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本課題是國家自然科學基金重點資助項目“微型燃氣輪機一高速發(fā)電機分布式發(fā)電與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究”(50437010)的部分研究內(nèi)容。高速電機的體積小、功率密度大和效率高，正在成為電機領(lǐng)域的研究熱點之一。高速電機的主要特點有兩個：一是轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，二是定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率，由此決定了不同于普通電機的高速電機特有的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對高速永磁電機的機械與電磁特性及其關(guān)鍵技術(shù)進行了深入地研究，主要包括以下內(nèi)容： 首先，進行了高速永磁電機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析。根據(jù)永磁體抗壓強度遠大于抗拉強度的特點，提出了一種采用整體永磁體外加非導磁高強度合金鋼護套的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。永磁體與護套之間采用過盈配合，用護套對永磁體施加的靜態(tài)預壓力抵消高速旋轉(zhuǎn)離心力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使永磁體高速旋轉(zhuǎn)時仍承受一定的壓應(yīng)力，從而保證永磁轉(zhuǎn)子的安全運行。基于彈性力學厚壁筒理論與有限元接觸理論，建立了新型高速永磁轉(zhuǎn)子應(yīng)力計算模型，確定了護套和永磁體之間的過盈量，計算了永磁體和護套中的應(yīng)力分布。該種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和強度計算方法已應(yīng)用于高速永磁電機的樣機設(shè)計。 其次，進行了高速永磁轉(zhuǎn)子的剛度分析和磁力軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速計算。基于電磁場理論分析了磁力軸承支承的各向同性，利用氣隙靜態(tài)偏置磁通密度計算了磁力軸承的線性支承剛度，在對高速電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)離散化的基礎(chǔ)上建立了磁力軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學方程，采用有限元法計算了高速永磁電機轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。利用該計算方法設(shè)計的1臺采用磁力軸承的高速電機，已成功實現(xiàn)60000r/min的運行。 再次，進行了高速永磁電機的定子設(shè)計，提出了一種新型環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)。環(huán)型繞組線圈的下層邊放在定子鐵心的6個槽中，而上層邊分布在定子鐵心軛部外緣的24個槽中，不但增加了定子表面的通風散熱面積，使冷卻氣流直接冷卻定子繞組，更為重要的是，解決了傳統(tǒng)2極電機繞組端部軸向過長的難題，使轉(zhuǎn)子軸向長度大為縮短，從而增加了高速永磁電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度。 然后，采用場路耦合以及解析與實驗相結(jié)合的方法，分析計算了高速永磁電機的損耗和溫升，并對高速永磁發(fā)電機的電磁特性進行了仿真。高速電機的優(yōu)點是體積小和功率密度大，然而隨之而來的缺點是單位體積的損耗大，以及因散熱面積小造成的散熱困難。損耗和溫升的準確計算對高速電機的安全運行至關(guān)重要。為了準確計算高速電機的高頻鐵耗，對定子鐵心所采用的各向異性冷軋電工鋼片制作的試件，進行了不同頻率和不同軋制方向的導磁性能和損耗系數(shù)測定。然后采用場路耦合的方法，分析計算了高速電機的定子鐵耗和銅耗、轉(zhuǎn)子護套和永磁體內(nèi)的高頻附加損耗以及轉(zhuǎn)子表面的風磨損耗。在損耗分析的基礎(chǔ)上，計算了高速電機的溫升。最后，設(shè)計制造了一臺額定轉(zhuǎn)速為60000r/min的高速永磁電機試驗樣機，并進行了初步的試驗研究。測量了電機在不同轉(zhuǎn)速下空載運行時的定、轉(zhuǎn)子溫升及定子繞組的反電動勢波形。通過與仿真結(jié)果的對比，部分驗證了高速永磁電機理論分析和設(shè)計方法的正確性。在此基礎(chǔ)上，提出一種高速永磁電機的改進設(shè)計方案，為進一步的研究工作打下了基礎(chǔ)。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高以及新的變電站通信標準IEC61850的正式頒布，研究新型數(shù)字保護裝置已經(jīng)變的刻不容緩。本論文圍繞設(shè)計和研制一套能符合IEC61850標準下變電站應(yīng)用的新型數(shù)字保護裝置這一課題，主要研究以太網(wǎng)通信在數(shù)字保護中應(yīng)用的可行性并參與設(shè)計基于雙網(wǎng)冗余的高速以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字保護平臺，在基于網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字保護平臺上移植嵌入式操作系統(tǒng)Vxworks，討論基于VxWorks的微機保護任務(wù)的劃分并詳細介紹了實現(xiàn)饋線保護的功能和試驗測試結(jié)果。 論文開始概述了目前國內(nèi)外數(shù)字繼電保護產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀并簡單分析了變電站自動化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標準IEC61850，對未來保護裝置發(fā)展趨勢進行了展望，明確了微機繼電保護裝置網(wǎng)絡(luò)化、平臺化、標準化的發(fā)展方向。本課題組研制的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字保護裝置則充分的考慮了IEC61850標準分層的意義和未來變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，其研究對變電站改造和建設(shè)符合lEC61850標準的變電站自動化系統(tǒng)有重要意義。 論文首先分析數(shù)字式繼電保護裝置硬件平臺的發(fā)展過程，介紹了基于以太網(wǎng)通信技術(shù)的通用網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字保護硬件平臺設(shè)計構(gòu)想，并說明了全網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字保護平臺的優(yōu)點。全網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字保護平臺采用模件化設(shè)計，整個裝置具體功能模件包括交流變換模件、數(shù)據(jù)采集模件、數(shù)據(jù)計算和邏輯處理模件、開入開出模件、以太網(wǎng)Hub模件、電源模件以及人機接口模件。 其次，概述以太網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)特點，并分析以太網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用于變電站自動化系統(tǒng)的可行性。根據(jù)提高以太網(wǎng)通信實時性的研究現(xiàn)狀，介紹雙網(wǎng)冗余高速以太網(wǎng)通信方案的實現(xiàn)，特別詳細闡述了基于以太網(wǎng)控制芯片LAN91Clll的以太網(wǎng)通信接口的設(shè)計，給出LAN91C111的初始化、以太網(wǎng)通信發(fā)送模塊以及以太網(wǎng)通信中斷接受模塊的流程。 再次，分析了在繼電保護產(chǎn)品軟件系統(tǒng)中應(yīng)用前后臺系統(tǒng)和嵌入式實時操作系統(tǒng)的區(qū)別，闡明在繼電保護硬件平臺上應(yīng)用嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks的優(yōu)勢。并重點闡述在嵌入式處理器AT91RM9200上移植VxWorks實時操作系統(tǒng)的過程。 論文分析了數(shù)字繼電保護軟件任務(wù)劃分的基本原則，合理劃分數(shù)字保護的任務(wù)和任務(wù)優(yōu)先級，并通過調(diào)試工具WindView驗證任務(wù)調(diào)度的正確性。詳細的介紹網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字保護平臺上實現(xiàn)饋線保護的具體功能和保護邏輯，最后通過試驗測試，證明裝置各項性能優(yōu)越。 最后，對本論文所開展的工作作了總結(jié)，并對進一步研究的方向進行了展望。
標簽： 嵌入式 實時操作系統(tǒng) 保護裝置
上傳時間： 2013-04-24
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