电容快速充电电源系统用无刷双馈电机研究

发布时间：2020-11-16 19:15

　　 移动式电容快速充电电源系统以高功率、小型化、重复频率为追求目标。基于旋转储能的高压发电机是轻量化电容充电电源的常用方案。随着科技的进步,电容充电系统对高压发电机的功率密度以及结构可靠性等方面的要求日益提高。无刷双馈电机是一种由级联电机演化而来的新型电机。由于取消了电刷滑环等机械结构,无刷双馈电机具有较高的结构可靠性,由此高压化的无刷双馈电机可以作为电容快速充电电源使用。同时在重复频率充电系统中,由于惯性储能的释放,电机转速会不断下降,此时无刷双馈电机可以通过对控制绕组的频率调节来实现功率绕组输出电压的恒压恒频,从而保证系统连发性能的一致性,这一点也是常规高压发电机所不具备的能力。因此无刷双馈电机在电容快速充电电源系统中具有明显的优势以及广泛的应用前景。由于无刷双馈电机内部磁场耦合关系及电容充电的负载特性都比较特殊。针对该系统中无刷双馈电机的研究必须建立在对电机本身原理特性以及电容充电负载特性充分理解的基础上进行。本文以无刷双馈电机基础理论为研究对象,从转子磁动势分析的角度出发,深入探究电机内部磁场的耦合关系及运行原理。针对实际应用目标——电容快速充电系统,本文对该系统的系统构成及负载特性进行了简要分析,从而为该系统用无刷双馈电机的研究奠定基础。为了更好地研究分析无刷双馈电机的本质原理和运行特性,在对电机内部磁场耦合关系分析的基础上,本文建立了无刷双馈电机异步—同步串联的新型等效电路模型。基于该等效电路模型,本文对无刷双馈电机进行了分析计算,从而揭示了无刷双馈电机的运行特性及控制调节的规律。针对无刷双馈电机在电容快速充电过程的动态特性分析问题,本文对功率绕组磁场子系统及控制绕组磁场子系统分别建立其在各自坐标系下的数学模型,即新型的无刷双馈电机双dq数学模型。根据电机内部磁场的关系,给出了两个子系统之间的耦合关系。基于此模型,本文对功率绕组瞬时三相短路过程进行解析计算分析,得到相应的短路瞬变电流及瞬变电抗,分析影响瞬变电流大小的因素,为电容充电用无刷双馈电机设计奠定了理论基础。针对电机转速下降后如何通过控制绕组的频率调节实现输出电压的恒压恒频问题,本文利用所建立的数学模型提出了无刷双馈电机独立运行发电下的变速恒频发电控制策略,并搭建相应仿真模型进行仿真分析。在对电机一系列分析结论的基础上,结合电容充电负载特性的要求。本文对电容充电用无刷双馈电机电磁设计所涉及到的一系列问题进行了详细的分析研究。从而建立一套相对完整的电容充电用无刷双馈电机设计理论,以指导该类型电机设计。利用所提出的电机设计理论,本文设计并制造了一台30kW的电容充电用无刷双馈电机原理样机,并给出了该样机的详细参数。基于样机参数,本文建立了样机的有限元模型。从而对样机空载、充电等多方面性能进行了仿真分析。利用场路耦合的仿真方法,本文对所提出的独立运行变速恒频发电控制策略进行了仿真分析以验证控制策略的正确性并更好地匹配所设计样机。最后,本文搭建了相应的实验平台,对电机空载性能以及对电容充电性能进行了实验研究。实验结果表明所设计样机性能达到了设计指标要求,并且与有限元仿真结果基本一致。本文还针对两者性能结果之间的细微差异的产生因素进行了分析,从而为后续工程电机的设计制造提供参考。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM30
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究的背景和意义
    1.2 无刷双馈电机的研究现状
    1.3 电容快速充电系统用无刷双馈电机研究面临的问题与挑战
    1.4 论文的主要内容和安排
2 基本原理与运行工况分析
    2.1 引言
    2.2 无刷双馈电机基本原理
    2.3 无刷双馈电机基本运行工况
    2.4 无刷双馈电机对电容充电系统运行工况分析
    2.5 本章小结
3 无刷双馈电机新型等效电路及理论分析
    3.1 引言
    3.2 有刷双馈电机新型等效电路
    3.3 从有刷双馈到无刷双馈
    3.4 无刷双馈电机等效电路计算及特性分析
    3.5 本章小结
4 无刷双馈电机瞬态特性分析
    4.1 引言
    4.2 无刷双馈电机瞬态数学模型
    4.3 无刷双馈电机三相短路瞬变过程分析
    4.4 独立运行无刷双馈发电机控制策略研究
    4.5 本章小结
5 电容充电用无刷双馈电机电磁设计
    5.1 引言
    5.2 电容充电用无刷双馈电机极对数选择
    5.3 电容充电用无刷双馈电机主要尺寸参数设计
    5.4 电容充电用无刷双馈电机绕组设计
    5.5 电容充电用无刷双馈电机异性槽转子设计
    5.6 本章小结
6 电容充电用无刷双馈电机样机有限元仿真与实验分析
    6.1 引言
    6.2 样机设计实例
    6.3 样机有限元仿真分析
    6.4 样机实验分析
    6.5 本章小结
7 总结与展望
    7.1 全文总结
    7.2 研究展望
致谢
参考文献
附录1 攻学位期间发表论文目录

【参考文献】

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本文编号：2886556