本课题是国家自然科学基金重点资助项目“微型燃气轮机一高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”(50437010)的部分研究内容。高速电机的体积小、功率密度大和效率高，正在成为电机领域的研究热点之一。高速电机的主要特点有两个：一是转子的高速旋转，二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率，由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。本文针对高速永磁电机的机械与电磁特性及其关键技术进行了深入地研究，主要包括以下内容： 首先，进行了高速永磁电机转子的结构设计与强度分析。根据永磁体抗压强度远大于抗拉强度的特点，提出了一种采用整体永磁体外加非导磁高强度合金钢护套的新型转子结构。永磁体与护套之间采用过盈配合，用护套对永磁体施加的静态预压力抵消高速旋转离心力产生的拉应力，使永磁体高速旋转时仍承受一定的压应力，从而保证永磁转子的安全运行。基于弹性力学厚壁筒理论与有限元接触理论，建立了新型高速永磁转子应力计算模型，确定了护套和永磁体之间的过盈量，计算了永磁体和护套中的应力分布。该种转子结构和强度计算方法已应用于高速永磁电机的样机设计。 其次，进行了高速永磁转子的刚度分析和磁力轴承—转子系统的临界转速计算。基于电磁场理论分析了磁力轴承支承的各向同性，利用气隙静态偏置磁通密度计算了磁力轴承的线性支承刚度，在对高速电机转子结构离散化的基础上建立了磁力轴承—转子系统的动力学方程，采用有限元法计算了高速永磁电机转子的临界转速。利用该计算方法设计的1台采用磁力轴承的高速电机，已成功实现60000r/min的运行。 再次，进行了高速永磁电机的定子设计，提出了一种新型环形绕组结构。环型绕组线圈的下层边放在定子铁心的6个槽中，而上层边分布在定子铁心轭部外缘的24个槽中，不但增加了定子表面的通风散热面积，使冷却气流直接冷却定子绕组，更为重要的是，解决了传统2极电机绕组端部轴向过长的难题，使转子轴向长度大为缩短，从而增加了高速永磁电机转子系统的刚度。 然后，采用场路耦合以及解析与实验相结合的方法，分析计算了高速永磁电机的损耗和温升，并对高速永磁发电机的电磁特性进行了仿真。高速电机的优点是体积小和功率密度大，然而随之而来的缺点是单位体积的损耗大，以及因散热面积小造成的散热困难。损耗和温升的准确计算对高速电机的安全运行至关重要。为了准确计算高速电机的高频铁耗，对定子铁心所采用的各向异性冷轧电工钢片制作的试件，进行了不同频率和不同轧制方向的导磁性能和损耗系数测定。然后采用场路耦合的方法，分析计算了高速电机的定子铁耗和铜耗、转子护套和永磁体内的高频附加损耗以及转子表面的风磨损耗。在损耗分析的基础上，计算了高速电机的温升。最后，设计制造了一台额定转速为60000r/min的高速永磁电机试验样机，并进行了初步的试验研究。测量了电机在不同转速下空载运行时的定、转子温升及定子绕组的反电动势波形。通过与仿真结果的对比，部分验证了高速永磁电机理论分析和设计方法的正确性。在此基础上，提出一种高速永磁电机的改进设计方案，为进一步的研究工作打下了基础。
上传时间： 2013-04-24
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近年来，人们对环境保护越来越重视，SF<,6>气体的使用和排放受到限制，从而使电器领域内SF<,6>断路器的发展也受到限制。而真空断路器充分利用了真空优异的绝缘与熄弧特性，且对环境不造成污染，所以目前在中压领域已经占据了主导地位，而且不断向高电压、大容量方向发展。因此，未来高压真空断路器必然取代高压SF<,6>断路器。真空灭弧室是真空断路器的“心脏”，所以，开发高压真空断路器最关键的是灭弧室的设计。本文对110kV的真空灭弧室的内部电磁场进行了仿真分析，为我国开发110kV真空断路器提供一定的参考。 本文采用有限元软件对110kV真空断路器灭弧室内部静电场进行了仿真分析，得到了灭弧室内部各种屏蔽罩的大小、尺寸和位置对电场分布的影响；触头距离对灭弧室内部电场分布的影响；伞裙对灭弧室内部电场分布的影响。再根据等离子体和金属蒸气具有一定导电率的特点，从麦克斯韦基本方程出发，推导了灭弧室内部电场所满足的计算方程，然后用有限元法对二维电场进行了求解。考虑到弧后粒子消散过程中，电极和悬浮导体表面会有带电微粒的存在，又计算分析了带电微粒对真空灭弧室电场分布的影响，进而提出了使灭弧室内部电场更加均匀的措施。 根据大电流真空电弧的物理模型，基于磁场对电流的作用力理论，计算分析了真空电弧自生磁场的收缩效应以及对分断电弧的影响，得到了弧柱中自生磁场产生的电磁压强分布，最后分析了外加纵向磁场分量对减小自生磁场收缩效应的作用。 建立了110kV、1/2线圈以及1/3线圈纵向磁场触头三维电极模型，并利用有限元法进行了三维静磁场和涡流场仿真。得到了电流在峰值和过零时纵向磁场分别在触头片表面和触头间隙中心平面上的二维和三维分布，给出了这两种触头在电流过零时纵向磁场滞后时间沿径向路径和轴向路径的分布规律，最后还对这两种触头的性能进行了比较。
上传时间： 2013-07-09
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低压断路器是电力系统中低压配电网中的主要电器开关之一，它不仅可以接通和分断正常负载电流和过载电流，而且可以接通和分断短路电流。主要在频繁操作的低压配电线路或开关柜中作为电源开关使用，并对线路、电器设备等实行保护，当它们发生严重过流、过载、短路、断相、漏电等故障时，能自动切断线路，起保护作用，应用十分广泛。智能控制器是断路器上的保护装置，也是断路器的核心控制装置。 20世纪90年代，随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，断路器的保护装置己由传统的电磁式过流脱扣器发展成采用集成电路的电子式脱扣器，直至目前出现了带高性能微处理器的智能控制器。新一代的智能控制器采用了模块化结构设计，集测量、监视、控制、通信、保护等功能于一体，在低压系统中得到了广泛的应用。 在本课题中，该智能控制器在硬件上以美国Microchip公司推出的公司生产的PIC148F448为核心处理器，主要进行数据的实时采集处理和断路器的故障保护，实时显示线路运行时电流或故障信息等。利用带有CAN接口的高性能的PIC18F448单片机设计了CAN总线接口，给出了CAN接口的硬件电路、软件流程。该电路具有硬件设计简单、可靠性高、实时性强等特点。实现了智能控制器与PC机的双向通信功能，通过总线系统达到遥调、遥控的目的，使得智能控制器的性能得到增强，符合配电系统的要求，达到了本课题研究要求。
上传时间： 2013-04-24
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随着采煤自动化技术的发展，对煤矿井下供电系统可靠性、安全性和连续性的要求越来越高的要求，因此对矿用隔爆型高压开关智能综合保护系统的研究具有重要的理论和应用价值。随着微机保护的发展，一些新的保护原理和方案，受到越来越多的关注，并逐步得到实际应用。然而这些新方法在改善保护性能的同时也对微机保护装置的计算精度、速度和寻址空间等提出了更高的要求，因而也对构成微机保护装置的硬件平台提出了更高的要求。针对以上问题本文提出了一种新的微机保护设计方案，设计了一种基于DSP 和单片机双CPU 结构的微机保护系统，并应用于高压开关装置当中DSP 作为主CPU 芯片主要完成数据采集、数据处理和保护等功能，8051 作为从CPU 主要完成键盘处理、液晶显示处理和通讯等人机对话功能。此双核结构具有并行工作，分工明确的优点，既保证了继电保护的速动性，选择性、灵敏性和可靠性，又实现了实施测量的高精度。 本文首先根据矿井高压电网的实际情况，从理论上分析了矿井高压电网常见故障的电气特征，并参照相关标准制定了相应的保护原理和动作指标，尤其是针对矿井供电系统中普遍采用中性点不接地的情况，采用了“基于零序功率方向型”的选择性漏电保护原理。然后分析了交流采样、直流采样方法的优缺点，确定了高压防爆开关保护系统的采样方式。 保护系统的硬件是实现保护原理的平台，其稳定性和可靠性直接影响到保护功能的实现。本微机保护系统是基于DSP 和单片机的双CPU 微机线路综合保护测控装置，DSP 的采用大大提高了保护装置的数据处理速度，双CPU 结构大大提高了装置的可靠性。另外，该装置不仅可以完成继电保护功能，而且紧随当前电力系统自动化发展的需要，还可以完成测量、控制、数据通讯的功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通讯一体化。
上传时间： 2013-05-17
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高中压断路器是电力系统中最重要的开关设备，用高中压断路器保护电力系统至今已经历了一段漫长历史。从最初的油断路器发展到压缩空气断路器，再到目前作为无油化开关的真空断路器和SF6断路器。其中真空断路器以其小型化和高可靠性等优点，已在高中压领域得到愈来愈广泛的应用。作为真空断路器的核心部件，真空灭弧室的研究和开发显得尤为重要。 真空灭弧室的小型化是国外关注的问题，我国很多相关的研究所和高等院校都曾作过不少研制工作，研究的方向是采用各种纵向磁场结构电极的真空灭弧室和寻求新的触头材料。由于纵向磁场结构的电极开断能力强，在额定短路开断电流、设计裕度和工艺水平相同的情况下，纵向磁场的电极比横向磁场的电极小得多。因此，采用纵向磁场结构电极的真空灭弧室可以缩小整体尺寸。 本设计从真空灭弧室的具体模型出发，应用ANSYS8.1的电磁场分析软件，对600A的真空灭弧室触头间的纵磁场进行计算与分析，可得到接近实际的动、静触头电流流向矢量分布图，线圈磁感应强度与线圈几何尺寸的关系，触头开距对磁场分布的影响及电弧在不同位置时的受力分析等。由不同线圈截面积与纵磁磁场强度的关系分布，可得出在分断电流不变的情况下，线圈愈小磁场强度愈强。由触头开距与磁场强度的关系，可见触头间距越小，两触头间越能获得较大的磁感应强度。对真空灭弧室极问磁场分布以及电弧在触头上不同位置受力进行分析，结果表明随着磁感应强度变小，电弧受力也相对的变小。 通过ANSYS仿真分析，为真空断路器灭弧室的设计提供了比较准确的数据资料。进而使产品的设计、开发建立在较为科学的基础上，为产品实际研制提供理论依据。
上传时间： 2013-06-20
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随着社会生产的发展和人民生活水平的提高，对供电质量的要求也越来越高，电压是标志电能质量的一个基本技术指标，它与无功功率密切相关。本文阐述了电压无功综合控制对于电力系统运行及工农业生产的重大意义；综述了国内外在这一领域中的研究所取得的成果、面临的问题和发展的前景。针对目前我国应用最为广泛、性能价格比最佳的并联电容与有载调压变压器综合控制装置的研制开发中所涉及的问题进行了较全面的分析与研究，提出了一种符合当前变电站综合自动化发展需要的可靠性高、组态灵活、功能齐全的变电站电压无功综合控制方案。该方案主控单元选用抗干扰能力强、指令丰富、扩展灵活、通讯联网能力强的西门子S7-226PLC作为控制核心；参数检测单元选用可靠性高、具有通讯功能的智能型综合电量变送器；控制主机通过与参数检测单元通讯获得所需参数，同时还可与上位机或其他具有串口的设备通讯。采用的电压无功控制策略，从系统的实际需要出发，充分考虑了影响电压无功控制效果的主要因素，控制决策以实时计算数据为参考，控制精度高，并有效避免了无效调节对设备及系统造成的危害；控制软件根据已经确定的控制算法做出控制决策并能够完成系统运行方式的自动识别、电容器的循环投切，电容器及分接头的保护及通讯等功能。文中还阐述了电容器接线形式选择、串联电抗及高压真空开关的选择依据以及变压器调档控制原理。 理论分析和仿真计算均证明了本文中所提出的控制策略的精确性和严密性；试验证明了该设计方案先进、灵活、可靠、功能齐全，符合电力系统自动化对控制装置的要求。
上传时间： 2013-06-01
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选相控制开关又称同步开关或相控开关，其实质就是控制开关在电压或电流的期望相位完成合闸或分闸，以主动消除开关过程所产生的涌流和过电压等电磁暂态效应，提高开关的开断能力。本论文以电力系统的无功补偿为背景，分析了随机投切电容器组的暂态过程所带来的各种危害，从而提出选相投切技术；本文以真空开关选相投切电容器组为研究对象，着重介绍了电容器组选相投切技术的相关理论，给出了电容器组选相投切的控制策略，为同步开关选相控制器的设计提供了理论依据。 双稳态永磁机构结构简单、动作稳定可靠，其出力特性能与真空开关良好匹配，在中压领域得到越来越广泛的应用。相控真空开关采用三相独立操动的双稳态永磁机构，其操作电源为由大功率电力电子器件控制的储能大容量电容器，通过多次的测试结果表明双稳态永磁机能很好地满足相控开关的要求，是相控开关的理想选择。 IPM(智能功率模块)作为一种新型的大功率开关器件，以其设计简单(内置驱动和保护电路)，低功耗，开关速度快等特点成为越来越多设计者的首选，得到了越来越广泛的应用。本文讨论了IPM在选相投切电容器组中的相关逻辑控制策略，光耦隔离驱动，IPM过流、过热相关保护等内容，设计了以DSP(TMS320LF2407A)为核心的永磁机构同步控制系统，实时采集电网信号，经过FIR数字滤波提取零点，通过IPM控制大容量电容器放电来驱动永磁机构，实现断路器在期望相位上分断或关合以减小暂态冲击，并保证储能电容器的一次储能完成一次完整的O-C-O操作。 通过相关试验测试，表明本系统已经初步达到了设计所要达到的预期效果，为以后的研究以及同步控制控制系统的完善和优化提供了有益的经验和参考。
上传时间： 2013-04-24
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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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电气驱动系统是电动汽车的心脏，主要由驱动电机、功率变换器和控制器等三个子系统构成。本文以TI公司的TMS320LF2407A为系统控制核心，富士公司的IPM模块为逆变器开关器件，运用空间矢量技术，设计了异步电机变频调速控制系统。 论文在异步电机数学模型基础之上，分析了转速闭环转差频率控制系统以及矢量控制系统的控制策略和实现方法；为了给控制系统提供电源，论文设计了使用UC3843作为控制核心的反激型开关稳压电源，介绍了UC3843以及电源电路的工作原理及设计；论文详细设计了控制系统的主电路、控制电路以及保护和告警电路；针对电动汽车电机控制器运行环境复杂，处在大量的干扰中，论文从电路板PCB的设计以及控制器机箱内部布局布线等方面充分考虑了其电磁兼容性；根据现场调试的经验，在实验室中使用磁粉制动器模拟电机负载搭建了异步电机试验台，实验结果表明了控制系统具有良好的调速性能和较宽的调速范围。
上传时间： 2013-04-24
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矿井高压电网多以6KV 供电为主，高压防爆开关成为了井下供电系统的最为关键的设备之一。近年来，由于煤矿开采中因电气保护失控而引发事故的增长，国家对井下供电系统的可靠性、安全性的要求越来越高，因而采用现代化新技术对矿井下高压控制设备进行技术改造和创新被提到了一个重要的高度。随着微机技术的应用与发展，以单片机为核心的高压开关智能综合保护技术，能够较好地完成对多路信号进行处理，增强和增加了保护的功能，其应用对于提高供电质量、保证人身安全、完善电网保护都具有很重要的现实意义。本文设计了一个双CPU 的保护控制系统，双CPU 结构就是采用16 位DSP(Digital SignalProcessing)芯片TMS320LF2407A 和增强型51 单片机STC89C58RD+进行分工合作并行处理，前者作为从CPU 完成各种保护功能，后者作为主CPU 完成参数的整定、显示、数据下放以及PROFIBUS 通讯扩展。既能充分利用DSP 的高速数据处理性能，提高保护动作特性； 同时，在不影响数据处理的情况下又扩展了人机界面和总线通讯功能。 本文从理论上分析了矿井高压电网中性点不接地系统的主要故障的电气特征，并有针对性地提出了零序电流方向型选择性漏电保护、相敏短路保护和绝缘监视保护，然后分析了采样原理和算法，确定了同步交流采样和全波傅立叶算法相结合的采样计算方法。此外，针对系统可能遇到的各种干扰，在硬件、软件两方面进行了抗干扰设计。最后通过试验数据验证了系统对线路故障具有可靠的动作特性。 该保护控制系统性能稳定、动作可靠，简单的按键操作和醒目的液晶显示给工作人员带来了极大方便，实现了检测、保护、控制和通讯的一体化。 本课题是围绕着天津市科技攻关立项项目“矿用高压隔爆开关智能控制系统的开发”来进行地研究。
上传时间： 2013-06-11
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