Electromechanical Transient Modeling Analysis of Large-Scale New Energy Grid Connection

The synchronous virtual machine uses inverter power to imitate the performance of the conventional synchronous machine.It also has the same inertia,damping,frequency,voltage regulation,and other external performance as the generator.It is the key technology to realize new energy grid connections’stable and reliable operation.This project studies a dynamic simulation model of an extensive new energy power system based on the virtual synchronous motor.A new energy storage method is proposed.The mathematical energy storage model is established by combining the fixed rotor model of a synchronous virtual machine with the charge-discharge power,state of charge,operation efficiency,dead zone,and inverter constraint.The rapid conversion of energy storage devices absorbs the excess instantaneous kinetic energy caused by interference.The branch transient of the critical cut set in the system can be confined to a limited area.Thus,the virtual synchronizer’s kinetic and potential energy can be efficiently converted into an instantaneous state.The simulation of power system analysis software package(PSASP)verifies the correctness of the theory and algorithm in this paper.This paper provides a theoretical basis for improving the transient stability of new energy-connected power grids.

Predicting the electromechanical properties of small caliber projectile impact igniter using PZT dynamic damage constitutive model considering crack propagation

Block piezoelectric ceramics(PZTs)are often used in impact igniters to provide activation energy for electric initiators.Under the action of strong impact stress,PZTs release electric energy accompanied by crack initiation,propagation and crushing.At present,the electrical output performance of PZTs in projectile is usually calculated by quasi-static piezoelectric equation without considering the dynamic effect caused by strong impact and the influence of crack propagation on material properties.So the ignition parameters are always not accurately predicted.To tackle this,a PZT dynamic damage constitutive model considering crack propagation is established based on the dynamic impact test and the crack propagation theory of brittle materials.The model is then embedded into the ABAQUS subroutine and used to simulate the electromechanical response of the impact igniter during the impact of a small caliber projectile on the target.Meanwhile,the experiments of projectile with impact igniter impact on the target are carried out.The comparison between experimental and numerical simulation results show that the established dynamic damage model can effectively predict the dynamic electromechanical response of PZTs in the missile service environment.

Experimental study and electromechanical model analysis of the nonlinear deformation behavior of IPMC actuators

This paper develops analytical electromechanical formulas to predict the mechanical deformation of ionic polymer-metal composite (IPMC) cantilever actuators under DC excitation voltages. In this research, IPMC samples with Pt and Ag electrodes were manufactured, and the large nonlinear deformation and the effect of curvature on surface electrode resistance of the IPMC samples were investigated experimentally and theoretically. A distributed electrical model was modified for calculating the distribution of voltage along the bending actuator. Then an irreversible thermodynamic model that could predict the curvature of a unit part of an IPMC actuator is combined with the electrical model so that an analytical electromechanical model is developed. The electromechanical model is then validated against the experimental results obtained from Pt- and Ag-IPMC actuators under various excitation voltages. The good agreement between the electromechanical model and the actuators shows that the analytical electromechanical model can accurately describe the large nonlinear quasi-static deflection behavior of IPMC actuators.

Large nonlinear deflection behavior of IPMC actuators analyzed with an electromechanical model

This study presents an electromechanical engineering model for the analysis of the large deflection curves of ionic polymer-metal composite(IPMC)cantilever actuators under direct current(DC)voltages.In this paper,the longitudinal normal strain performance of the material was investigated using digital image correlation on a micro-scale.The deflection of the actuator is analytically obtained with the application of an elliptic integration method based on the relationship between strain gradient and excitation voltage,and the minimum excitation voltage is derived based on the assumption that the actuators have small deformations.The validity of the electromechanical model is then justified with the experimental results obtained from Pt-and Ag-IPMC actuators at various excitation voltages.The findings of this study confirm that the introduced electromechanical model can accurately describe the large nonlinear deflection behavior of IPMC actuators.

Effective electromechanical properties of cellular piezoelectret:A review

Due to the large quasi-piezoelectric d33 coefficient in the film thickness direction, cellular piezoelectret has emerged as a new kind of compliant electromechanical transducer materials. The macroscopic piezoelectric effect of cellular piezoelectret is closely related to the void microstructures as well as the material constants of host polymer. Complex void microstmctures are usually encountered in the optimum design of cellular piezoelectret polymer film with ad- vanced piezoelectric properties. Analysis of the effective electromechanical properties is generally needed. This article presents an overview of the recent progress on theoretical models and numerical simulation for the effective electromechanical properties of cellular piezoelectret. Emphasis is placed on our own works of cellular piezoelectret published in past several years.

数字孪生技术在电梯设计制造中的应用探索

在智能化、信息化技术与市场需求的推动下,电梯制造业的驱动模式由以往的产品驱动转变为用户驱动,为解决用户驱动背景下电梯制造过程存在的个性化定制问题,将数字孪生技术引入电梯设计与制造环节,建立了电梯数字孪生五维模型,并对五维模型中各个维度进行重点分析。基于MCD仿真平台对电梯的机电系统进行设计,总结分析了当前数字孪生的实践情况与后续扩展方向。

刮板输送机多永磁电机串联驱动新模式及关键技术

装备智能化是煤炭行业高质量发展的必然趋势,伴随着煤矿超大采高、超长工作面的建设,刮板输送机不断朝着重型长运距的方向发展,并且永磁直驱已逐渐取代“异步电机+减速器”成为刮板输送机的主要驱动方式,而传统双驱动刮板输送机存在停机率高、煤流分布不均且能耗大、跟踪性能差的问题,尤其长运距下链条张力波动大造成驱动电机电路涌动,已成为制约我国刮板输送机智能化发展的主要难题。根据刮板输送机面临的主要问题和发展需求,提出了刮板输送机多永磁电机串联“驱动-传动”输送新模式,并阐述了多永磁电机串联驱动刮板输送机这一研究领域涉及的关键技术研究现状,包括刮板输送机故障诊断与状态识别技术、多电机串联驱动“机-电”耦合动力学特性、多永磁电机同步控制技术、多智能体自适应协同控制,对于多驱动刮板输送机的设计研发具有一定的适应性和借鉴性;针对刮板输送机多永磁电机串联驱动系统研究面临的难题,将该系统分为4项关键科学技术:①多驱动刮板输送机新构型设计;②多驱动刮板输送机非线性机-电耦合动力学建模;③多驱动刮板输送机链条张力脉动与主动控制;④串联驱动刮板输送机主动容错与自适应协同控制;从结构设计与优化、整机运维控制实现刮板输送机多永磁电机串联驱动系统技术攻关,提高刮板输送机的智能化水平,促进煤机高端装备的水平和发展。

基于LES方法的新型涡激振动风能采集器俘能特性分析

以所研制的涡激振动能量收集器(VIVPEHS)为研究对象,联合开源软件OpenFOAM和Matlab对大涡模拟(LES)方程、二阶范德波尔(Van der Pol’s)方程和高斯定律(Gauss’law)进行涡街振动俘能耦合计算,建立流机电耦合VIVPEHS数值模型,同时搭建并列双圆柱VIVPEHS俘能测试平台对数值模型开展实验验证。结果表明:升/阻力、压电梁位移、机电转换效率和尾流形态的预测值与实验数据符合良好。实验和计算结果表明,当圆柱直径(D)不变时,随着俘能距离(Sn)的增加,输出电压先增大后减小,在S_(n)=8D时输出电压最大;随着负载阻抗的增大,输出功率先增大后减小,存在最优负载阻抗(25000Ω),此时并列双圆柱VIVPEHS的输出功率可达72 mW,且直接点亮21只商用LED。

基于分数阶自适应神经网络的电动舵机伺服系统摩擦干扰补偿控制

摩擦干扰力矩影响电动舵机伺服系统的跟踪性能,造成位置和速度跟踪偏差,甚至可能导致伺服系统不稳定。针对摩擦力矩干扰下的电动舵机伺服系统跟踪性能差的问题,本文提出了一种分数阶自适应神经网络摩擦补偿算法(FOANN),估计并补偿摩擦干扰力矩。首先,建立基于LuGre模型的电动舵机伺服系统模型,利用径向基神经网络估计模型中的不可测状态变量。其次,设计FOANN摩擦补偿控制器,利用李雅普诺夫稳定性理论证明电动舵机闭环系统的稳定性。最后,利用仿真和实验平台,对比分析了FOANN、传统PD控制和模型自适应控制的性能。结果表明,基于本文所提出的FOANN摩擦力矩补偿控制算法,电动舵机伺服系统的位置跟踪误差和速度跟踪误差均大幅减小,FOANN算法能够有效估计并补偿摩擦力矩,降低摩擦干扰对电机舵机伺服系统的影响,提高伺服系统的动态性能。

直动式机电运动装置的改进磁路-运动耦合模型及快速仿真

电磁阀、继电器等机电装置的动态性能快速仿真对研发设计非常重要.改进未磁饱和的直动式机电运动装置的磁路模型,并联合机构运动方程实现机电运动装置的快速仿真.与基于理想磁阻假设的常规磁路模型不同,改进磁路模型采用机构运动位移的3次多项式表示非饱和总磁阻,并通过上、下运动极限处静态磁力和电感仿真值标定多项式的4个待定系数,可更加准确地预测磁吸力和电感随运动位移变化.进一步联合改进的磁路方程与机构运动方程,得到改进的磁路-运动耦合模型,在Simulink系统中实现某电磁制动器和电磁阀的快速秒级仿真,可在保证计算精度的同时,大幅减少有限元仿真所需时间.

电力系统风力发电建模与仿真研究综述

对于大规模风电并网的电力系统安全稳定分析,构建合适准确的风电场模型至关重要。首先,梳理了现有风电机组的模型结构以及风电场的动态等值,阐述了风力发电系统的参数辨识方法。其次,介绍了电力系统中风力发电系统常用的时域仿真分析技术,主要综述了电磁暂态仿真、机电暂态仿真、中长期动态仿真、机电-电磁暂态混合仿真和数模混合仿真技术。然后,简述了风力发电系统建模与仿真的新进展。最后,分析了电力系统中风力发电系统的建模及其仿真技术面临的挑战与瓶颈,并结合新型电力系统的需求,对其建模与仿真技术进行了展望。

可调轴向力的振动压电俘能器建模与实验

针对传统能量收集器的工作带宽窄和输出功率低等问题,对一种可调轴向力的双稳态振动压电俘能器进行研究。该俘能器将两个压电悬臂梁自由端通过附加质量连接为一个梁,通过测微调节器控制轴向压力使系统变为双稳态结构。利用非保守力的拉格朗日方程对压电俘能器进行发电分析,建立了机电耦合模型。利用PZT5H压电材料搭建实验样机和平台,进行了系统俘能特性的调查研究。实验研究结果表明,仿真值预测的结构特性与实验结果一致性较好,该结构能有效拓展低频发电带宽,压电扫频输出具有两个明显低频峰值。利用实验对系统的负载参数进行优化,双稳态系统的电压输出峰值能达到17V。

电磁-机电暂态混合仿真在多能源系统动态建模中的应用研究

热力网络是多能源系统的重要组成部分。电网和热网建模机理和时间尺度存在较大差异,传统电力系统暂态仿真程序难以直接应用于电-热多能源系统动态仿真。根据电-热类比方法,采用基本电气元件构建了热力管道热路和水路等效电路模型。同时,基于查表法构建了计及设备运行特性的空气源热泵等效电路模型。为提高仿真效率,进一步提出了基于电磁-机电暂态建模框架的电-热多能源系统动态仿真方法。电网采用机电暂态建模,热网采用电磁暂态建模,空气源热泵模型作为接口模型,完成电网模型和热网模型之间的数据交互。电网模型与热网模型均采用毫秒级及以上仿真步长,实现了高效的多能源系统动态仿真。最后通过算例分析验证了所提模型和仿真方法的有效性。

行进间坦克炮控系统动力学建模与稳定控制

考虑行进间坦克炮控系统受路面颠簸引起的外界扰动和炮控系统工作时火炮俯仰运动不平衡力矩影响,基于第二类Lagrange方法建立行进间坦克炮控系统两轴耦合2自由度动力学模型。针对炮控系统的实际受力和运动状态,建立方位向和高低向驱动系统含有永磁同步电机以及传动机构分别含有齿轮减速箱与滚柱丝杠的行进间坦克炮控系统机电耦合动力学模型。为快速抑制行进间坦克炮控系统内外扰动对目标稳定跟踪的影响,基于非奇异快速终端滑模控制律和线性扩张状态观测器设计具有有限时间收敛特性的行进间坦克稳定跟踪控制器。根据行进间坦克炮控系统对目标的稳定跟踪过程计算炮控系统稳定精度和到位时间,并在不同工况下与传统控制方法进行对比。研究结果表明,新方法响应速度快、抗干扰能力强、稳定精度高,验证了控制器设计的有效性。

选择型直流输电控制系统实用机电暂态建模与参数校核方法

目前,国内高压直流输电技术分为两类:一是基于ABB、南瑞技术路线的限幅型直流,二是基于SIEMENS、许继技术路线的选择型直流。前者已有成熟机电暂态仿真模型,而后者尚缺乏深入研究,通常以限幅型模型近似代替,仿真结果与实际尚有一定差距,难以满足电力系统安全稳定计算的需求。该文在总结直流输电系统机电暂态建模原则的基础上,建立了选择型直流的精细化模型;利用轨迹灵敏度筛选出需校核参数,提出了基于实测数据的关键参数校核方法;并在中国通用的电力系统暂态稳定程序(powersystem department power tools-swing transient,PSD-ST)中开发实现,最后利用厂家电磁暂态仿真结果验证了模型的正确性。该文成果可改善直流控制系统模型缺失、仿真能力受限问题,有效提升机电暂态仿真程序的仿真精度。

斜坡式重力储能系统机械与电气联合仿真的多软件协同建模方法

重力储能具有安全性高、成本低、寿命长、存储能量无衰减、建设周期短及环境友好等优势。其中,斜坡式重力储能可以利用山体自然落差降低建设成本,并减少占用平地资源,是长时大容量储能领域的重要前瞻性技术之一。然而,斜坡式重力储能系统具有机械与电气动态高度耦合的特点,现有仿真模型难以完整描述其动态特性。针对该问题,本工作提出了一种斜坡式重力储能系统机械与电气联合仿真的多软件协同建模方法。首先,采用三维机械设计软件Solidworks建立包括斜坡、轨道、载重小车和质量块的机械系统框架模型;然后,将Solidworks中建立的模型导入多体动力学仿真软件Adams,并建立载重小车与链传动机构的联系,获得机械系统完整模型;最后,将Adams中的机械模型导入Simulink,并建立与电气模型的联系,从而获得机电联合仿真模型。将所提出的多软件协同仿真模型与Simulink独立仿真模型,在电网正常和异常工况下分别进行仿真对比,结果表明多软件协同仿真模型能够更加全面地描述斜坡式重力储能系统的动态特性。因此,多软件协同仿真模型能够更好地支撑对斜坡式重力储能的功率特性分析、安全性评估和机械参数优化设计等工作。

复杂环境应力下典型机电产品贮存-值班寿命加速试验方法研究

目的建立复杂环境应力下机电产品贮存-值班寿命加速试验方法。方法依据机电产品贮存-值班寿命剖面、环境因素及基准条件,考虑关键部件可能产生的环境效应与累积损伤,选取拟模拟与加速的环境因素,按照环境应力施加时序及损伤模型,提出一种综合考虑机电产品贮存-值班过程中温度、湿热、盐雾、太阳辐照、温度循环、振动和冲击等环境应力对其寿命影响的加速试验方法。结果建立了某典型机电产品复杂环境下贮存-值班寿命加速试验剖面。结论复杂环境应力下机电产品贮存-值班寿命加速试验充分考虑了机电产品在贮存-值班过程中经历的环境应力,能够在一定程度表征机电产品贮存-值班过程中各种环境应力的累积叠加效应。

一种体现构网型控制特征的柔性直流机电暂态改进建模方法

总结柔性直流采用构网型控制呈现的新特性并提出相应的机电暂态建模方法。通过分析,提出构网型控制替代跟网型控制给柔性直流带来的主要变化是:电压源支撑,故障穿越切换措施以及电流限幅方法。相对应的,构网控制型柔性直流机电暂态模型是对跟网控制型柔性直流模型的改进,包括将换流器与交流网络的接口由传统的一个交流仿真步长内的平均功率改为平均电压;增加故障穿越措施切换逻辑以及增加基于用户自定义的电流限幅措施。通过交直流间接口方法仿真对比,以及机电、电磁暂态模型故障模拟验证所提模型的有效性。该模型能高精度模拟构网控制型柔性直流在交流电网中的动态行为,具有良好的应用价值。

基于Modelica的半物理仿真代码生成方法研究

针对当前复杂机电系统的多领域模型不支持半物理仿真或者已有半物理仿真工具无法建立复杂机电系统多领域模型的问题,围绕目标代码生成这一关键技术,提出了两种由Modelica模型生成半物理仿真代码的方法。首先深入研究了Modelica模型直接代码生成技术,并详细描述了其实现过程。其次介绍了基于Simulink的联合建模方法及间接代码生成过程。最后通过示例对两种代码生成方法分别进行了应用验证。

机电设备中智能故障检测诊断技术的运用

以水利工程机电设备智能故障检测诊断技术为研究对象,通过DBN开展机电设备故障识别分类。介绍了DBN结构的运行原理及操作流程,基于水利工程机电设备特点,以KPCA—DBN模型为依托,以实验验证的方式开展水利工程机电设备细化故障诊断计算。基于KPCA—DBN模型数据进行机电设备运维管理,按照科学的运维管理流程强化管理质量。为进一步验证机电设备智能故障监测诊断的可靠性,以水利工程滚动轴承设备智能故障检测诊断为例,获取滚动轴承故障诊断实际应用数据,对故障结果数据进行分析,以提升水利工程机电设备故障的处理效果。