移動式電容快速充電電源系統(tǒng)以高功率、小型化、重復頻率為追求目標。基于旋轉儲能的高壓發(fā)電機是輕量化電容充電電源的常用方案。隨著科技的進步,電容充電系統(tǒng)對高壓發(fā)電機的功率密度以及結構可靠性等方面的要求日益提高。無刷雙饋電機是一種由級聯(lián)電機演化而來的新型電機。由于取消了電刷滑環(huán)等機械結構,無刷雙饋電機具有較高的結構可靠性,由此高壓化的無刷雙饋電機可以作為電容快速充電電源使用。同時在重復頻率充電系統(tǒng)中,由于慣性儲能的釋放,電機轉速會不斷下降,此時無刷雙饋電機可以通過對控制繞組的頻率調節(jié)來實現(xiàn)功率繞組輸出電壓的恒壓恒頻,從而保證系統(tǒng)連發(fā)性能的一致性,這一點也是常規(guī)高壓發(fā)電機所不具備的能力。因此無刷雙饋電機在電容快速充電電源系統(tǒng)中具有明顯的優(yōu)勢以及廣泛的應用前景。由于無刷雙饋電機內部磁場耦合關系及電容充電的負載特性都比較特殊。針對該系統(tǒng)中無刷雙饋電機的研究必須建立在對電機本身原理特性以及電容充電負載特性充分理解的基礎上進行。本文以無刷雙饋電機基礎理論為研究對象,從轉子磁動勢分析的角度出發(fā),深入探究電機內部磁場的耦合關系及運行原理。針對實際應用目標——電容快速充電系統(tǒng),本文對該系統(tǒng)的系統(tǒng)構成及負載特性進行了簡要分析,從而為該系統(tǒng)用無刷雙饋電機的研究奠定基礎。為了更好地研究分析無刷雙饋電機的本質原理和運行特性,在對電機內部磁場耦合關系分析的基礎上,本文建立了無刷雙饋電機異步—同步串聯(lián)的新型等效電路模型。基于該等效電路模型,本文對無刷雙饋電機進行了分析計算,從而揭示了無刷雙饋電機的運行特性及控制調節(jié)的規(guī)律。針對無刷雙饋電機在電容快速充電過程的動態(tài)特性分析問題,本文對功率繞組磁場子系統(tǒng)及控制繞組磁場子系統(tǒng)分別建立其在各自坐標系下的數(shù)學模型,即新型的無刷雙饋電機雙dq數(shù)學模型。根據(jù)電機內部磁場的關系,給出了兩個子系統(tǒng)之間的耦合關系。基于此模型,本文對功率繞組瞬時三相短路過程進行解析計算分析,得到相應的短路瞬變電流及瞬變電抗,分析影響瞬變電流大小的因素,為電容充電用無刷雙饋電機設計奠定了理論基礎。針對電機轉速下降后如何通過控制繞組的頻率調節(jié)實現(xiàn)輸出電壓的恒壓恒頻問題,本文利用所建立的數(shù)學模型提出了無刷雙饋電機獨立運行發(fā)電下的變速恒頻發(fā)電控制策略,并搭建相應仿真模型進行仿真分析。在對電機一系列分析結論的基礎上,結合電容充電負載特性的要求。本文對電容充電用無刷雙饋電機電磁設計所涉及到的一系列問題進行了詳細的分析研究。從而建立一套相對完整的電容充電用無刷雙饋電機設計理論,以指導該類型電機設計。利用所提出的電機設計理論,本文設計并制造了一臺30kW的電容充電用無刷雙饋電機原理樣機,并給出了該樣機的詳細參數(shù)。基于樣機參數(shù),本文建立了樣機的有限元模型。從而對樣機空載、充電等多方面性能進行了仿真分析。利用場路耦合的仿真方法,本文對所提出的獨立運行變速恒頻發(fā)電控制策略進行了仿真分析以驗證控制策略的正確性并更好地匹配所設計樣機。最后,本文搭建了相應的實驗平臺,對電機空載性能以及對電容充電性能進行了實驗研究。實驗結果表明所設計樣機性能達到了設計指標要求,并且與有限元仿真結果基本一致。本文還針對兩者性能結果之間的細微差異的產生因素進行了分析,從而為后續(xù)工程電機的設計制造提供參考。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM30
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 課題研究的背景和意義
    1.2 無刷雙饋電機的研究現(xiàn)狀
    1.3 電容快速充電系統(tǒng)用無刷雙饋電機研究面臨的問題與挑戰(zhàn)
    1.4 論文的主要內容和安排
2 基本原理與運行工況分析
    2.1 引言
    2.2 無刷雙饋電機基本原理
    2.3 無刷雙饋電機基本運行工況
    2.4 無刷雙饋電機對電容充電系統(tǒng)運行工況分析
    2.5 本章小結
3 無刷雙饋電機新型等效電路及理論分析
    3.1 引言
    3.2 有刷雙饋電機新型等效電路
    3.3 從有刷雙饋到無刷雙饋
    3.4 無刷雙饋電機等效電路計算及特性分析
    3.5 本章小結
4 無刷雙饋電機瞬態(tài)特性分析
    4.1 引言
    4.2 無刷雙饋電機瞬態(tài)數(shù)學模型
    4.3 無刷雙饋電機三相短路瞬變過程分析
    4.4 獨立運行無刷雙饋發(fā)電機控制策略研究
    4.5 本章小結
5 電容充電用無刷雙饋電機電磁設計
    5.1 引言
    5.2 電容充電用無刷雙饋電機極對數(shù)選擇
    5.3 電容充電用無刷雙饋電機主要尺寸參數(shù)設計
    5.4 電容充電用無刷雙饋電機繞組設計
    5.5 電容充電用無刷雙饋電機異性槽轉子設計
    5.6 本章小結
6 電容充電用無刷雙饋電機樣機有限元仿真與實驗分析
    6.1 引言
    6.2 樣機設計實例
    6.3 樣機有限元仿真分析
    6.4 樣機實驗分析
    6.5 本章小結
7 總結與展望
    7.1 全文總結
    7.2 研究展望
致謝
參考文獻
附錄1 攻學位期間發(fā)表論文目錄

【參考文獻】

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本文編號：2886556