SPWM电压源供电的永磁直线同步电机特性研究

论文摘要

随着永磁材料、电力电子技术、微电子技术的迅猛发展,开关阵列构成的正弦脉宽调制的电压源逆变器（SPWM-VI）与高效节能、结构简单、可靠性强、推力密度大的永磁直线同步电机（PMLSM）为一体的系统受到广大学者的青睐。对具有供电电压源非正弦、工作频率低、行程有限、出入端效应、铁芯开断、端部半填槽等特点的PMLSM的特性开展研究具有重要意义。本文以SPWM-VI供电的单初级PMLSM（SPPMLSM）驱动的水平运输系统与不连续初级PMLSM（DPPMLSM）驱动的垂直无绳运输系统为研究对象。建立了SPPMLSM的分区域模型,推导了SPPMLSM气隙及次级区域的磁场解析通解。建立了初级齿槽区域有限元方程,利用初级表面与气隙的交界面条件把解析通解方程与初级齿槽区域的矩阵方程联立,获得解析-有限元混合法的整体矩阵方程。采用解析-有限元混合法与单一有限元法分别求解样机的初级表面与气隙中线上的磁密分布。计算结果表明,本文提出的针对SPPMLSM的解析-有限元混合法,既有解析法的快速性,又具备有限元法的高精度、适应复杂边界条件的特性,是一种具有良好应用前景的磁场求解方法。采用有限元法结合间接法研究SPPMLSM磁阻力的端部分量特性,提出了在出入端区域,半无限长初级PMLSM的磁阻力端部分量不满足周期性条件、傅立叶级数分析法不再适用的重要结论。研究了磁阻力的端部分量与永磁体长度、初级铁芯长度间的关系,提出了通过改变初级铁芯端部齿槽形状来减小磁阻力端部分量的有效措施,分析了此措施下磁阻力齿槽分量的影响和变化规律。采用三次B样条函数对SPPMLSM磁阻力的端部分量在出入端区域进行函数逼近,获得其近似解析式。在SPPMLSM的初、次级完全耦合区域,采用三角多项式作最小平方逼近,获得磁阻力的端部分量在初、次级完全耦合区域的解析模型。采用叠加法与有限元法结合分析DPPMLSM的磁阻力分量,获得磁阻力波形及磁阻力的各个分量的周期性和幅值随着次级动子相对位置变化情况,发现多段初级的磁阻力波形正弦度好,在段间切换时由于初级不连续引起扰动非常小。该结论对DPPMLSM性能分析和优化设计具有一定的借鉴意义。采用谐波分析法建立了SPWM-VI数学模型,搭建了SPWM-VI的SIMULINK仿真模型。采用状态变量时步有限元法,考虑电机的端部阻抗,建立了SPWM-VI-SPPMLSM的数学模型,提高了二维磁场的计算精度,获得SPPMLSM的三相绕组磁链数据作为样本数据。在搭建初、次级完全耦合的模型时,采用FFT得到磁链对于电流和动子空间位置的偏导数,进行曲线拟合获得磁链的解析式,建立状态空间方程;在初、次级不完全耦合区域,磁链数据作为支持向量回归机函数逼近的样本数据,建立了基于非线性磁链的SPWM-VI-SPPMLSM状态相量数学模型。研究了SPWM逆变器供电下SPPMLSM的稳态和动态特性。比较了SPWM-VI、正弦电压源两种供电电源下SPPMLSM的稳态特性及在不同载波频率下的SPPMLSM稳态特性;对SPPMLSM不同负载工况的稳态特性进行深入研究,采用负载角的手段可以清晰得到负载角跟SPPMLSM所加负载大小之间的关系。分析了稳态速度特性振荡的原因,指出SPPMLSM磁阻力的端部分量是影响动子稳态运行速度振荡的主要因素;分析了SPPMLSM考虑绕组电阻影响的低速特性。研究了SPPMLSM的负载突变动态特性,结果表明只要突加负载不超过最大额定负载,数值越大系统进入稳态运行的时间越短,突加负载段的速度波动越小;突卸负载时,易造成系统稳定性变差。分析了DPPMLSM的结构特点及段间间隔的设计原则,建立了以非线性磁链为状态变量的DPPMLSM状态方程,运用SIMULINK建立其仿真模型。利用模型研究DPPMLSM的上行电动、下行反接发电回馈制动等工况,仿真数据与试验结果进行比较,验证了所建模型的正确性与精确度。采用有限元法结合运动系统的能量解析式对DPPMLSM垂直提升系统的失电保护过程进行深刻分析,获得DPPMLSM失电后每段初级绕组短接后的仿真和试验曲线,分析发现提升机失电下坠的稳定速度与外接电阻的阻值有关,找出了外接电阻与DPPMLDM失电保护制动性能的关系。动子速度在初级切换的过渡过程中速度突变较大,对系统的发电制动稳态运行不利,分析了发电制动过程中动子速度突变的原因及特点。针对PMLSM的特有结构及工作频率低等特点,提出了一种有效测量PMLSM空载电势的新方法。利用微机测试装置完成SPPMLSM驱动的水平运输系统与DPPMLSM驱动的垂直提升系统数据的采集、处理。试验验证了理论的正确性和所建模型的有效性、实用性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究背景（Research Background）
• 1.2 PMLSM 的分类（Classifies Type of PMLSM）
• 1.2.1 单初级 PMLSM 物理结构及基本工作原理 （Physical structure and basic principle of Single-primary）
• 1.2.2 分段初级 PMLSM 的结构及工作特点 （Characteristics of Structure and Working Status of Discontinuity-primary PMLSM）
• 1.3 PMLSM 应用现状 （Application status of PMLSM）
• 1.3.1 数控机床方面 （Numerically-controlled Machine）
• 1.3.2 军事领域（Military Field）
• 1.3.3 运输系统 （Transportation System）
• 1.4 PMLSM 磁场的研究方法（Magnetic-field Research Method of PMLSM）
• 1.4.1 解析法 （Analytical Method）
• 1.4.2 数值法 （Numerical Solution Method）
• 1.4.3 图解法 （Graphic Method）
• 1.4.4 模拟法 （Simulated Method）
• 1.4.5 半解析半数值法 （Semi Analysis and Semi Numeric Method）
• 1.5 电压源逆变器-电机特性研究现状 （Research Status of Voltage Source Inverters-motor system Characteristics）
• 1.5.1 PWM 逆变器-PMLSM 特性及性能研究 （Study of PWM Inverters-PMLSM Characteristics）
• 1.5.2 PWM 逆变器-LIM 特性及性能研究 （Study of PWM Inverters-LIM Characteristics）
• 1.5.3 PWM 逆变器-PMSM 特性及性能研究 （Study of PWM Inverters-PMSM Characteristics）
• 1.6 本课题的研究意义 （Research Significance of This Subject）
• 1.7 研究内容 （Research Contents）
• 1.7.1 PMLSM 数值-解析电磁模型研究 （Study of Numerical-Analytical Electromagnetic Model of PMLSM）
• 1.7.2 磁阻力研究 （Study of Detent Force）
• 1.7.3 SPWM-VI-SPPMLSM 的动态非线性模型研究 （Study of Dynamic Nonlinear Model of SPWM-VI-SPPMLSM）
• 1.7.4 SPWM-VI-SPPMLSM 特性研究 （Study of SPWM-VI-SPPMLSM Characteristics）
• 1.7.5 SPWM-VI-DPPMLSM 模型建立及特性研究 （Study of SPWM-VI-DPPMLSM Characteristics）
• 1.7.6 DPPMLSM 失电保护分析 （Power Failure Protection analysis of DPPMLSM）
• 1.7.7 试验研究 （Experimental Study）
• 2 永磁直线同步电动机的磁场分析
• 2.1 引言（Introduction）
• 2.2 气隙磁导法分析 PMLSM 的开路磁场（Analysis of Open Circuit Field Using Air-gap Permeance Method）
• 2.2.1 PMLSM 模型及假设（Model and Assumption of PMLSM）
• 2.2.2 次级磁势分析（Analysis of Secondary Magnetic Motive Force）
• 2.2.3 考虑初级齿槽的气隙导磁系数分析（Analysis of Air-gap Magnetic Permeability Considering Primary Tooth-slot）
• 2.3 解析数值混合法分析 DPPMLSM 磁场（Analysis of DPPMLSM Field Using Analytical and Numerical Hybrid Method）
• 2.3.1 分区域模型（Zone Model）
• 2.3.2 解析模型（Analytical Model）
• 2.3.3 有限元模型（Finite Element Model）
• 2.3.4 联合方程（Combination Equation）
• 2.4 样机磁场计算（Prototype Field Calculation）
• 2.4.1 样机参数（Prototype Parameters）
• 2.4.2 计算结果（Calculated Results）
• 2.4.3 结果分析（Results Analysis）
• 2.5 本章小结（Brief Summary）
• 3 永磁直线同步电动机的磁阻力分析
• 3.1 引言（Introduction）
• 3.2 SPPMLSM 磁阻力分析（Detent Force Analysis of SPPMLSM）
• 3.2.1 SPPMLSM 磁阻力的端部分量分析（End Component Analysis of SPPMLSM Detent Force）
• 3.2.2 样机参数（Prototype Parameters）
• 3.2.3 基本数学模型（Basic and Mathematic Model）
• 3.2.4 初级有限长的二维有限元模型（2-D FE Model of Finite Primary）
• 3.2.5 初级半无限长的有限元模型及分析（FE model and Analysis of Semi Infinite Primary）
• 3.2.6 二维初级有限长模型端部分量分析（End Component Analysis of 2-D Finite Primary Model）
• 3.2.7 改变永磁体长度对端部分量的影响（Effect of Changing PM Length on End Component）
• 3.2.8 改变极数对端部分量的影响（Effect of Changing Pole Number on End Component）
• 3.2.9 磁阻力的端部分量分析（End Component Analysis of Moving Primary Detent Force ）
• 3.2.10 SPPMLSM 位于出入端时磁阻力的端部分量三次 B 样条建模（Three Order B Spline Model of End Component of SPPMLSM at the outer Region）
• 3.2.11 SPPMLSM 初次级完全耦合区域磁阻力的端部分量三角插值建模（Triangle Interpolation Model of End Component of SPPMLSM at Complete Coupling Region）
• 3.2.12 减小端部分量三种优化结构（Three Optimal Structures of Reducing End Component）
• 3.2.13 改变端部形状的优化结果（Optimal Results Changed End Shape）
• 3.2.14 磁阻力的测量装置（Measurer Devices of Detent Force）
• 3.3 PMLSM 出入端磁阻力齿槽分量分析（Tooth-slot Component of Detent Force of PMLSM At the outer Region）
• 3.3.1 二维有限元模型及参数（2-D Finite Element Model and Parameters）
• 3.3.2 原始模型的仿真结果及分析（Simulated Results and Analysis of the Original Model）
• 3.3.3 改变端部槽形后的磁阻力的仿真结果及分析（Simulated Results and Analysis of Detent Force Changed End Slot Shape）
• 3.3.4 实验结果及分析（Experimental Results and Analysis）
• 3.4 DPPMLSM 磁阻力的端部分量分析（Analysis of DPPMLSM Detent Force End Component）
• 3.5 本章小结（Brief Summary）
• 4 SPWM-VI-SPPMLSM 的非线性建模
• 4.1 引言（Introduction）
• 4.2 逆变器的数学模型（Inverter Model）
• 4.2.1 电压源正弦波脉宽调制型逆变器（SPWM-VI）
• 4.2.2 电压源正弦波脉宽调制型逆变器的拓扑结构（Topological Structure of SPWM-VI）
• 4.2.3 电压源正弦波脉宽调制型逆变器的 MATLAB 建模（MATLAB Model of SPWM-VI）
• 4.3 SPWM-VI-SPPMLSM 的场路耦合方程（Coupling Method of Field and Circuit of SPWM-VI-SPPMLSM）
• 4.3.1 外电路方程（Outer Circuit Equations）
• 4.3.2 初级齿槽区域电磁场方程（Electromagnetic Field Equations in Primary Tooth-slot Zone）
• 4.3.3 动子永磁体区域电磁场方程（Electromagnetic Field Equations in PM Zone）
• 4.3.4 气隙区域和动定子铁芯区域电磁场方程（Electromagnetic Field Equations in Air-gap Zone and Mover Yoke）
• 4.3.5 样机模型及参数（Prototype Model And Parameters）
• 4.3.6 计算结果（Calculated Results）
• 4.3.7 试验结果（Experimental Results）
• 4.4 PMLSM 空载电势计算
• 4.5 基于非线性磁链的 SPWM-VI-PMLSM 状态相量次初级完全耦合模型（State Vector Model of Nonlinear Flux Link of SPWM-VI-SPPMLSM in complete Coupling Zone of Primary and Secondary）
• 4.6 基于非线性磁链的 SPWM-VI-SPPMLSM 状态相量次初级非完全耦合模型（State Vector Model of Nonlinear Flux Link of SPWM-VI-SPPMLSM in Incomplete Coupling Zone of Primary and Secondary）
• 4.6.1 磁链的支持向量机模型（Support Vector Machine Model of Flux Link）
• 4.6.2 SVM 优化算法的理论基础（SVM Optimal Algorithmic Theory）
• 4.7 本章小结（Brief Summary）
• 5 SPWM-VI-SPPMLSM 特性研究
• 5.1 引言（Introduction）
• 5.2 PMLSM 稳态特性分析（Steady State Characteristics Analysis of PMLSM）
• 5.2.1 正弦电压源与 SPWM-VI 供电下的 PMLSM 稳态性能分析（Steady State Characteristics Analysis of PMLSM Driven by S-VS and SPWM-VI）
• 5.2.2 不同载波比的 PMLSM 稳态特性（Steady State Characteristics of PMLSM with Vary Load-Ratio）
• 5.2.3 不同正向负载的稳态性能分析（Steady State Characteristics Analysis of PMLSM with Vary Load Conditions）
• 5.3 PMLSM 动态特性分析（Dynamic Characteristics Analysis of PMLSM）
• 5.3.1 负载突变性能计算（Load Sudden Change Performance Calculation）
• 5.3.2 计算结果（Calculated Results）
• 5.3.3 分析与探讨（Discussion and Analysis）
• 5.3.4 负载突变的试验结果（Testing results of Load Sudden Change）
• 5.4 本章小结（Brief Summary）
• 6 SPWM-VI-DPPMLSM 模型及特性研究
• 6.1 引言（Introduction）
• 6.2 DPPMLSM 非线性状态模型建立（non-linear model of DPPMLSM）
• 6.3 DPPMLSM 的稳态特性仿真（Steady State Characteristics Simulations of DPPMLSM）
• 6.4 DPPMLSM 的稳态特性试验结果（Steady State Characteristics Experimental Results of DPPMLSM）
• 6.5 DPPMLSM 提升系统失电保护分析（Losting Power Analysis of Elevator Driven by DPPMLSM）
• 6.6 结果分析（Results Analysis）
• 6.7 外串电阻对 DPPMLSM 发电制动性能的影响仿真（Simulations of the Effect of Out-Series Resistance on DPPMLSM Braking Performances）
• 6.8 本章小结（Brief Summary）
• 7 结论与展望
• 7.1 本文的主要工作和创新点（Main Works and Creative and Original Things）
• 7.2 进一步工作的设想（Prospects）
• 参考文献
• 附录Ⅰ 试验系统
• 作者简历
• 学位论文数据集