学位论文开题报告 - 图文

现无刷励磁。.F.Chen 在 1997 年提出一种无刷、无励磁机同步发电机结构[8]，如图 1.2所示，定子绕组采用两套并联三相绕组（由极相组拆分），在两套绕组的中心点接入可调直流电源，在两套绕组中形成直流电流，在气隙间形成静止直流磁场；转子绕组切割此磁场形成感应电势，转子绕组线圈由二极管短接，则在转子绕组中流过单方向的直流电流，建立旋转励磁磁场，在电枢绕组中输出三相电压。很显然由于这种电机转子励磁电流是脉动的，甚至会发生断 续，因此发电机的输出波形较差；固定的直流磁场使铁心利用率有所降低；另外这种方式在低速情况下励磁效果不好，也不能用于电动起动运行。日本人SAKUTARO 提出一种与之类似的方案[9]，工作原理相同，不同之处是在定子上除一套三相绕组外，安放了一套直流绕组，用于在气隙间形成静止直流磁场。以上参考文献中还引用或介绍了其他一些形式的无刷励磁同步发电机，根本点都基于在电机中形成两种磁场。K. Inoue 提出一种利用气隙磁场的五次谐波进行励磁的方法[10]，在转子表面恰当位置安排感应磁场五次谐波的感应绕组，经过桥式整流为励磁绕组供电，这种方法利用磁场空间的五次谐波，因此不便调节电压，要通过恰当地设计电机的参数，来保证电机在固定的转速下，带负载运行时端电压变化较小。文献[11]提出一种与之相近的方法，在定子上安装了激发谐波的一套三相绕组，该绕组通过 Y 接法的三相电容短接。 （3）基于电力电子变换器控制的无刷励磁技术 电力电子及其控制技术的发展为同步电机的无刷化提出了一种新的途径。Sakutaro Nonaka 提出一种这方面代表性的方案[12~14]，如图 1.3 所示。这是一种与电力电子装置很好结合的新型无刷同步发电机系统，转子为三相交流绕组，由二极管短路。根据转子位置信号，在定子的旋转磁场中叠加了用于产生励磁的磁场，该磁场由变换器 1 根据合适的调制策略产生，这样在转子绕组中产生感应电势，由于二极管的整流作用，产生所需单向直流励磁电流。显然发

电机的输出波形含有大量的谐波，不能直接利用。发电系统的变换器 1 的控制策略采用双磁场调制控制策略。一方面使转子绕组得到感应励磁电流，同时起 PWM整流作用，将发电机的有功传至直流母线，再由变换器 2 逆变输出所需的频率和幅值的电压，可 与交流电网并联。这种系统适合变速运行，适宜构成变速恒频(VSCF)发电系统。 3.主要研究内容 1）桥式可旋转变换器的设计、软件仿真以及可旋转变换器的特性分析。 2）无刷励磁系统实验平台中的组成部分同步发电机的设计和制作，以及 Maxwell 建模，对发电机的电磁性能，内部磁场分布等作仿真，根据仿真的数据画出电机电感参数随转子变化的曲线，求得电机电感参数矩阵。并建立同步发电机的 Matlab 仿真模型，及建立整个系统的仿真模型，并对仿真结果进行分析说明。 3）对可旋转变换器的无刷励磁实验、发电机本体的实验、系统开环和系统闭环实验的实验结果进行分析。 4.研究方案和技术路线 第一步：可旋转变换器的无刷励磁方案的提出和工作原理的介绍。 首先，在介绍无刷励磁技术的研究现状的基础上，提出可旋转变换器的无刷励磁方案。 其次，介绍全桥式可旋转变换器的工作原理、旋转变压器的工作特性和设计特点。 最后，对桥式可旋转变换器进行设计、软件仿真，并在实验平台上对可旋转变换器的特性进行实验分析。 第二步：无刷励磁中同步发电机的设计和制作，以及建模，仿真。 首先，根据仿真的数据画出了电机电感参数随转子变化的曲线，求得了电机电感参数矩阵。 其次，根据前面求得的电感参数矩阵，建立了同步发电机的 Matlab 仿真模型。 最后，建立了整个系统的仿真模型，并对仿真结果进行了分析说明

第三步：可旋转变换器的无刷励磁实验 介绍励磁调节器的主要功能和主要组成部分，以及它的硬件电路的设计和实现。在无刷励磁系统实验平台上进行了基于可旋转变换器的无刷励磁实验，包括发电机本体的实验、系统开环和系统闭环实验，并对实验结果进行分析。 5.课题的主要难点及拟采取解决方案 1）建立比较精确的系统仿真模型，在静态场分析时对电机内部的磁密、磁链等进行分析，并画出电机定转子自感、互感随转子角度变化的曲线，对仿真的数据进行处理。 拟解决的方法是：使用Ansoft软件对磁感应强度进行模拟。Saber 软件主要用于外围电路的仿真模拟。 2）在 Matlab 中首先建立实际电机的 PSB 模型，然后又建立整个无刷励磁系统的仿真模型，并对基于可旋转变换器的无刷励磁系统进行仿真。 拟解决方案：利用 Maxwell2D 来分析同步电机的内部电磁场分布，并可直观的看出电机运行时其电机转子和定子之间的互感及自感的波形，从而求得发电机的电气参数。在 Matlab 中首先建立了同步发电机的PSB(Power System Blockset)模型，建立同步发电机的PSB模型就是为了高效率、高质量的完成电路－电机－控制的混和仿真问题，接着建立了整个励磁控制系统的仿真模型。 6.预期研究成果 建立比较精确的系统仿真模型，在静态场分析时对电机内部的磁密、磁链等进行了分析，并画出电机定转子自感、互感随转子角度变化的曲线，对仿真的数据进行处理，得出实际电机的电感参数矩阵。 在 Matlab 中首先建立实际电机的 PSB 模型，然后又建立整个无刷励磁系统的仿真模型，并对基于可旋转变换器的无刷励磁系统进行仿真。对变换器用于同步电机的无刷励磁进行原理性验证。 7.主要参考文献 [1] 李发海，朱东起，电机学，北京，科学出版社，2000：200~230 [2] 黄耀群，李兴源，同步电机现代励磁系统及其控制，成都，成都科技大学出版社，1993：1~2 [3] 唐任远，现代永磁电机理论与设计，北京，机械工业出版社，1997：1~2 [4] Amara, Y., Lucidarme, J., Gabsi, M.,etal. A new topology of hybrid synchronous machine,Industry Applications Conference, Conference Record of the 2000 IEEE, 2000, 1: 451~456 [5] Wang Huijun, An Zhongliang, Tang Renyuan, etal. Design of a hybrid excitation

permanentmagnet synchronous with low voltage regulation, Electrical Machines and Systems, 2005.ICEMS 2005, 1: 664~666 [6] 盛义发，同步发电机光控无刷励磁系统的研究，[硕士学位论文]，衡阳，南华大学，2004 [7] 顾毅康，电磁式无刷交流同步电机新型起动方案研究，[硕士学位论文]，南京，南京航 空航天大学，2002 [8] Chan, T.F., Lie-Tong Yan, Performance analysis of a brushless and exciterless AC generator,IEEE Transaction on Energy Conversion, 1997, 12(1): 32~37 [9] Sakutaro Nonaka, Katsumi Kesamaru, Analysis of brushless four-pole three-phase synchronous generator without exciter by the finite element methed, IEEE transactions on Insustray Applications, 1994, 30(3): 615~620 [10] Inoue, K., Yamashita., A brushless self-exciting three-phase synchronous generator utilizingthe 5th-space harmonic component of magneto motive force through armature currents, IEEE Transaction on Energy Conversion, 1992, 7(3): 517~524 [11] Fukami, T., Kondo, T., Miyamoto, T., Performance analysis of a self-regulated, self-excited,brushless three-phase synchronous generator, Electric Machines and Drives, 1999.International Conference IEMD '99, 1999, 1:89~91 [12] Nonaka, S., Kawaguchi, T., A new variable-speed AC generator system using brushlessself-excited type synchronous machine, Industry Applications Society Annual Meeting, 1990.,Conference Record of the 1990 IEEE, 1990, 1:691~696 [13] Nonaka, S., Kawaguchi, T., Excitation scheme of brushless self-excited-type three-phasesynchronous machine, IEEE Transactions on Industry Applications, 1992, 28(6):1322~1329 [14] Nonaka, S., Kawaguchi, T., A new variable-speed AC generator system using brushlessself-excited type synchronous machine, IEEE Transactions on Industry Applications,1992,28(2):490~496 [15] 丁道宏，电力电子技术，北京，航空工业出版社，1992：1~5 [16] Boys J.T., Supply of power to primary conductors, New Zealand, International Patent, WO99/30402 [17] Green A. W. Boys J. T., 10kHz inductively coupled power transfer concept and control, IEEPEVD conference, Lodon, 1994, 39: 694~699 [18] 武瑛，严陆光，徐善纲，新型无接触能量传输系统，变压器，2003，6：1~6 [19] Sato F., Murakami J., Stable energy transmission to moving loads