电励磁双凸极电机高压直流发电系统研究

论文摘要

270V高压直流电源系统具有重量轻、效率高、容易实现不中断供电等优点,而受到新一代飞机设计者的青睐。电励磁双凸极电机结构和控制简单,便于实现发电机和整流设备的一体化集成,非常适合作为航空270V高压直流电源系统的主发电机,因此,开展电励磁双凸极无刷直流发电系统的研究具有重要的意义。本文以12/8极电励磁双凸极高压直流发电机为研究对象,采用简化等效磁路对其静态特性做了理论分析。然后,考虑了电机铁芯非线性饱和和电枢反应影响,应用二维有限元深入分析了样机在不同工作状况下的磁场分布情况、磁链、电感和空载电势,给出了该发电机各电感、磁链和空载电势随励磁电流、相电流变化规律。基于有限元计算所得到非线性磁链,开展了12/8极电励磁双凸极直流发电机非线性建模方法的研究。尝试采用自适应模糊神经网络、支持向量机和三次样条插值法分别建立了该发电机非线性模型,并通过实例对比分析了三种方法的建模精度、预测性能,总结了三种方法的优缺点,给出了选用原则。分别用三种建模方法求解了空载电压波形,并与实验测试结果比较,验证了建模方法的可行性和所建模型的有效性。分析了推导了12/8极电励磁双凸极无刷直流发电机12种工作模态下的电压方程。在Matlab平台上建立了电励磁双凸极无刷直流发电机非线性分析模型。仿真分析和实验相结合,系统地研究了电励磁双凸极直流发电机发电性能,给出了该直流发电机的磁链、电感、各电压波形、输出直流电压和电压纹波大小随励磁电流和负载电流变化的规律。针对270V直流开关电器高压、高空灭弧困难的问题,开展高压直流无弧开关技术研究,研制了直流机电混合式功率控制器,针对传统电路结构的不足,改进了主电路,给出了具有反流故障阻断功能的电路结构,实验表明:所研制的样机有效的结合了机械式开关的静态特性和固态开关的快速动作特性,可以实现快速无弧切换,并具有反流阻断功能。开展了电励磁双凸极无刷直流发电系统数字调压技术研究。针对电励磁双凸极无刷直流发电机非线性特性,研究了非线性PI励磁控制方法及设计方法,给出了一种易于工程实现的非线性PI励磁控制算法。并对算法作了改进,设计了具有负载电流前馈补偿控制的非线性PI励磁控制实时算法,实验结果表明:系统的动态特性得到了明显的提高,且具有较好的稳态性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高压直流电源系统的发展及国内外研究现状
• 1.2 双凸极电机的发展和国内外研究现状
• 1.2.1 双凸极永磁电机
• 1.2.2 磁通反向和磁开关双凸极电机
• 1.2.3 电励磁双凸极电机
• 1.2.4 混合励磁双凸极电机
• 1.3 本文选题背景及研究内容
• 第二章 电励磁双凸极无刷直流发电机的原理及有限元分析
• 2.1 电励磁双凸极电机的结构及工作原理
• 2.1.1 电励磁双凸极电机的结构
• 2.1.2 电励磁双凸极发电机工作原理
• 2.2 DSEM 无刷直流电机简化等效磁路模型分析
• 2.3 电励磁双凸极无刷直流发电机的磁场有限元分析
• 2.3.1 DSEM 磁场的有限元剖分
• 2.3.2 DSEM 样机磁场分析
• 2.3.3 DSEM 的静态参数计算
• 2.4 本章小结
• 第三章 电励磁双凸极无刷直流发电机非线性建模方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 DSEM 直流发电机的模糊神经网络非线性磁链模型
• 3.2.1 模糊神经网络的结构及网络学习算法
• 3.2.2 DSEM 直流发电机的模糊神经网络建模
• 3.2.3 模糊神经网络模型的验证
• 3.3 用支持向量机建立DSEM 直流发电机的非线性磁链模型
• 3.3.1 支持向量机方法原理
• 3.3.2 核函数
• 3.3.3 SMO 算法
• 3.3.4 DSEM 直流发电机支持向量机建模
• 3.4 三次样条插值方法
• 3.4.1 插值原理
• 3.4.2 插值结果验证
• 3.5 三种非线性建模方法比较
• 3.5.1 ANFIS 与SVM 的比较
• 3.5.2 三种建模方法建模性能实例比较
• 3.6 仿真分析与实验验证
• 3.7 本章小结
• 第四章 电励磁双凸极无刷直流发电机发电特性研究
• 4.1 建立电励磁双凸极无刷直流发电机电压平衡方程
• 4.2 电励磁双凸极无刷直流发电机发电特性分析
• 4.2.1 空载电势波形和空载特性
• 4.2.2 负载特性
• 4.3 效率测量
• 4.4 本章小结
• 第五章 DSEM 高压直流发电系统实现及实验研究
• 5.1 发电系统总体构成
• 5.2 DSEM 无刷直流发电系统数字调压技术研究
• 5.2.1 数字调压器构成
• 5.2.2 励磁主电路结构及工作原理
• 5.2.3 PWM 控制对励磁电流脉动影响分析
• 5.2.4 数字调压器励磁控制算法的研究
• 5.3 调压实验研究
• 5.3.1 非线性PI 励磁控制
• 5.3.2 负载电流前馈补偿控制
• 5.4 直流混合式功率控制器研究
• 5.4.1 直流混合式功率控制器的构成及基本原理
• 5.4.2 具有反流故障阻断功能的DCHPC 主电路设计
• 5.4.3 样机测试结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 本文的主要工作和创新点
• 6.2 需作进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录