无轴承异步电机悬浮性能分析及优化

论文摘要

无轴承电机集驱动与自悬浮功能于一体,在机电贮能和航空航天等领域有广阔的应用前景。本文以无轴承异步电机为研究对象,推导了无轴承异步电机数学模型,研究了无轴承异步电机悬浮绕组转子感应电流对悬浮力控制的影响,分析了调速性能对悬浮控制的影响并研究了电压解耦型转子磁场定向方法,探讨了无轴承异步电机悬浮子系统的稳定性。通过建立无轴承异步电机的数学模型,比较两种不同的无轴承异步电机悬浮子系统独立控制策略,为本文的研究奠定基础。针对所研究的转矩绕组为一对极,悬浮绕组为两对极的无轴承异步电机悬浮绕组转子感应电流的存在,用等效电路图分析表明由于悬浮绕组工作在发电状态,将在转子感应较大电流,致使励磁电流和定子电流存在幅值和相位偏差,最终导致悬浮力耦合。在理论分析的基础上采用基于逆系统理论的悬浮力解耦控制策略,构造了以励磁电流为控制量的悬浮控制系统,仿真及实验表明理论分析正确,所采用方法行之有效。此思路为无轴承异步电机全速范围悬浮提供借鉴。分析了无轴承异步电机调速性能对悬浮力控制的影响,综合异步电机两种调速方法的优点,研究了一种电压解耦型的转子磁场定向控制策略,仿真及实验表明该控制策略有良好的动态性能和稳态精度。以经典控制理论为依据,建立了悬浮子系统的频域数学模型,研究了其系统稳定性,探讨了控制系统设计的原则,为无轴承异步电机控制系统设计提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 无轴承电机的研究意义
• 1.2 无轴承电机的结构、特点及工业应用
• 1.2.1 无轴承电机的结构
• 1.2.2 无轴承电机的特点
• 1.2.3 无轴承电机的工业应用
• 1.3 无轴承异步电机的研究概况及发展趋势
• 1.3.1 无轴承异步电机的研究概况
• 1.3.2 无轴承异步电机的发展趋势
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 无轴承异步电机的基本理论
• 2.1 无轴承异步电机的基本原理
• 2.1.1 洛伦磁力
• 2.1.2 麦克斯韦力
• 2.1.3 可控悬浮力的产生
• 2.2 无轴承异步电机的数学模型
• 2.2.1 旋转运动基本方程式
• 2.2.2 径向悬浮力基本方程式
• 2.2.3 转子偏心时的不平衡磁拉力
• 2.2.4 悬浮子系统的运动方程
• 2.2.5 数学模型分析
• 2.3 经典控制算法及其局限性
• 2.3.1 转矩控制绕组气隙磁场定向控制
• 2.3.2 气隙磁场定向控制的局限性
• 2.3.3 转矩绕组转子磁场定向控制
• 2.3.4 转子磁场定向控制算法的优缺点
• 2.4 本章小结
• 第三章 无轴承异步电机悬浮力解耦控制策略
• 3.1 引言
• 3.2 无轴承异步电机传统控制策略
• 3.3 无轴承异步电机悬浮绕组耦合问题分析
• 3.4 基于逆系统理论的解耦控制策略
• 3.5 控制系统框图及实验结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 电压解耦型转子磁场定向控制策略
• 4.1 引言
• 4.2 调速性能对悬浮性能的影响
• 4.3 传统的异步电机转子磁场定向控制方法
• 4.4 传统的直接转矩控制方法
• 4.5 电压解耦型转子磁场定向控制方法
• 4.5.1 电流跟踪与磁链跟踪的等效性
• 4.5.2 转子磁场定向的电压解耦原理
• 4.5.3 SVPWM 原理
• 4.5.4 SVPWM 数字实现方法
• 4.5.5 仿真及实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 悬浮系统稳定性分析及设计标准初探
• 5.1 引言
• 5.2 稳定性分析的条件
• 5.2.1 悬浮子系统独立控制
• 5.2.2 三相电流分别独立控制
• 5.2.3 高次谐波的影响
• 5.3 悬浮电流环稳定性分析
• 5.3.1 逆变器等效模型
• 5.3.2 电流环等效模型
• 5.4 悬浮系统稳定性分析
• 5.4.1 控制对象模型
• 5.4.2 控制系统模型
• 5.4.3 悬浮系统等效模型及稳定性分析
• 5.5 稳定系统的实验检验
• 5.5.1 悬浮力调节器检验
• 5.5.2 悬浮电流波形检验
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文所做工作
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文及获奖情况