数字技术、电力电子技术以及控制论的进步推动弧焊电源从模拟阶段发展到数字阶段。数字化逆变弧焊电源不仅可靠性高、控制精度高而且容易大规模集成、方便升级，成为焊机的发展方向，推动了焊接产业的巨大发展。针对传统的埋弧焊电源存在的体积大、控制电路复杂、可靠性差等问题，本文提出了双逆变结构的焊机主电路实现方法和基于“MCU+DSP”的数字化埋弧焊控制系统的设计方案。 本文详细介绍了埋弧焊的特点和应用，从主电源、控制系统两个方面阐述了数字化逆变电源的发展历程，对数字化交流方波埋弧焊的国内外研究现状进行了深入探讨，设计了双逆变结构的数字化焊接系统，实现了稳定的交流方波输出。 根据埋弧焊的电弧特点和交流方波的输出特性，本文采用双逆变结构设计焊机主电路，一次逆变电路选用改进的相移谐振软开关，二次逆变电路选用半桥拓扑形式，并研究了两次逆变过程的原理和控制方式，进行了相关参数计算。根据主电路电路的设计要求，电流型PWM控制芯片UC3846用于一次逆变电路的控制并抑制变压器偏磁，选择集成驱动芯片EXB841作为二次逆变电路的驱动。 本课题基于“MCU+DSP”的双机主控系统来实现焊接电源的控制。其中主控板单片机ATmega64L主要负责送丝机和行走小车的速度反馈及闭环PI运算、电机PWM斩波控制以及过压、过流、过热等保护电路的控制。DSP芯片MC56F8323则主要负责焊接电流、焊接电压的反馈和闭环PI运算以及控制焊接时序，以确保良好的电源外特性输出。外部控制箱通过按键、旋转编码器进行焊接参数和焊接状态的给定，预置和显示各种焊接参数，快速检测焊机状态并加以保护。 主控板芯片之间通过SPI通讯，外部控制箱和主控板之间则通过RS—485协议交换数据。通过软件设计，实现焊接参数的PI调节，精确控制了焊接过程，并进行了抗干扰设计，解决了影响数字化埋弧焊电源稳定运行的电磁兼容问题。 系统分析了交流方波参数的变化对焊接效果的影响，通过对焊接电流、焊接电压的波形分析，证明了本课题设计的埋弧焊电源能够精确控制引弧、焊接、 收弧等焊接时序，并可以有效抑制功率开关器件的过流和变压器的偏磁问题，取得了良好的焊接效果。 最后，对数字化交流方波埋弧焊的控制系统和焊接试验进行了总结，分析了系统存在的问题和不足，并指出了新的研究方向。 关键词：埋弧焊；交流方波；数字化；逆变；软开关技术
上传时间： 2013-04-24
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随着“节能环保”概念的提出，以解决电力紧张，环境污染等问题为目的的新能源利用方案得到迅速的推广，使得分布式发电备受关注，即将成为世界各国重要的发电形式。带有分布式电源的配电网及电力电子装置的大量应用致使电能质量下降，如何将分布式发电系统的能量回馈至电网的同时有效改善电能质量是一个重要的问题，因此在分布式发电系统中起电能变换作用的逆变器成为研究的一个热点。本篇主要以电压型并网逆变器为研究对象，对并网逆变器的拓扑结构、控制策略、参数的选择、并网实验等方面作出了详细的分析和研究。 首先根据带有分布式发电的配电网的特点提出一种新的谐波治理思路，即将改善电能质量的有源滤波技术结合到分布式逆变电源中，设计一种新型的多功能并网逆变器。用开关函数法建立了并网逆变器小信号数学模型，确定了以PI闭环调节为核心的复合控制策略，同时为了使输出电流控制达到更好的效果，采用电网电压前馈补偿方法抵消电网电压扰动对并网电流的影响；基于瞬时无功功率的id-iq谐波电流检测算法能精确检测和分离所需要的有功和谐波分量；基于DSP的软件锁相控制算法能实现并网电流与电网电压同频同相。 其次对并网逆变器控制系统的软硬件进行了分块设计：对逆变系统的A/D转换电路、逆变驱动电路、PWM信号发生电路等电路进行了详细地分析和说明。利用DSP主控芯片TMS320LF2407A内部的SCI异步串行通信接口实现了逆变器的人机交互功能，利用其内嵌的CAN控制模块实现了逆变器的并机通信功能；同时在TI DSP2000的运行环境下给出控制系统的主程序和周期中断子程序流程。 最后开发了以功率器件IPM构成的三相PWM变流桥主电路的多功能逆变电源实验平台和相关配套辅助电路，完成了逆变电源的输出有功功率及消除谐波的实验并给出了装置样机的实物图以及实验波形图。验证了逆变器工作原理分析的正确性和系统设计思路的可行性。 本文所做工作拓宽了带有分布式发电的配电网谐波治理的思路，对推动我国节能供电、新能源的利用以及改善电网电能质量等方面具有一定的理论意义和较强的实用价值。
上传时间： 2013-06-06
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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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本文以单元机组协调控制系统为研究对象，在分析了协调控制系统特性的基础上，总结了实际运行的协调控制系统中存在的问题和影响控制效果的原因。把汽包锅炉单元机组简化为一个具有双输入、双输出的被控对象以及做了一些合理假设的前提下对协调控制系统建立的动态数学模型进行分析。 从快速满足电网负荷指令的需求，抑制各种干扰，保证机组的稳定运行的中心任务出发，首次提出采用智能PID控制器作为汽机的主控制器，解决常规单自由度PID控制器不能兼顾目标跟踪特性和抗干扰特性的问题，并在一定程度上解决了协调控制系统对锅炉前馈回路过分依赖的问题。 针对锅炉对象大迟延特性，利用模糊预估策略对过程的输出进行预测。补偿了锅炉侧纯延迟带来的不利影响；而且还具备了模糊控制不依赖于系统的数学模型，具有对系统参数变化不敏感，对于非线性、时变时滞等特性，呈现出较好的鲁棒性等特点，当出现较大的误差时，可以把系统从很大的偏离中拉回来，提高了系统的响应速度和安全性。仿真试验表明采用模糊预估能够降低系统的超调，取得较好的控制效果。 由于单元机组中的锅炉与汽机为强耦合系统，为了实现一对一的单一控制，决定采用神经网络多变量解祸控制，通过仿真证明，达到了很好的解耦效果。 为了从全局上优化系统的控制行为，采用模糊控制策略对锅炉和汽机的指令进行智能化的调整和约束。根据不同的负荷阶段、主要参数的变化情况及时调整有关的指令，使协调控制系统向着有利于全局优化的方向调节。 本文将神经网络、模糊控制思想引入协调控制系统，并在此基础上构造神经网络、模糊自适应控制的智能PID控制方案。通过理论分析和仿真实验证明了这一控制方法在电厂协调控制系统中的实用价值，和传统的PID控制比较，这种智能控制算法有效的提高了负荷的响应速率，保证了系统的品质，取得了很好的控制效果。
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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轻型高压直流输电系统在解决交流系统非同步互联、向偏远地区的无源负荷供电、满足保护环境要求等方面具有很大的优势。在传统的基于两电平或三电平电压源型换流器的轻型高压直流输电系统中，换流器交流侧需要使用体积庞大和笨重的滤波装置，桥臂的高电压需要功率开关器件直接串联来实现等，增大了换流站的占地空间，降低了换流器的工作效率。 本文针对传统轻型高压直流输电系统所存在的缺点，采用一种新的模块化多电平换流器作为轻型高压直流输电系统的换流器。分析了模块化多电平换流器的工作原理，并提出将其应用于轻型高压直流输电系统的调制算法和控制策略。最后对控制系统的具体实现方案进行一定的探讨。通过仿真验证所提出的调制算法和控制策略的正确性。具体说来，全文的主要工作体现在以下几个方面： 1、详细讲述模块化多电平换流器的拓扑结构、子模块的具体实现形式及工作原理，并提出适合该换流器的调制算法。 2、详细介绍组成轻型高压直流输电系统的电压源型换流器的工作原理，分析电压源型换流器的间接电流和直接电流控制策略。 3、对基于模块化多电平换流器的轻型高压直流输电系统进行仿真，验证所提出控制策略的正确性。 4、探讨解决模块化多电平换流器子模块直流侧电容电压的均衡问题，提出一种较为简单有效的控制方法。 5、提出基于模块化多电平换流器结构的轻型高压直流输电控制系统的实现方法，并重点讲述子模块的数字逻辑电路的实现方法。
上传时间： 2013-04-24
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在能源日渐枯竭、环境污染日益严重的今天，太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其取之不竭、用之不尽、无污染等优点，受到人们越来越多的重视。作为太阳能利用的一种有效方式，光伏发电技术得到了迅速地发展。 光伏充电控制系统是光伏发电系统中重要的组成部分，光伏电池将太阳能转变为电能，蓄电池将转化出来的电能储存起来，充电控制系统在该过程中起着枢纽作用。本文以光伏充电控制系统作为研究对象，从系统的参数选择、拓扑结构、控制策略、最大功率跟踪及蓄电池的保护等方面作了详细的分析和研究。论文主要工作如下： 1)本文详细介绍了最大功率点跟踪技术在光伏充电系统中的应用，分析和比较了常用的最大功率点跟踪方法的优缺点，讨论了一种改进的MPPT算法--“山峰”逼近法。与原有的跟踪方法相比，该方法具有良好的启动特性，最大功率点跟踪精度、系统对外界条件变化的响应速度和运行的稳定性都有一定的提高。仿真结果表明这种算法能够准确地找到最大功率点。 2)通过对蓄电池充电特性和常用充电方法的分析，制定了本文所采用光伏充电方法，其充电过程分为最大功率充电、恒压充电和浮充电三种状态。该方法综合了恒流充电快速、安全的优点和恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态保持电池100％电量的优点。 3)分析和比较了不同光伏充电控制系统的结构、性能和特点，确定采用Buck拓扑作为智能光伏充电系统的主电路结构，该电路结构简单，运行可靠，可以满足最大功率跟踪和光伏充电的要求。给出了该系统主电路、控制电路各元件参数的选择和系统的软件设计流程图。 4)根据前面的理论研究，本文设计制作了智能光伏充电控制系统的实验样机，并进行了实验研究，获得了良好的实验结果。
上传时间： 2013-07-20
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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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传统开环运行的三相混合式步进电动机驱动系统中存在着振荡和失步等不足之处。本文针对这种情况，通过对理想化三相混合式步进电动机数学模型的分析，把三相混合式步进电动机视为一种低速同步电动机。同时，结合电流跟踪型PWM控制方式及恒流斩波驱动的工作原理，设计了基于数字信号处理器TMS320F2812的全数字三相混合式步进电动机正弦波细分驱动系统。 首先，本文从三相混合式步进电动机的数学模型出发，对步进电动机的细分驱动方式进行了研究，分析了步进电动机连续均匀旋转的工作机理。然后分析了步进电动机的运行特性及细分控制的必要性，进而分析了细分驱动对改善步进电动机运行性能的作用，并针对细分运行的一些不足之处，提出了均匀细分恒转矩控制的方案。理论分析表明，在混合式步进电动机的三相定子绕组中通以互差120°的正弦波电流时，可得到类似同步机的转矩特性，使电动机均匀旋转。 本系统硬件电路以TMS320F2812为核心，采用正弦波细分和电流跟踪型脉宽调制（PWM）技术实现三相混合式步进电动机的细分控制，使三相定子绕组电流严格跟踪电流给定信号变化。应用IR公司的IR2130集成驱动芯片进行了步进电动机驱动系统的功率驱动环节的设计，节省了板上空间，减小了装置体积。同时从装置可靠性出发，设计了一套安全可靠的硬件保护电路。 实验结果表明，本文所设计的三相混合式步进电动机正弦波细分驱动器具有优良的控制性能。细分运行时减弱了混合式步进电动机的低速振动和噪声，使电动机运行平稳，并改善了其低频运行性能。
上传时间： 2013-06-27
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