异步电机变速恒频车载取力发电系统研究

摘要

随着车载用电设备数量的不断增多以及设备精密度的不断提高，其对车载电源的容量大小及电源品质都提出了越来越高的要求。为了解决这一难题，同时不给本就相对狭窄的车辆空间增加额外负担，车辆“取力发电”技术应运而生。“取力发电”顾名思义是通过从车辆发动机“取力”带动电源系统中发电机旋转并产生电能，而车辆由于路况等原因，其发动机的转速处于不断变化的状态，因此为了得到频率稳定、品质良好的车载三相交流供电电源，将变速恒频技术运用于车载电源是一种较为合适的方案。
　　本文基于此提出了一种异步电机变速恒频车载取力发电系统，该系统要求满足原动机变转速且负载情况较复杂时能够输出稳定的三相交流电。系统中发电机选择结构简单、成本低且可靠性高的笼型异步发电机，主电路拓扑采用背靠背式变换器，同时变换器的直流母线电容采用分裂式电容。一方面背靠背变换器的前级配合异步发电机构成异步电机可控整流发电系统，另一方面背靠背变换器的后级配合母线分裂电容及输出滤波器构成分裂电容式三相四线制逆变系统。两个子系统的级联从而构成了本文的变速恒频独立电源系统。
　　本文在进行系统控制策略的设计时，首先“化整为零”，由于直流母线电容的存在实现了背靠背变换器前后级的解耦，因而可将系统看做两个独立的子系统，分别设计异步电机发电系统及分裂电容式三相四线制逆变系统的控制策略。异步电机发电系统采用转差频率控制策略，该控制策略无需进行坐标变换且适合电机宽转速运行。针对分裂电容式三相四线制逆变系统的拓扑特点，分别从改变电压控制器形式以及改变给定电压形式两个角度出发，各提出一种可实现每相电压独立控制的控制策略，即电压外环比例谐振（PR）调节的双环控制策略以及基于虚拟dq变换的双环比例积分（PI）控制策略，这两种控制策略均能实现逆变系统带不平衡负载的正常工作。本文随后“合零为整”，从“功率平衡”的角度出发，提出将后级逆变器的负载功率作为前馈加入到前级发电系统的控制环路中，从而提升系统整体性能。为了验证方案的可行性，首先搭建了基于Plecs的仿真平台，从理论上证明了方案的正确性；随后又搭建一台30kW实验样机，并进行了发电机变转速、不平衡负载等多种情况下的实验研究，实验结果证明系统具有良好的动静态特性。

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第一章 绪论

1.1 取力发电系统的研究概况

1.2 变速恒频发电系统的研究现状

1.3 离网型三相四线制逆变电源的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 变速恒频独立电源系统的工作原理及数学模型

2.1 变速恒频独立电源系统结构

2.2变速恒频独立电源的数学模型

2.3 变速恒频独立电源仿真模型的建立

2.4 本章小结

第三章 变速恒频独立电源系统的控制策略研究

3.1 异步发电机传统的三种控制方法

3.2 一种适用于宽转速范围的转差频率控制策略

3.3逆变器输出电压产生波形畸变的原因分析

3.4分裂电容式三相四线制逆变器的控制策略

3.5 变速恒频独立电源背靠背前后级协调控制

3.6 本章小结

第四章 变速恒频独立电源系统硬件及软件设计

4.1 系统结构及实验平台

4.2 主动率电路设计

4.3 数字控制器设计

4.4 系统软件设计

4.5 本章小结

第五章 变速恒频独立电源系统的仿真与实验

5.1 系统关键参数

5.2 系统仿真分析

5.3系统实验验证

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要工作

6.2 进一步工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参与的开发项目