數字控制技術在開關電源中的應用正變得越來越廣泛，開關電源的數字控制器包含三個主要的功能模塊：模數轉換器、數字補償器和數字脈寬調制器。本論文總結和比較了當今國際上高頻開關電源數字控制器各個模塊的先進技術和發展方向。 數字電源要在高頻開關電源應用領域中實用化、市場化，在技術上仍然存在許多的難關需要攻克。其中模數轉換器和數字脈寬調制器的分辨率問題給系統帶來了極限環振蕩的隱患，采樣時滯現象增加了實現電源的電壓調節快速動態響應特性的難度，同時數字補償器必須在一個開關周期內完成若干次乘法和加法運算以便及時更新占空比信息，從而對數字控制器的運算速度提出了非常高的要求。本文集中研究和討論解決這些技術難點的途徑，利用matlab中的SISOTOOL塊，通過直接數字設計提出了2P2Z的數字補償算法。按照高頻開關電源的設計步驟，本文對主要元器件進行了參數的計算以及選型，并利用matlab中的SIMULINK模塊對電路的穩態瞬態性能進行仿真研究。 為了對理論分析和仿真研究進行驗證，本文設計實現了一款基于DSPic30F2020高性能數字信號處理器并采用2P2Z控制算法的高頻全橋拓撲大功率通信一次電源整流模塊。實驗結果表明，該數字電源方案穩定可靠，性能參數優異，能夠滿足應用的需要。
上傳時間： 2013-04-24
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開關磁阻電機（SR電機）驅動系統（SRD）是一種先進的機電一體化裝置，但是其較大的振動噪聲和轉矩脈動問題制約了SRD的廣泛應用。本文以減小SR電機振動噪聲和轉矩脈動為主題展開理論分析和實驗研究。主要內容有：由于徑向力引起的定子徑向振動是SR電機噪聲的主要根源，因此徑向力的分析和計算是研究SR電機振動噪聲的基礎。本文利用磁通管法推導出徑向力的解析表達式，定性分析了徑向力與電機結構參數等之間的關系。根據虛位移原理，推導出基于矢量磁勢的電磁力計算公式。該計算方法求解電磁力時只需進行一次磁場計算，不但減小了計算量，同時計算精度較傳統虛位移法高。利用這一計算方法，求出了實驗樣機的轉矩及徑向力的精確數值解。針對在SRD性能仿真時，傳統的非線性插值不但耗時，而且對有限元計算數據量要求高的問題，本文利用人工神經網絡強大的非線性模型辨識能力，成功進行了SR電機磁鏈反演和轉矩計算的模型訓練，最后建立了基于人工神經網絡的SR電機精確解析數學模型。因為SR電機本體結構形式的選擇問題與振動噪聲大小有著密切的關系。本文從噪聲輻射和振動幅值角度探討了SR電機主要尺寸的確定；接著從對稱性、力波階數等角度研究了SR電機相數及繞組連接方式、極數、并聯支路數的選擇問題。并對一些常用的降低電機機械噪聲的措施和方法進行了綜述。系統振動特性的研究對于減小振動噪聲十分重要。本文從振動系統的運動方程出發，導出了從激振力到振動加速度的傳遞函數和系統的自由振動解；然后利用機電類比法得出了SR電機定子系統的固有頻率以及振動振幅的解析解，定性分析了影響振動振幅的各種因素；最后利用基于能量法的有限元解法，通過建立不同的散熱筋結構形式、高度、根數以及形狀的SR電機三維有限元模型，分析得出了最有利于降噪和散熱的散熱筋結構是高度高、根數多、上窄下寬的梯形截面的周向散熱筋的結論。通過建立不同繞組裝配工藝下的SR電機三維有限元模型，分析得出了加強繞組剛度可以提高系統低階固有頻率的結論。通過比較實驗樣機的模態分析結果和運行實驗結果，證實了模態分析的有效性。仿真是計算SRD系統性能和預估電機振動的有效手段。本文在用MATLAB建立SRD系統的非線性動態仿真模型的基礎上，對SRD系統進行了穩態性能仿真、動態性能仿真以及負載突變仿真。接著利用穩態性能仿真，綜合考慮最大平均轉矩和效率這兩個優化目標，對SR電機的開關角進行了優化。最后結合由磁場有限元計算得到的徑向力數據表和穩態性能仿真，通過非線性插值得到徑向力的波形，然后對徑向力波形進行了頻譜分析，從而找到其主要的諧波分量。在電機設計階段避免徑向力波主要頻譜分量與SR電機定子的固有頻率接近而引起共振是降低SR電機噪聲的首要條件。合適的控制策略對于SR電機減振降噪是必不可少的。本文理論推導出三步換相法的時間參數取值公式。仿真證明本取值公式較原先文獻的結論在阻尼比較小時有更好的減振效果。針對SR電機運行中可能出現多個模態振形被激發出來的情況，利用數值優化法對三步換相法的時間參數進行了優化，使得減振效果整體最佳，所提的數值優化方法對兩步換相法同樣有效。在分析已有的直接瞬時轉矩控制的基礎上，針對其不足之處，提出了轉矩定頻控制取代內滯環的方法、開始重疊區域的轉矩控制方法、最佳開關角度二次優化法和時間參數優化的三步換相法等新的控制方案。動態仿真證明這些方案是切實有效的，達到了預期效果。最后在直接瞬時轉矩控制的每一次轉矩斬波都使用三步換相法，和在相關斷時刻根據實際電平靈活選用兩步或三步換相法以減小電機振動噪聲，并提出了考慮減振要求的開關頻率設計方法，最終形成了一套完整的降低振動噪聲和轉矩脈動控制策略。設計并研制了基于TMS320LF2407DSP的SR電機控制器。根據控制策略要求，選用了不對稱半橋功率電路拓撲結構；出于降低成本以及提高可靠性考慮，采用了MOSFET雙路并聯電路方案。在控制軟件中實現了本文所提出的降低SR電機振動噪聲和轉矩脈動控制策略。本文最后對實驗樣機進行了靜態轉矩的測量實驗，對比轉矩測量值與轉矩有限元計算值，驗證了磁場有限元計算的有效性。然后對實驗樣機進行了空載與負載、電流控制與轉矩控制、低速斬波與高速單波、是否采用兩步或三步換相法等一系列對比運行實驗，對比各種實驗結果，充分證實了本文所提出的降低振動噪聲和轉矩脈動控制策略的有效性。本課題組承擔了國家十·五863計劃電動汽車重大專項：“EQ6110HEV混合動力城市公交車用電機及其控制系統”（2001AA501421）。本文的研究是在該項目的資助下完成，并且本文關于電機本體結構形式、散熱筋結構和機械降噪措施等的結論已在該項目的60kW實驗樣機上得到證實。
上傳時間： 2013-07-05
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本文主要研究電壓矢量定向控制和直接功率控制這兩種關于PWM整流器的控制策略，并針對電網不平衡情況對三相PWM整流器作了相應的研究。 首先對PWM整流器的原理做了詳細的介紹，主要是拓補結構，工作原理，分別在ABC靜止坐標系、αβ靜止坐標系和dq旋轉坐標系中建立了低頻和高頻數學模型。選擇了電壓型的三相PWM整流器作為研究對象，并在dq坐標系中對其數學模型進行解耦。此外設計了基于TMS320F2812和IPM模塊的硬件實驗系統，介紹了硬件系統的電感和電容的參數設計。 介紹了間接和直接電流控制，并在直接電流控制中，引入了空間電壓矢量定向控制，給出了實現該控制策略的主要算法，并建立了仿真模型。直接功率控制是近來發展起來的三相PWM整流器控制技術，在詳細介紹了傳統的直接功率控制策略后，針對其存在的問題，提出了空間電壓矢量調制的直接功率控制策略，并通過仿真和實驗驗證了控制策略的有效性。最后在三相電網不平衡的條件下，研究了對三相VSR的影響。詳細分析了抑制直流電壓波動的雙電流控制方法，以改善三相VSR在電網不平衡條件下的輸入輸出性能。
上傳時間： 2013-06-09
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開發和研制無鐵心永磁電機是當前電機領域的一項重要課題，無鐵心永磁電機可以解決傳統有鐵心電機存在的重量重、損耗高、振動噪聲大等問題。開發無鐵心永磁電機需要準確計算電機的參數和性能，而實現這一任務的重要前提是獲得正確的磁場分布。無鐵心永磁電機氣隙外沒有鐵磁材料，其自身的結構特點決定了無鐵心永磁電機的氣隙磁場屬于三維開域磁場，開域磁場工程問題的計算是近年來計算電磁學的研究熱點之一。 本文的研究內容是國家高技術研究發展(863)計劃項目“新型稀土永磁電機設計與集成技術”的關鍵技術之一。針對無鐵心永磁電機的實際工程問題，計算方法的選擇力求既能保證一定的計算精度，又能節約計算機內存和CPU時間。根據對各種開域電磁場計算方法的分析比較，本文將漸近邊界條件法和有限元法結合解決無鐵心永磁電機三維開域磁場計算問題。 本文主要由以下幾部分組成： 第一部分為無鐵心永磁電機三維開域磁場計算方法的研究。首先提出了基于標量磁位的漸近邊界條件，建立了球形邊界的標量磁位漸近邊界條件數學模型。為了盡可能減少節點的數量，結合無鐵心永磁電機的具體結構，推導了適合于盒形截斷邊界和圓柱形截斷邊界上簡便易行的一階和二階標量漸近邊界條件算子，該算子具有簡單、有限元實施容易的特點。其次研究并建立了標量漸近邊界條件與有限元法結合的三維開域靜磁場的數學模型，并提出具體的實施方法，推導出相應的離散方程。通過對具有解析解的長方永磁體三維開域磁場的實例計算，驗證了方法和所編程序的正確性，并將漸近邊界條件法與截斷法在計算精度和人工外邊界距離方面做了比較。結果表明：在相同人工外邊界情況下，漸近邊界條件與截斷邊界條件相比，計算精度明顯提高，二階漸近邊界條件明顯優于一階漸近邊界條件。與截斷法相比，漸近邊界條件法更節約計算機內存和CPU時間，比較好地處理了計算量與計算精度之間的矛盾。 第二部分針對Halbach陣列內轉子無鐵心永磁電機三維開域磁場問題進行深入研究。利用漸近邊界條件法，定量地計算了在定轉子均無鐵心的情況下電機內部及周圍磁場的大小，總結出了Halbach陣列無鐵心永磁電機磁場的空間分布規律。 第三部分針對不同拓撲結構的Halbach磁體陣列電機磁場問題進行對比研究。通過大量的計算，探討了Halbach陣列永磁電機在轉子無鐵心情況下影響氣隙磁密的各種因素，分析了不同Halbach磁體軸向長度對端部漏磁的影響規律，給出了無鐵心永磁電機漏磁系數、電樞計算長度等主要設計參數隨電機結構尺寸的變化規律。 第四部分針對具有試驗數據的三種結構的無鐵心永磁電機樣機進行了計算和分析，計算結果與試驗數據吻合，從而驗證了漸近邊界條件法處理三維開域磁場問題的有效性和實用性。
上傳時間： 2013-06-22
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本論文主要對燃料電池用DC/AC變換器的主電路拓撲、脈寬調制(PWM)方式、控制系統硬件電路、控制策略以及電磁兼容(EMC)問題進行了研究。考慮到燃料電池(Fuel Cell)的特性和DC/AC變換器的應用場合，本文主要對單相DC/AC變換器做了研究。 首先，針對單相DC/AC變換器，分析了它們的主電路拓撲結構、工作原理以及脈寬調制方式。 其次，完成了DSP控制系統的軟硬件設計。DC/AC變換器的控制系統硬件電路，主要包括DSP最小系統、電源系統、信號檢測與調理電路、CAN通信以及SCI串口通信電路等。變換器控制策略則采用電壓環控制，瞬時值電壓以及有效值電壓控制都采用PI調節，并且闡述了如何通過DSP實現PWM脈沖。 另外本文還研究了DC/AC變換器控制電路板的電磁兼容(EMC)問題。針對一些電磁干擾(EMI)問題，提出了相應的抑制措施。主要研究了開關電源EMI濾波器的設計方法。 最后，經過相關試驗，給出了結論，也提出了今后需要進一步研究的方向。
上傳時間： 2013-05-17
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本文對燃料電池車用DC/DC變換器的基本原理以及控制策略進行了較為詳盡的分析和討論，對基于ARM的DC/DC變換器控制系統的軟硬件設計作了較為詳盡的論述，對控制系統的電磁兼容作了詳細的研究并給出了提高電磁兼容能力的措施。本文介紹了本課題研究的背景，燃料電池電動汽車的特性和研究的目的與意義并分析了大功率DC/DC變換器主電路的拓撲結構、工作原理和電磁兼容環境。在此基礎上，從控制電路的最小系統、檢測系統、脈沖發生系統以及驅動電路、CAN通訊電路等方面重點討論了DC/DC變換器控制系統的硬件設計以及驅動電路的設計。本文在DC/DC變換器電感電流連續狀態空間小信號數學模型的基礎上，應用MATLAB軟件對大功率DC/DC變換器單環控制系統進行了建模和仿真分析，給出了具有實際指導意義的結論，設計了基于ARM控制系統的軟件結構并編寫了相應的軟件代碼。此外，本文從硬件和軟件兩個方面重點討論了控制系統的電磁兼容以及抗干擾措施。在系統硬件和軟件基礎上進行了功率試驗并給出了試驗結果以及今后改進的方向。
上傳時間： 2013-05-28
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隨著變電站自動化、通信和微電子等技術的快速發展，在變電站自動化系統領域出現了大量基于微處理器/控制器的智能電子設備，變電站自動化的水平在不斷提高，系統集成成為趨勢。在這一發展過程中，互操作性差已經開始成為“瓶頸”問題，即不同廠商或同一廠商在不同時期的智能電子設備采用的網絡和通信協議可能不相同，使得智能電子設備之間需要協議轉換才能集成到一個變電站系統，從而增加了系統的成本和復雜性，影響了系統的實時性和可靠性。為了解決這個問題并適應將來快速更新的計算機和通信技術，國際電工委員會于2005年正式頒布了關于變電站自動化網絡通信的國際標準IEC61850。本文圍繞基于IEC61850的變電站網絡通信和符合該標準的智能電子設備網絡通信裝置的實現展開研究，分為IEC61850標準的體系分析和具體模型的構建、基于IEC61850的通信網絡的特征及規劃、變電站通信網絡數據流建模及網絡通信性能仿真、符合該標準的智能電子設備網絡通信裝置的設計幾部分。 IEC61850是一套完備的、面向未來的變電站通信網絡與系統標準，本文首先介紹了其制定背景、結構體系和主要內容，分析了信息模型的內涵、技術特征和建模方法，并針對變電站中最為重要的兩類模型--采樣值報文傳輸模型和通用變電站事件傳輸模型進行了具體的模型構建和通信映射。 實現IEC61850通信的物理承載是以太網，本文首先通過對以太網的技術特征進行分析，得出其通信特性，然后研究和分析了變電站通信網絡對環境、規模、安全性、可靠性和實時性等要求，其中對網絡傳輸延時的特性進行了深入研究。在上述分析的基礎上，對變電站通信網絡進行了規劃和構建，提出了使用適用的網絡拓撲、報文加入優先級標簽、采用基于多VLAN的節點分布規劃和網絡冗余等提高實時性和可靠性的改進措施。 區別于傳統的以太網通信，變電站通信網絡中存在多種數據流，是要進行特殊處理的。本文首先對基于IEC61850的變電站通信網絡的數據流進行分析并劃分類別，根據其特性建立了數學模型。然后歸納了網絡模擬的一些技術和方法，并通過基于NS-2的網絡模擬技術對變電站通信網絡的性能進行了動態模擬，得出了相關的網絡性能指標。模擬結果證明了使用交換式以太網、報文引入優先級標簽和采用基于多VLAN的節點分布規劃等提高實時性措施的正確性，有利于變電站的網絡規劃和建設以及智能電子設備通信裝置的設計。 從現代電力系統的信號源開始，首先分析了電子式互感器數字接口的要求并建立數學模型，然后采用模塊化的思想設計出相應的具體軟/硬件，實現了基于IEC61850的電子式互感器數字接口的通信裝置樣機。在此基礎上將此裝置經過擴展和修改用于其他的智能電子設備的網絡通信，使其具有廣泛使用性和兼容性。最后設計了試驗環境，通過測試驗證了該樣機的通信性能滿足要求并具有較高的可靠性。
上傳時間： 2013-07-08
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隨著工業電力電子技術的發展，電力系統中的非線性負載越來越多，由此帶來的諧波公害越來越嚴重。應用現代技術對諧波等進行經濟、有效地補償是目前急待解決的重要問題之一。消除諧波的方法是加裝濾波裝置。對高壓大容量諧波源國內外目前主要是采用LC諧振型無源濾波器(PassivePowerFilter，PF)，這些濾波器還兼有無功和負序補償功能。盡管PF具有初期投資小、運行效率高等優點，但其濾波效果受電力系統阻抗的影響較大，且只能消除特定次數的諧波，對于諧波次數經常變化的負載濾波效果不好，還可能與系統發生串聯、并聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。進入80年代以后，隨著有源濾波技術的不斷深入和用戶對諧波問題的重視，以及電力電子技術的飛速發展，大功率可關斷器件(GTR，GTO，IGBT等)的不斷進步，有源電力濾波器(ActivePowerFilter，APF)作為抑制電網諧波、補償供電系統無功功率的新型電力電子裝置得到迅速發展，其中又以并聯型有源電力濾波器的使用最為廣泛。 本文以并聯型注入式混合有源濾波器為基礎，就其設計與應用的幾項重要技術進行了研究，論文主要包括以下幾個方面的內容： 1.就國內外有源濾波器的研究現狀和發展概況作了較為全面的綜述，介紹了目前研究的熱點與難點。 2.研究了各型有源濾波器的基本拓撲結構和運行原理，分析了其各自的優缺點。 3.提出了一種適合大容量工程應用的混合型濾波器結構，結合工程實際完成了各組成部分的參數設計。 4.對各種諧波檢測算法進行了比較研究，提出了一種準確性較高、延時較短的新型檢測方法。 5.就APF中逆變器的PWM調制問題，提出了一種基于新的改進規則采樣法的死區補償方法。
上傳時間： 2013-07-06
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近年來，隨著汽車工業的迅速發展，環境污染、全球變暖、能源短缺的壓力使傳統的內燃機汽車面臨前所未有的挑戰，燃料電池電動汽車已成為汽車工業新的熱點。由于燃料電池輸出特性的特殊性，輸出端必須連接DC/DC變換器，使之與驅動器配合。因此，DC/DC變換器是燃料電池電動汽車的關鍵零部件之一。 本論文主要對燃料電池電動轎車FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)用DC/DC變換器的主電路拓撲結構、參數設計及電磁兼容(EMC)問題進行了研究。重點針對升降壓和雙向DC/DC變換器進行分析研究。 首先介紹分析了幾種傳統升降壓直流變換器的工作原理和優缺點。針對燃料電池的特性和電動汽車對升降壓DC/DC變換器的性能指標要求，分析比較了非隔離式直流變換器的一些優點和缺點，提出了Buck-Boost級聯的升降壓主電路方案并提出相關的控制策略。然后運用模擬仿真軟件MATLAB仿真分析了控制策略的正確性。 其次分析研究了雙向DC/DC變換器的應用與設計，綜合比較現有的各種隔離與非隔離方案，結合車用要求，選擇了非隔離式的Buck-Boost拓撲。針對其工作原理、特點進行了雙向DC/DC變換器主電路與控制電路的設計研究，重點研究其過渡過程的控制策略。在利用MATLAB進行各種過渡過程的仿真分析的基礎上，選取了最佳的過渡控制方案。并利用該控制策略編制DSP控制程序，制作了小功率1kW數字控制雙向DC/DC變換器。 最后深入討論了DC/DC變換器中的電磁兼容問題。分析了DC/DC變換器主電路中存在的主要干擾源、干擾產生的機理以及干擾傳播途徑，然后以此出發，重點討論了各種抑制電磁騷擾(EMI)和電磁抗干擾(EMS)的方法及措施，給出具體方案。
上傳時間： 2013-05-24
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電氣化鐵道牽引網在網絡拓撲結構、電氣元件上具有特殊性，開展數學模型和電氣參數研究對掌握其電氣性能具有重要意義。 本文主要介紹了電氣化鐵道牽引網基波與諧波的模型建立與電氣參數計算。 借用電力系統中的成熟計算方法，并結合牽引網的拓撲結構和導線的特殊性，闡述了多導體傳輸線的串聯阻抗和并聯導納矩陣的計算方法，給出了計算實例。 各種供電方式的牽引網都可等效成多導體傳輸線的供電網絡，網絡上的各種電氣參數均可視為串聯元件和并聯元件。牽引網的均勻多導體傳輸線采用等值Ⅱ型電路，對其它各種串聯與并聯元件也分別建模。 用C＃語言編制了牽引網模型仿真計算軟件，實現了諧波在牽引網中的分布計算。為計算程序設計了良好的人機界面，通過界面可以完成牽引網的參數輸入與外部數據讀取，計算結果再用.csv格式輸出。其中，詳細介紹了LU三角算法。 最后，結合京哈線薊縣南牽引變電所供電區段高次諧波諧振測試，分析了牽引網參數對高次諧波諧振的影響，說明了諧振的原因并給出了治理措施。利用程序進行了仿真計算，驗證了程序的可用性。
上傳時間： 2013-07-23
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