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        船用復(fù)合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)軸帶電機(jī)設(shè)計(jì)及SVPWM控制

        2018-10-16 04:55:12秦俊峰袁建斌余培文鄧棋文
        中國(guó)航海 2018年3期
        關(guān)鍵詞:軸帶徑向矢量

        秦俊峰, 袁建斌, 余培文, 鄧棋文

        (1.欽州學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院,廣西 欽州 535000;2.大連海事大學(xué) 船舶電氣工程學(xué)院,遼寧 大連 116026;3.廣東海洋大學(xué) 航海學(xué)院,廣東 湛江 524088)

        船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)[1]由推進(jìn)主柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī),充分利用推進(jìn)柴油機(jī)裕量功率達(dá)到節(jié)能的目的,具有提高柴油機(jī)運(yùn)行效率、減少柴油發(fā)電機(jī)組使用時(shí)間、減少燃油消耗、增大機(jī)艙可用空間和降低維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)[2]。20世紀(jì)70年代初,軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)已開(kāi)始裝船,且被廣泛應(yīng)用于大中型集裝箱船上[3-4]。在北部灣等內(nèi)河地區(qū),采用主機(jī)軸帶發(fā)電的中小型船舶也已經(jīng)投入使用[5]。

        當(dāng)前,船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)多采用三相同步發(fā)電機(jī),它屬于徑向磁場(chǎng)電機(jī),具有冷卻困難、鐵芯利用率低和響應(yīng)速度相對(duì)較慢等缺點(diǎn)。而新興的復(fù)合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)電機(jī),結(jié)合原有的徑向磁場(chǎng)電機(jī)和軸向磁場(chǎng)電機(jī),進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和電機(jī)磁路優(yōu)化,使其性能更適用于船舶和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域[6]。2008年前后,哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍教授研究了多種不同的永磁式復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī),包括軸向-徑向復(fù)合磁場(chǎng)[7]、徑向-徑向復(fù)合磁場(chǎng)電機(jī)[8]、軸徑向-軸向復(fù)合磁場(chǎng)[9]、軸徑向-徑向復(fù)合磁場(chǎng)[10],并成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車中。2011年,哈爾濱理工大學(xué)研究了軸-徑向復(fù)合磁通全超導(dǎo)同步電機(jī),并分析電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)的變化情況[11]。但很少有文獻(xiàn)研究復(fù)合結(jié)構(gòu)軸帶電機(jī)在船舶中的應(yīng)用。

        對(duì)于軸帶發(fā)電機(jī)的控制,基于Z源逆變器的空間電壓矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)控制技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的逆變器控制,使直流側(cè)電壓利用率較高、開(kāi)關(guān)損耗較小。文獻(xiàn)[12]提出將SVPWM控制策略應(yīng)用于船用軸帶發(fā)電機(jī)的整流過(guò)程中,具有一定的參考價(jià)值。文獻(xiàn)[13]在Z源逆變器的SVPWM控制中采用插入直通零矢量的方式實(shí)現(xiàn)升壓功能。文獻(xiàn)[14]將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SVPWM應(yīng)用于Z源逆變器中,此時(shí)電壓和電流波形更好,但控制算法較復(fù)雜。

        基于此,本文以中小型內(nèi)河船舶為研究對(duì)象,提出軸-徑向復(fù)合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的軸帶電機(jī),采用解析法和有限元分析法確定電機(jī)各項(xiàng)參數(shù),運(yùn)用Ansoft maxwell 14.0軟件進(jìn)行性能驗(yàn)證。然后,在MATLAB/SIMULINK中搭建基于船舶軸帶發(fā)電機(jī)Z源逆變器的SVPWM控制模型,通過(guò)仿真進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電機(jī)性能良好,所采用的Z源逆變器SVPWM控制算法可行。

        1 船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

        船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中,軸帶發(fā)電機(jī)為本文所設(shè)計(jì)的復(fù)合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)電機(jī),逆變器采用Z源逆變器,通過(guò)SVPWM和PQ控制,同其他發(fā)電機(jī)組G1、G2等并到船舶電網(wǎng)中[15]。船舶柴油機(jī)通過(guò)齒輪箱與軸帶發(fā)電機(jī)相連,拖動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)逐漸達(dá)到所需求的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而推動(dòng)螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)。

        軸帶發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率見(jiàn)圖2。

        1)當(dāng)船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40%時(shí),軸帶發(fā)電系統(tǒng)停止運(yùn)行,全船由輔助柴油發(fā)電機(jī)組供電。

        2)當(dāng)船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的40%~75%時(shí),通過(guò)Z源逆變器的升降壓作用,發(fā)電機(jī)整流后輸出的電壓滿足并網(wǎng)要求,無(wú)需柴油機(jī)組輔助發(fā)電,減少能源消耗。

        3)當(dāng)船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的75%~100%時(shí),軸帶發(fā)電系統(tǒng)輸出額定功率,Z源逆變器工作處于正常狀態(tài),即常規(guī)逆變器工作狀態(tài),為電氣負(fù)載供電。

        2 復(fù)合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)軸帶電機(jī)設(shè)計(jì)

        2.1 復(fù)合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)軸帶發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)確定

        軸徑向軸帶發(fā)電機(jī)基本機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖3,其中定子采用表面開(kāi)槽的條形結(jié)構(gòu),定子繞組直接環(huán)繞條形定子上面,運(yùn)用雙轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu),在轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)放置兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同且極性相對(duì)的磁極。電機(jī)轉(zhuǎn)子采用離心凸極結(jié)構(gòu),通過(guò)磁極寬度、磁極高度、極靴寬度及極靴高度等磁極尺寸參數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。電機(jī)繞組采用集中勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)。

        2.2 復(fù)合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)軸帶發(fā)電機(jī)的參數(shù)確定

        根據(jù)中小型內(nèi)河船舶的要求確定電機(jī)額定功率PN=5 kW,額定轉(zhuǎn)速nN=1 500 r/min,需考慮電機(jī)氣隙磁密、空載反電動(dòng)勢(shì)和齒槽轉(zhuǎn)矩等參數(shù)與電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。

        2.2.1氣隙磁密

        在電機(jī)設(shè)計(jì)中,要求氣隙磁密呈正弦分布,即

        (1)

        在轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中,采用離心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),即在磁極正中心處采用最小氣隙,在磁極的極尖處采用最大氣隙,以保證氣隙磁密波形正弦度較高,轉(zhuǎn)矩紋波較少,進(jìn)而提高電機(jī)的使用壽命。

        2.2.2反電動(dòng)勢(shì)

        根據(jù)定義,電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)為

        (2)

        式(2)中:Φ(θsr)為電樞繞組的磁通有

        (3)

        由式(2)可知,多個(gè)參數(shù)會(huì)影響反電動(dòng)勢(shì)的正弦度及諧波總失真率(Total Harmonic Distortion,THD)。在電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后,反電動(dòng)勢(shì)主要取決于永磁體離心高度與極弧系數(shù)的配合。

        2.2.3齒槽轉(zhuǎn)矩

        齒槽轉(zhuǎn)矩可表示電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)能量相對(duì)位置角的導(dǎo)數(shù)[13],即

        (4)

        (5)

        由式(4)和式(5)分析可知,通過(guò)合理選擇槽口寬度bs0,可使GnNp的值盡可能接近于零,以達(dá)到抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。

        根據(jù)上述電機(jī)基本性能要求及主要參數(shù)影響,結(jié)合Ansoft Maxwell 14.0空載反電動(dòng)勢(shì)波形和空載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),可得電機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

        2.3 復(fù)合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)軸帶發(fā)電機(jī)有限元仿真分析

        根據(jù)上述電機(jī)基本參數(shù)在Ansoft Maxwell 14.0中搭建電機(jī)基本結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖4。 建好后對(duì)電機(jī)進(jìn)行剖分見(jiàn)圖5。

        圖6為電機(jī)在空載和額定負(fù)載狀態(tài)下的磁密分布圖。圖6a)為電機(jī)工作在空載狀態(tài)下,圖6b)為電機(jī)工作在額定負(fù)載狀態(tài)下。由圖6可知,定子和轉(zhuǎn)子軛部磁密在空載時(shí)都不超過(guò)1.6 T;在額定負(fù)載情況下,不超過(guò)1.8 T,均滿足電機(jī)設(shè)計(jì)的約束條件。

        圖6 電機(jī)在不同工況下的磁密分布

        電機(jī)氣隙磁密曲線見(jiàn)圖7。徑向磁密Bn最大值≤1.0 T,且呈正弦規(guī)律變化,諧波畸變率約為8.142%;切向磁密Br最大值≥0.2 T,在設(shè)計(jì)過(guò)程中基本可忽略不計(jì),滿足設(shè)計(jì)要求。

        電機(jī)空載時(shí)的轉(zhuǎn)矩見(jiàn)圖8,可看出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的周期為1 ms,轉(zhuǎn)矩最大值為10.701 4 mN·m,最小值為-17.077 6 mN·m,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低于額定轉(zhuǎn)矩(31. 83 N·m)的1%,滿足設(shè)計(jì)要求。

        電機(jī)A、B、C三相的空載反電動(dòng)勢(shì)波形(見(jiàn)圖9a),三相反電動(dòng)勢(shì)均呈正弦規(guī)律分布,互差120°。圖9b)和圖9c)為C相空載反電動(dòng)勢(shì)波形及其FFT(Fast Fourier Transformation)分析波形,利用Ansoft中自帶的功能求解諧波畸變率THD為2.947 8%,有效值(RMS)為321.310 4 V,與理論設(shè)計(jì)的320 V較接近,滿足設(shè)計(jì)要求。

        綜上,所設(shè)計(jì)的電機(jī)滿足基本性能要求,可進(jìn)行下一步的控制研究。

        3 船用復(fù)合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)軸帶電機(jī)控制

        為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電機(jī)能正常運(yùn)行及Z源逆變器的升壓和并網(wǎng)能力,搭建基于SVPWM的電機(jī)控制模型。

        3.1 Z源逆變器的SVPWM控制原理

        同傳統(tǒng)三相橋式逆變器相比,Z源逆變器多了直通零矢量,但也是通過(guò)橋臂開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變控制的[18]。基于SVPWM的Z源逆變器矢量圖見(jiàn)圖10。

        在Z源逆變器中,根據(jù)傳統(tǒng)的電壓源逆變器,可設(shè)電壓為

        (6)

        式(6)中:Ua、Ub、Uc為逆變器三相輸出電壓的瞬時(shí)值;j為虛數(shù)單位。將非直通狀態(tài)時(shí)的輸出電壓um的1/2作為基準(zhǔn),空間矢量歸一化后即可得到與傳統(tǒng)SVPWM類似的空間矢量:6個(gè)有效矢量模長(zhǎng)均為4/3,2個(gè)非直通零矢量,7個(gè)直通狀態(tài)零矢量。其中,每個(gè)矢量的開(kāi)關(guān)狀態(tài)見(jiàn)表2。

        表2 Z源逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)表

        參考電壓可以表示為

        (7)

        (8)

        從而可解得

        (9)

        (10)

        3.2 仿真驗(yàn)證

        根據(jù)上述Z源逆變器SVPWM工作原理在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型。

        實(shí)船中,匯流排的交流電壓為380 V,則仿真中設(shè)置交流電壓為380 V,SVPWM算法中的直流電壓設(shè)置為500 V,周期設(shè)置為0.000 2 s,通過(guò)選擇不同的直通零矢量工作時(shí)間,即不同的直通零矢量占空比,逆變器輸出的線電壓波形見(jiàn)圖11。A相并網(wǎng)電壓和電流波形圖見(jiàn)圖12。

        在圖11中,直通零矢量工作時(shí)間設(shè)為t0=0.000 03 s,則零矢量占空比為15%,Z源逆變器輸出的線電壓約為600 V。在圖12中,直通零矢量工作時(shí)間設(shè)為t0=0.000 05 s,則零矢量占空比為25%,Z源逆變器輸出的線電壓約為750 V。

        由圖11可知:圖中的兩種情況均與式(8)的理論相符合。在直流電壓恒定時(shí),改變直通零矢量的占空比,可調(diào)節(jié)逆變器輸出的電壓幅值大小,即可以根據(jù)系統(tǒng)需求獲得要求的電壓。

        圖12為A相的并網(wǎng)電壓和電流波形。由圖12a)可知,在線電壓即電網(wǎng)電壓為380 V的情況下,相電壓的峰值約為310 V,與理論分析一致。由圖12b)可知,0~0.05 s時(shí)Z源逆變器處于升壓狀態(tài),在沒(méi)升到并網(wǎng)要求的電壓時(shí),相電流波形會(huì)發(fā)生畸變,經(jīng)過(guò)約0.05 s,Z源逆變器升壓升到了并網(wǎng)電壓要求值,從而波形趨于穩(wěn)定,峰值約為28 A。由圖12可知:相電流同相電壓是同相位的,且軸徑向復(fù)合磁場(chǎng)軸帶發(fā)電機(jī)用Z源逆變器的升壓能力和并網(wǎng)能力均能正常發(fā)揮。

        上述仿真波形驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的軸帶電機(jī)性能良好,不僅能保持相電流與相電壓同相位,且在直流電壓恒定時(shí),通過(guò)改變直通零矢量的占空比,還可以獲得系統(tǒng)要求的電壓。SVPWM控制算法實(shí)現(xiàn)了Z源逆變器的升壓能力和并網(wǎng)能力。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        軸帶電機(jī)應(yīng)用在船舶中,有助于節(jié)約能源、改善船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,提高船舶航行的可靠性和靈活性。應(yīng)用于中小型船舶的復(fù)合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)軸帶電機(jī)可改善傳統(tǒng)軸帶電機(jī)的性能缺點(diǎn),將Z源逆變器應(yīng)用到船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中,并在逆變電路控制中采用SVPWM策略可改善電機(jī)輸出電壓和電流性能。船舶軸帶電機(jī)具有非常廣闊的應(yīng)用前景,尤其是性能更優(yōu)越的復(fù)合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)電機(jī)將應(yīng)用到更多的船舶中。

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