电磁永磁混合型EMS磁悬浮非线性控制算法研究

针对电磁永磁混合磁悬浮这一种特殊非线性系统,深刻分析被控对象特性后,指出普通状态反馈控制方法的不足,根据系统的特性提出一种非线性反馈控制方法,并通过反馈线性化理论证明其合理性。为进一步改善控制效果,提出重构速度信号,延长大速度信号的作用时间,在满足系统正常响应速度的情况下,增加电磁铁向上运动的阻尼,抑制电磁铁向上方向的超调,从而避免磁铁撞击甚至吸死轨道。最后通过实验验证算法的有效性。

锂电池储能在电磁发射中的应用

随着电磁发射技术的发展,储能环节成为其中不可或缺的一部分。对基本储能单元需求进行分析,以用电系统功率和能量需求为牵引,以储能系统体积重量适装性最优为目标,充分对比现有各类电池参数指标,从安全性、功率密度、能量密度和循环寿命四个方面进行考虑,确定基本储能单元类型为锂电池。面对舰上不同电磁发射设备电压、电流的需求,需要研究能够实现锂电池组快速灵活串并转换的拓扑结构。在实现电池组稳定并联之前,需保证电池组的一致性,因此需计算出电池荷电状态并进行均衡;针对短脉冲大倍率连续放电工况下荷电状态估算不准确的问题,提出以蓄电池组作为研究对象,采用动态辨识方法进行估算。由于各电池组之间存在不一致性,并联起来放电时可能导致输出电流不均衡,使得本来就处于高倍率放电的电池组超限使用,因此将提出一种电池组均流方法来解决此问题。

磁悬浮列车的涡流制动

结合德国TR07磁悬浮列车的涡流制动装置,分析线性涡流制动的电磁机理。用解析法分析其制动过程中的电磁机理,推导出涡流制动特性方程,并与有关的试验曲线比较,理论计算值与试验值基本吻合,说明特性方程能正确地反映涡流制动力大小与各物理量之间的关系。

电磁发射电池组杂散电感提取方法

在电磁发射锂离子电池储能系统中,电池组杂散电感的准确提取对合理设计系统方案具有重要意义。针对该需求,对电池组脉冲放电过程进行建模与分析,得到适合杂散电感提取的放电阶段。通过将离散傅里叶变换求解数值微分的方法更改为滑动窗递推形式,并与多新息最小二乘算法结合,从而提出一种可充分利用波形数据的杂散电感提取方法。通过实际的电池组脉冲放电测试波形对该方法进行验证,结果表明该方法相比传统方法能更加准确、可靠地提取电池组的杂散电感,在不同放电电流下的提取结果具有很好的一致性。

永磁电磁混合磁悬浮列车吸死防护技术研究

相对传统的电磁型磁悬浮(EMS)列车,永磁电磁混合型磁悬浮(PEMS)列车可以降低功耗、减少发热,还可以实现大气隙悬浮,但存在吸死的可能是目前阻碍其向工程应用发展的最大障碍,提出一种新型永磁电磁混合磁铁结构,使得系统具备冗余性,并通过理论和仿真分析新结构的合理性和有效性,能很好地完成悬浮和吸死防护任务,分析了相应的控制器改造的可行性。

基于TMS320F28335的磁浮列车数字控制器设计

悬浮控制算法最终需依托具体的控制器软硬件来实现,控制算法和软件的发展也要求控制硬件相应地升级。在此介绍了描述新一代悬浮控制系统软硬件平台的开发过程,以TMS320F28335为核心设计适用于磁浮列车的数字控制器,并应用于实验车上与旧控制器作比较,实验结果验证了新控制器的有效性和可靠性。

EMS和PEMS磁浮系统斩波器研究

结合纯电磁型磁悬浮和永磁电磁混合型磁悬浮的原理,研究各自斩波器主电路,通过理论分析,研究斩波器单个控制周期以及相对长时间的工作过程,指出PWM(Pulse Modulator Module)占空比对相对长时间内电流变化速度的影响,并推导出稳态电流与PWM占空比的关系式;分析如何选择控制周期的合理值,使斩波器工作在良好状态,最后指出只要采用合适的控制方法,永磁电磁混合型磁悬浮的斩波器也适用于纯电磁型磁悬浮。

针对磁浮列车过弯的鲁棒控制方法

考虑磁悬浮列车通过弯道时电磁铁上表面与轨道下表面发生错位,相对磁极面积减少情况下的控制问题,将相对磁极面积视为不确定性参数,引入相对磁极面积摄动,再针对磁悬浮非线性系统设计动态输出反馈控制器,并将控制器设计问题转换为H∞控制问题,使得系统不管电磁铁与轨道之间如何错位,只要没有超出电磁铁的承载力,就可以稳定悬浮,顺利通过弯道。

混合储能中电容器电压精确控制策略研究

多级混合储能受初级能源蓄电池限制,存在电容器电压调节精度低的问题。为了实现舰载电磁发射装置的能级调节,提高混合储能电容器充电精度,采用闭环反馈电压调节方式控制充电电压。通过实验验证闭环反馈控制存在延迟、续流过充。提出延迟、续流补偿方法,利用蓄电池的提前关断补偿过充能量,达到电容器电压精确控制目的。进行实验,结果显示未处理电路电容充电精度为120 V,采用闭环反馈后存在最大223 V过充,进行补偿后充电精度达到35 V以内甚至更低。此方法针对混合储能结构特殊性,提高了充电精度,能够满足舰载电磁发射的能级调节。

电磁发射用多级混合储能充电策略优化

时序串联充电策略用多组蓄电池并联来满足功率需求,过高的并联数使系统体积、重量过于庞大不利于工程化。本文在普通时序串联电容充电方法基础上,提出一种快速充电优化方案,能够在保证充电速度的前提下降低并联数。首先并联电池组对电容充电,之后通过切换电路结构,将电池系统转化为串联继续充电,同时改变电路限流电感值保证电池处于极限工况。仿真结果表明,普通时序串联法与优化方法都可在3s内将600m F电容器充满,但优化方案将蓄电池并联数减少1/3,极大降低了系统成本、体积与重量。搭建充电策略优化的实验平台进行实验,实验波形与仿真波形基本一致。验证了优化方案的正确性,为混合储能更好地应用于大功率电磁发射奠定了基础。

电磁发射用多级混合储能充电方式对比

从工作原理、器件参数指标、系统效率、纹波系数等方面深入研究对比了蓄电池到脉冲电容器的三种充电方式:直流斩波、恒压、台阶升压,并建立了仿真模型。理论推导与仿真结果显示台阶升压充电效率达到0.911,远高于恒压方式的0.5,其对于晶闸管等器件的参数指标要求却是直流斩波的1/n(n为电池组分组数),并且能在不增加开关损耗的基础上将纹波系数限制在16%,甚至更低。利用混合储能样机进行了台阶升压实验,所得数据与仿真波形吻合较好。结果表明,台阶升压方式最适合应用于混合储能。

电磁轨道发射器动态发射过程的数值模拟

针对电磁轨道发射器动态发射过程的数值模拟问题,基于矢量磁位A和时间积分标量电位V,采用节点单元法,并选择运动坐标系描述运动问题,推导出动态发射下的电磁轨道发射器三维涡流场有限元离散方程。结合温度场控制方程,建立电磁轨道发射器的三维电磁-温度耦合有限元模型。针对一个电磁轨道发射器动态发射问题,对模型进行数值模拟,得到了动态发射下轨道及电枢的温度场分布特点及发射器电感梯度随时间的变化规律。计算结果表明,模型计算出的脉冲电流峰值、出口电流大小、出口速度等参数均与试验结果吻合较好,验证了所开发的有限元程序代码的正确性。

电磁轨道发射装置磁热耦合数值计算方法

针对导轨式电磁发射装置动态发射过程中的物理场计算问题,基于发射装置的二维控制方程,推导出相应的有限元离散方程,并根据计算模型的特点,采用自由度平移法处理运动问题保证求解区域不变,建立了考虑摩擦热下的电磁-温度-运动耦合场有限元数值计算模型。根据模型计算得出了不同电枢运动下的电流密度及磁场分布,并分析了温度场在电枢轨道接触面的分布特性,结果表明:电枢运动速度越大,速度趋肤效应越明显,枢轨接触面处的电流密度、接触压强及温升越大。

混合储能蓄电池组放电均衡优化研究

首先,以电磁发射用混合储能系统蓄电池组铅酸电池为研究对象,分析了储能系统放电过程中可能带来的蓄电池组一致性问题;其次,在研究电池模型的基础上,结合蓄电池放电均衡方法,分析了基于电池组容量的均衡指标;再次,针对混合储能系统放电电路的特点,提出了一种以蓄电池组均衡一致性为优化目标的放电均衡策略,改进了放电结构并实现了铅酸电池的放电均衡;最后,对比了改进前后的放电电路并进行了仿真分析,并在混合储能蓄电池组平台上进行了实验,实验结果验证了该放电均衡策略的可行性。

导轨式电磁发射装置电枢熔化波有限元计算

针对单元烧蚀算法精度较低的问题,基于导轨式电磁发射装置的二维控制方程,推导出采用求解量移动法处理运动问题的伽辽金有限元离散方程,建立了电磁-温度-运动耦合场有限元计算模型。以单元节点为烧蚀判断对象,采用节点烧蚀算法处理电枢材料烧蚀问题,建立了电枢熔化波模型,对运动电枢的烧蚀速度进行了数值计算。模型的计算结果表明:在激励电磁感应强度为40T、电枢运动速度为150m/s的情况下,采用节点烧蚀法得到的熔化波烧蚀速度为Barber理论模型计算值的94%,而相关文献采用单元烧蚀法的计算值为Barber理论模型计算值的73%。因此,与采用单元烧蚀法相比,采用节点烧蚀法的计算值与Parks和Barber两个经典理论模型的计算值更加相近,验证了该方法的正确性。

电磁发射用多级混合储能装置充电策略

针对多级混合储能装置这种特殊、新型储能结构必须实现蓄电池到脉冲电容器的快速充电才能充分展现其技术优势的特点,首先在时序串联充电策略基础上提出了一种效率更高的改进充电策略,在蓄电池组数不变的情况下首先并联电池组对电容充电,电压达到一定水平后改变电路结构即将并联电池组转换为串联继续对电容器充电,从而提高充电效率;然后,建立了仿真实验平台,对改进策略和此策略中引入的系数α进行了分析,结果显示:α的不同取值对充电效率与恒流区宽度有较大影响,改进后充电效率提高最多可达40.7%。蓄电池到脉冲电容的新型充电策略极大地提高了充电效率,为混合储能更好地应用于电磁发射奠定了理论基础。

考虑电枢运动下的电磁轨道发射装置数值计算方法

对于滑动电接触问题,以矢量磁位A和时间积分标量电位V为变量,采用棱边单元法,选择v·A=0作为树规范,可在A和V均连续的情况下,同时满足磁场强度H、磁感应强度B、电场强度E和电流密度J的分界面连续条件。采用罚函数保证轨道电流流入端口的边界条件,采用自由度平移法处理运动问题保证求解区域不变,最终建立了电磁轨道发射装置的二维有限元数值计算模型。模型计算结果与D.Rodge的模型计算值的对比分析结果验证了该模型的正确性。

单级同步感应线圈炮堵驻电磁力研究

堵驻状态下,单级同步感应线圈炮(SSICG)的电枢位置固定,电枢与线圈间的互感和互感梯度保持不变,且电磁力与线圈电流平方存在一定的线性关系。分别利用Matlab和Ansoft软件建立了SSICG电流丝等效电路模型以及有限元模型,对不同放电电压下的堵驻电磁力进行了仿真计算。最后利用实验室设计生产的SSICG样机对堵驻电磁力进行了测量,试验数据与仿真结果吻合较好,验证了电磁力与线圈电流平方的线性关系,为SSICG动态发射提供了试验基础。

永磁电磁型低速磁悬浮车轨耦合振动抑制新方法

针对永磁电磁混合磁浮列车静浮实验中遇到的车轨耦合振动问题,首先建立考虑轨道弹性的系统数学模型,分析产生振动的原因,提出了通过设置非线性饱和环节、动态调整饱和阈值来抑制车轨耦合振动的新方法。系统在平衡点附近时通过调整饱和阈值来改变控制输出的幅值特性,逐步消除引起共振的能量,从而达到抑制振动的目的,系统在偏离平衡点时,快速释放饱和环节,进而提升控制器的调节能力和抗干扰能力。

采用多模式控制的电磁发射蓄电池充电谐波抑制方法

针对电磁发射蓄电池组大倍率快速充电过程中的电网谐波陡增问题,提出多模式模糊滞环控制谐波抑制方法。结合电磁发射混合储能系统的时序串联拓扑结构,说明蓄电池的超大倍率充电应用工况和策略,进而介绍蓄电池充电的拓扑结构,明确谐波的来源、特点和产生原因。在分析单台充电机充电时的电网谐波电压和谐波电流的基础上,研究不同充电机并充台数、不同充电电流情况下电网谐波电压和谐波电流的分布规律。设计多模式控制方法的组成方式和切换判据,建立蓄电池充电机、瞬时无功功率检测、谐波抑制、多模式控制的仿真模型。仿真和试验数据表明:谐波抑制方法能够快速抑制电磁发射蓄电池充电机大规模启停、波动时的谐波陡增问题,补偿效果满足国家标准。