和软件两个方面重点讨论了控制系统的电磁兼容以及抗干扰措施。在系统硬件和软件基础上进行了功率试验并给出了试验结果以及今后改进的方向。
上传时间： 2013-05-28
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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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电气化铁道牵引网在网络拓扑结构、电气元件上具有特殊性，开展数学模型和电气参数研究对掌握其电气性能具有重要意义。 本文主要介绍了电气化铁道牵引网基波与谐波的模型建立与电气参数计算。 借用电力系统中的成熟计算方法，并结合牵引网的拓扑结构和导线的特殊性，阐述了多导体传输线的串联阻抗和并联导纳矩阵的计算方法，给出了计算实例。 各种供电方式的牵引网都可等效成多导体传输线的供电网络，网络上的各种电气参数均可视为串联元件和并联元件。牵引网的均匀多导体传输线采用等值Ⅱ型电路，对其它各种串联与并联元件也分别建模。 用C＃语言编制了牵引网模型仿真计算软件，实现了谐波在牵引网中的分布计算。为计算程序设计了良好的人机界面，通过界面可以完成牵引网的参数输入与外部数据读取，计算结果再用.csv格式输出。其中，详细介绍了LU三角算法。 最后，结合京哈线蓟县南牵引变电所供电区段高次谐波谐振测试，分析了牵引网参数对高次谐波谐振的影响，说明了谐振的原因并给出了治理措施。利用程序进行了仿真计算，验证了程序的可用性。
上传时间： 2013-07-23
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随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的电力电子装置被应用到各个领域，给电网注入了不可忽视的无功以及谐波电流。 本文首先介绍了谐波的概念和谐波的危害，阐述了谐波问题研究的必要性和紧迫性，并对谐波抑制的方法作了简单的介绍。并在此基础上，通过对有源滤波器和无源滤波器各自的优缺点以及有源滤波器装置的结构、原理的分析，提出了基于DSP控制器的三相三线制并联型有源电力滤波器装置的设计方案。 并联有源电力滤波器主电路设计是核心环节之一。本文在三相三线并联型有源电力滤波器数学模型的基础上，通过对采用空间矢量调制的有源电力滤波器的工作过程的研究和分析，揭示了主电路各参数之间的相互关系。根据瞬态电流跟踪指标的要求推导出并联APF输出电感的估算公式。基于对电流跟踪误差矢量的度量，推导出直流侧电容电压临界值表达式。详细介绍了输出滤波器参数的设计方法。 实时、高精度的谐波检测是有源电力滤波器的重要部分。本文详细地介绍了瞬时无功功率理论，选择检测负载电流的方式以提取谐波。提出了用滑窗迭代作为低通滤波的数字算法，以快速分离负载电流中的基波分量得到谐波指令。以全数字控制为重点，对电流环的数字控制方式，包括数字PI调节器的设计做出了比较详细的分析。 本文用MATLAB/SIMULINK中的电力系统模块对有源电力滤波器进行了动态仿真研究。仿真结果表明这种拓扑结构的有源电力滤波器对电力系统中的谐波抑制具有较好的效果。 在理论分析和仿真研究的基础上，设计了基于TMS320LF2407A控制的并联型电力有源滤波器，对其控制系统硬件构成进行了详细的介绍。研制了实验样机，对并联型电力有源滤波器进行了初步的实验研究。
上传时间： 2013-04-24
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绕组励磁同步电机具有功率因数可调、效率高等优点，在工业大功率场合获得了广泛应用，因此研究和开发高性能的绕组励磁同步电机驱动系统具有重大的经济价值和社会效益。目前开发高性能绕组励磁同步电机驱动系统所采用的控制方案主要有两种：一种是直接转矩控制（DTFC）；另一种是磁场定向矢量控制（FOC）。绕组励磁同步电机的矢量控制策略具有控制结构简单，物理概念清晰，电流、转矩波动小，转速响应迅速，易实现数字控制等优点。因此，在交流传动领域中，越来越受到学者的关注。但是，无论在国内还是国外，交直交型绕组励磁同步电机矢量控制系统的研究还缺乏全面深入的理论研究，还没有建造起矢量控制系统的理论体系构架。本文对绕组励磁同步电机矢量控制系统进行了初步的理论探讨，并进行了详细的实践研究，为以后更深入、广泛地研究此系统，打好坚实的基础。本论文主要研究内容如下： @@ 通过广泛的查找文献，对几种常见的同步电机传动系统进行了综述，分析了同步电机变频调速原理，在此基础上，讲述了无传感器技术在同步电机中的应用现状。无传感器技术主要有两大类：基于基波量的检测方法和基于外加信号的激励法。随后，对转子初始位置的估计进行了综述，其方法有：基于电机定子铁芯饱和效应的转子位置估计，高频信号注入法，基于定子绕组感应电压的估计法和基于相电感计算法等。绕组励磁同步电机转子初始位置估计的研究还很少。 @@ 对绕组励磁同步电机矢量控制的理论进行了全面深入地研究，建立起矢量控制的理论体系构架。 @@ 首先，基于磁势等效原理，将三相静止交流信号等效变换为两相旋转直流信号，将交流电机等效为直流电机进行控制。在Clarke变换和Park变换的基础上，得到凸极同步电机转子磁场定向的电压矩阵方程、功率方程和运动方程。根据上述方程，绘出dq轴的等值电路及矢量图，得到状态空间描述的dq轴数学模型。 @@ 其次，根据模型参考自适应原理，对同步电机转速进行估计。忽略同步电机d轴阻尼绕组的作用，取同步转速为零，得到同步电机αβ静止坐标系下 的数学模型。将不含有转子转速信息的方程作为参考模型，将含有转速参数的方程作为可调模型，根据波波夫超稳定性和正性原理，对转子转速进行估计。@@ 最后，根据模型参考自适应估计的转子转速，设计磁通观测器来估计转子磁通，实现磁通反馈闭环控制。磁通观测器采用降维观测器，仅对转子磁通分量进行重构，并通过极点配置算法，合理配置观测器的极点，使观测器满足系统的性能指标，达到磁通观测的目的。 @@ 新颖的空间矢量脉宽调制算法。从空间矢量的基本概念入手，深入分析了定子三相对称电压与空间电压矢量之间的关系。由三相电压源型逆变器输出电压波形得到六个有效开关状态矢量，这六个开关矢量和两个零矢量合成一组等幅不同相的电压空间矢量，去逼近圆形旋转磁场。其次，根据空间电压矢量所在的扇区，选择相邻有效开关矢量，在伏秒平衡的法则下，计算各有效开关矢量的作用时间。并且，探讨了扇区判断和扇区过渡问题，定性分析了空间矢量脉宽调制（SVPWM）的性能。最后，根据每个扇区中开关矢量作用时间，采用软件构造法，在TMS320LF2407A硬件上实现了SVPWM。实验结果表明，该算法简单易实现，能够有效的提高直流母线的电压利用率，具有在低频运行稳定，逆变器输出电流正弦度好等优点。 @@ 空间矢量过调制算法的研究。在上述线性调制的基础上，提出一种基于电压空间矢量的过调制方法。过调制区域根据调制度分成两种不同的模式，分别为模式Ⅰ（0．907
上传时间： 2013-07-25
上传用户：gaorxchina
逆变器广泛应用于工业生产的各个方面，数字控制具有方便实现复杂算法、抗干扰性强和产品容易升级等优点，已成为未来逆变器的发展趋势。使用数字技术控制设计逆变器，控制器的性能决定了逆变系统系统的性能。然而在很多高频应用的场合，目前常用的控制器的速度往往不能完全达到要求。与传统单片机和DSP芯片相比，FPGA器件具有更高的处理速度。同时FPGA应用在数字化逆变器设计中，还可以大大简化控制系统结构，并可实现多种高速算法，具有较高的性价比。在逆变器的全数字化控制领域，FPGA具有很好的应用价值。 论文首先介绍了SPWM基本原理及其控制方式，SPWM的生成方法，并结合本课题给出了查表法生成SPWM波的一般方法，且以单相全桥逆变器为例进行了仿真。分析其的电路特点，建立PWM逆变器的统一电路模型、连续状态空间以及离散状态空间模型，在此数学模型基础上，针对逆变器研究分析了目前用于逆变器设计的各种数字控制技术、控制方案，讨论了其控制方法的优缺点，相关控制器设计的一般问题，最后比较了其优缺点，指出其存在的共性问题，总结了使用FPGA设计逆变器数字控制器的优势。然后以单相电压型PWM逆变器为控制模型采用新型模数结合现场可编程门阵列FPGA实现数字化控制器的方案，给出了纯正正弦波逆变器的设计方案。 论文详细论述了采用模数混合型FPGA作为主控芯片的高频逆变器设计方法与实现过程。系统主控芯片采用Fusion系列AFS600，世界上首个模数混合型FPGA。主要设计要点包括：逆变器硬件电路设计以及SPWM数字控制系统软件设计。外围强电电路的设计的难点在于用于前端升压的高频变压器的设计以及输出端LC滤波电感与电容的选取。另外，SPWM“H”字全桥逆变电路中的高悬浮电压也是设计中需要值得注意的重要环节。在控制系统软件设计方面，采用FPGA自上而下的设计方法，对其控制系统进行了功能划分，完成了SPWM产生器以及加入死区补偿的PWM发生器、和反馈等模块的设计。 论文的结束部分给出了设计结果，并指出了进一步的工作的思路和方向。
上传时间： 2013-05-19
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由于传统供电系统的固有缺陷，当单台电源供电时，一旦发生故障可能导致整个系统瘫痪，造成不可估计的损失。逆变电源并联技术是提高逆变电源运行可靠性和扩大供电容量的重要手段。并联技术可以提高逆变电源的通用性和灵活性，使系统设计、安装、组合更加方便，使可靠性进一步提高。 本文主要研究逆变电源输出的数字控制技术，以及逆变电源的并联控制策略，以改善逆变电源的输出性能，提高逆变电源的可靠性，并为分布式发电系统提供最基本的单元模块。本系统采用高频逆变技术，主电路前级采用BOOST升压，后级采用半桥逆变电路，以TI公司的TMS320F2806DSP为主控核心实现了系统的控制功能。本文主要研究内容如下： 1.首先介绍了当前的适合逆变电源的控制策略，分析了这些控制策略的优缺点，介绍了当前的适用于逆变电源并联运行的控制策略，并简单介绍了它们的原理； 2.介绍了逆变电源无线并联的关键技术，依据下垂并联控制的数学模型，对并联系统的功率下垂特性、功率解耦控制思想等方面进行了详细的分析； 3.通过对当前逆变电源控制策略的分析、研究，对所选的逆变电源主电路进行数学建模，设计了逆变电源三闭环调节控制器，并通过Matlab仿真工具进行仿真，验证了该控制策略的可行性； 4.建立了单相逆变电源无线并联控制系统的MATLAB仿真模型，并通过仿真实验对其进行了验证分析，结果表明：该基于下垂法控制的无线并联方案可以使系统实现对输出有功功率、无功功率和谐波功率的良好控制； 5.采用DSP为主控芯片，设计并制作了单相无线并联型逆变电源样机，给出并联型逆变单元输出滤波电感参数选择的工程设计方法和原则，并对上述的三闭环控制策略进行了实验测试，实验结果良好。
上传时间： 2013-04-24
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统一潮流控制器(UPFC)作为一种典型的FACTS装置，综合了FACTS元件的多种灵活控制手段，能同时或选择地控制线路的基本参数(电压、阻抗、相角)，也可交替地控制线路上的有功和无功潮流，还可独立地提供可控的并联无功补偿。因此UPFC被认为是最有创造性，功能最强大的FACTS元件。 首先，本文详细分析了统一潮流控制器的基本结构和工作原理。采用开关函数法建立了电压源型变流器的数学模型，并推导了统一潮流控制器在abc三相坐标系和dq旋转坐标系下的数学模型，该模型考虑到直流环节电容储能的动态变化过程，从而使其更适合于系统的动态特性分析。本文讨论的UPFC控制采用基于两相旋转坐标系下的非线性解耦控制方案，在UPFC的精确模型下具有可快速跟踪给定值的优点，且在dq坐标系下可以实现有功和无功功率的独立控制；在电容电压PI调节中加入电流反馈，使其更接近真实值。 其次，本论文在分析UPFC数学模型的基础上建立了UPFC在MATLAB平台上的仿真模型；然后利用MATLAB建立了三相环形电力系统，将UPFC模型应用到该系统中，着重研究了UPFC对电网电能质量的影响。首先研究了UPFC对故障系统中电网功率的影响以及UPFC对提高故障系统功率稳定性的作用；同时，对UPFC能够抑制无故障系统中系统接入电网时的功率冲击进行了研究。最后，通过仿真波形研究了UPFC对电网故障中电压跌落的补偿作用以及UPFC对正常系统电压的影响，结果发现，UPFC可以保持故障中的系统电压为正弦波。
上传时间： 2013-04-24
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使用二极管和晶闸管实现的不控和可控整流器，电流波形畸变给电网注入大量谐波和无功功率，造成严重的电网污染。随着电力电子技术的发展，人们开始研究PWM整流技术。电压型PWM整流器具有交流侧电流低谐波、高功率因数、直流电压输出稳定等诸多优点，因此，成为当前电力电子领域研究的热点课题之一。由于PWM整流器具有以上优点，在电力系统有源滤波、无功补偿、潮流控制、太阳能发电以及交直流传动系统等领域，具有越来越广阔的应用前景。本论文对三相PWM整流器进行了研究，主要完成以下工作： 首先，对PWM整流器的工作原理做了介绍，给出了三相PWM整流器的拓扑结构，分析了PWM整流器的换流过程，给出了PWM整流器的数学模型，对交流侧电感和直流侧电容进行了设计。 其次，对电流滞环控制、电流PI控制、空间电压矢量控制三种控制方法分别进行了介绍、模型搭建和仿真分析。在直流电压的控制中加入分段PI控制，使超调量和稳态误差限制在很小的范围以内。在起动过程中串接入限流电阻，使起动电流限定允许范围以内。 最后，在进行了以上三种控制方式仿真后，针对电压空间矢量控制存在的电流误差问题，采用电流超前给定策略和基于旋转坐标系的空间电压矢量控制策略解决了电流误差问题。 仿真结果表明，论文所设计的三相电压型PWM整流器实现了高功率因数运行，实现了直流电压的稳定控制，解决了传统意义上的整流电路中存在谐波含量大、功率因数低等问题，具有良好的工程实用价值。
上传时间： 2013-06-16
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