磁懸浮飛輪儲(chǔ)能電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制研究.pdf

1、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種新型的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)裝置，具有使用壽命長、轉(zhuǎn)換效率高、適應(yīng)性強(qiáng)以及無污染等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、分布式發(fā)電、電力調(diào)峰以及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種多學(xué)科交叉的高科技新技術(shù)，涉及磁懸浮、高速電機(jī)、真空處理、電力電子以及復(fù)合材料等技術(shù)，被認(rèn)為是未來最有應(yīng)用價(jià)值的能量存儲(chǔ)方式之一，其研究內(nèi)容非常豐富。本文的研究課題來源于深圳市重點(diǎn)科技研究項(xiàng)目——分布式自主能源系統(tǒng)前期研究，主要包括磁懸浮軸承、飛輪儲(chǔ)

2、能用電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)(本文定義為飛輪儲(chǔ)能電機(jī))以及飛輪儲(chǔ)能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制三個(gè)方面的研究內(nèi)容。
　　磁懸浮軸承能夠解決傳統(tǒng)軸承磨損、潤滑等方面的問題，是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。本課題采用由軸向永磁磁懸浮軸承與徑向無源電動(dòng)磁懸浮軸承組成的全被動(dòng)磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)，永磁磁懸浮軸承用于支撐飛輪質(zhì)量，無源電動(dòng)磁懸浮軸承用于保持飛輪徑向穩(wěn)定。無源電動(dòng)磁懸浮軸承在直線運(yùn)動(dòng)應(yīng)用場合的研究獲得了很多可喜成果，但在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)尚處于起步階段，是飛輪儲(chǔ)能領(lǐng)域的

3、研究難點(diǎn)。本文提出新型的徑向無源電動(dòng)磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)：定子采用相斥磁場結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子采用單層或雙層8字形線圈結(jié)構(gòu)。然后利用解析法和有限元仿真分析法對(duì)相斥磁場特性、8字形線圈受力、轉(zhuǎn)子受力、以及軸承損耗等進(jìn)行研究。為驗(yàn)證徑向軸承的理論分析和仿真研究的正確性，設(shè)計(jì)一個(gè)徑向軸承樣機(jī)及測試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，使轉(zhuǎn)子高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)、可以方便觀察軸承定子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、并測得定子的偏移量和受力關(guān)系。
　　飛輪儲(chǔ)能電機(jī)實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，是飛輪儲(chǔ)能系

4、統(tǒng)的關(guān)鍵部件。為提高能量的轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)的集成度等性能，提出選用無鐵心永磁方波無刷飛輪電機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)。該種電機(jī)無定子鐵損和轉(zhuǎn)子銅損，使電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)主要損耗為繞組的渦流損耗、負(fù)載運(yùn)行時(shí)主要損耗為繞組渦流損耗與轉(zhuǎn)子渦流損耗。為減小繞組渦流損耗，建立其理論估算模型，并對(duì)一臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行繞組渦流損耗估算，再利用自由停機(jī)的實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證估算模型的有效性。分析確定轉(zhuǎn)子渦流損耗的來源為電樞反應(yīng)，并提出內(nèi)、外等效電流層求解電樞反應(yīng)場的方法

5、；為減小轉(zhuǎn)子損耗，保證電機(jī)負(fù)載時(shí)高效運(yùn)行，詳細(xì)分析了空間諧波和時(shí)間諧波產(chǎn)生損耗的原理，并提出改變風(fēng)損的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)轉(zhuǎn)子損耗進(jìn)行分離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法的有效性，同時(shí)驗(yàn)證有限元計(jì)算結(jié)果的可靠性。
　　無鐵心永磁方波無刷飛輪電機(jī)具有小電感的特點(diǎn)，會(huì)造成升速過程中穩(wěn)態(tài)電流波動(dòng)大的問題，而且采用方波控制時(shí)，存在換相電流波動(dòng)，增加了充電過程的控制難度；為減小充電時(shí)電機(jī)穩(wěn)態(tài)電流波動(dòng)大的問題，提出方波倍頻 PWM控

6、制與母線電壓調(diào)節(jié)控制相結(jié)合的方法，并利用Matlab系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證控制方法的可行性。為減小電機(jī)的換相電流波動(dòng)，提出利用新型三相逆變器和母線電流檢測方法，獲得全范圍內(nèi)完整的電流信息，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的電流反饋控制。系統(tǒng)放電時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的降低輸出電勢越低，造成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)放電控制的難度增大。為保證系統(tǒng)放電的安全性，利用Boost電路先升壓再逆變輸出的方法，并用Matlab仿真驗(yàn)證該方法的有效性。
　　最后，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于TMS320F