能源与动力工程硕士论文范文10篇

来源: www.sblunwen.com 作者:lgg 发布时间:2018-11-11 论文字数:38471字
论文编号: sb2018111021414823682 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇能源与动力工程论文,能源与动力工程专业主要培养能源转换与利用和热力环境保护领域具有扎实的理论基础,较强的实践、适应和创新能力,较高的道德素质和文化素质的高级人才
本文是一篇能源与动力工程论文,能源与动力工程专业主要培养能源转换与利用和热力环境保护领域具有扎实的理论基础,较强的实践、适应和创新能力,较高的道德素质和文化素质的高级人才,以满足社会对该能源动力学科领域的科研、设计、教学、工程技术、经营管理等各方面的人才需求。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇能源与动力工程论文,供大家参考。
 

能源与动力工程硕士论文范文篇一

 
第 1 章 绪论
 
1.1 课题研究背景及意义
人类很早就开始利用风,公元前 200 年就有记载。19 世纪之前,社会生产力低,风能得到了广泛的利用;在进入 19 世纪之后,廉价的蒸汽机开始出现,加之当时燃料,风能的利用所占比重逐渐降到最低点。当今,随着人类验证自助领取彩金社会和各行各业的飞速发展,社会对能源需求量也在不断增加,尤其是对煤、石油等化石燃料需求越来越大。但是人类的大量开采和使用,这些资源在逐渐枯竭,导致几次资源危机的发生,尤其是 1973 年,发生的石油危机造成的影响最大;此外,直接燃烧化石燃料对环境也会造成严重的污染。同时,煤、石油也被誉为“工业的粮食”、“工业的血液”,燃烧只是利用了它们的化学能,造成很大的浪费。基于对环境保护的重视,对化石燃料的节约,世界各国纷纷把对可再生能源的利用作为将来的能源发展方向,而对风能的利用又是重要的组成部分,目前风能主要利用方式是发电。先将风的动能转变成机械动能,再将机械能转化为电能,这就是风力发电。它具有无污染、设备使用寿命长、范围广等优点,这也是其它传统发电方式不具备的优点。一般来说,当风速达到三级时就有利用价值,但一般超过 4 米/秒时才适合用来发电。根据实验数据,以一台 55kW 风力机为例,风速在 9.5 米/秒时,机组输出功率为额定值 55kW,;当风速为 8 米/秒时,功率减少为 38kW;风速在 6米/秒时,只有 16kW;而风速只有 5 米/秒时,仅为 9.5kW。因此风速越快,输出功率越大,验证自助领取彩金效益也越高。当前我国仍以火电机组为主,对煤炭等化石能源需求量巨大,且这些化石燃料不可再生,还是工业生产的重要原料,直接燃烧用于发电是很大的浪费,还会污染环境。风力发电是一种无污染的发电方式,且风能是一种可再生能源,符合我国的可持续发展战略。我国的风力资源丰富,大多数地区的年平均风速都在 4 米/秒以上,在西北、东北、青藏高原和东南沿海地区和部分岛屿,年平均风速更高;尤其是新疆山口地区,几乎全年都是大风天。在这些地区,发展风力发电是很有前景的。
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1.2 国内外研究现状
人类利用风力历史很长,但在数千年的时间里,主要是利用风能转化为其它形式的机械能,直到 1877 年才诞生第一台风力发电机。1941 年美国研制成功世界上第一台兆瓦级风力发电机,使得大规模风力发电成为了可能。然而当时化石燃料价格低廉,风力发电被边缘化,并未受到重视,直到 1973 年能源危机的发生,促使风力发电得到了较快的发展,1987 年,美国研制成功 3.2MW 风力发电机,与此同时,加拿大研制出 34MW 风力发电机组。到 2013 年底,有 16个欧洲国家、4 个亚太国家、4 个美洲国家风电装机容量超过 1000MW。2013 年加拿大新增装机容量 1599MW,28 个欧盟国家新增装机总容量达 11159MW,同时,巴西新增装机容量也接近 1000MW。我国是最早利用风能的国家之一,但利用风力发电起步较晚,直到 1986 年才在山东荣成建立第一座风力发电场。近年来我国风电发展较快,年风电装机容量以 10%以上的速度增长,2013 年我国新增风电装机容量 1609 万 kW,并在西藏建成该省第一座风电场,总装机容量超过 9000 万 kW,年发电量达134.0TWh,成为第三大电源,共有 16 个省(市)风力发电累计并网量超过 100万 kW。预计到 2020 年,风电装机容量将达到 2.5 万 kW。与此同时我国自主研发的风电设备所占比重也越来越大,2004 年仅 10%,到 2013 年超过 70%,价格也从“十一五”初期的 7000 元/kW 降到了 4000 元/kW。
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第 2 章 风力发电及运行仿真
 
2.1 风力发电
风能是一种清洁的可再生能源,风力发电是当前风能利用的主要形式,风力发电机主要有机舱、叶片、塔架、导流罩、风轮轴、齿轮增速箱、发电机、和风向标、风速仪等组成。机舱:装有并保护风力发电机重要设备。叶片:风力使叶片转动,将风能转化为机械能,传送到风轮轴。塔架:搭载风力发电设备,通常的,高度越高,风力发电机所受风速越大,叶片可以造得更大,输出功率也越大。导流罩:迎风状态时,风会沿着导流罩均匀分流,使每个叶片都接受相同的风力。风轮轴和齿轮增速箱:将叶片的机械能传送给齿轮增速箱,再通过齿轮增速箱加速后带动发电机发电。风向标和风速仪:目前风力发电机组最高只能承受 25 米/秒风速,因此需要时刻检测风速和风向。当风速超过最大设计时可立刻采取措施,保证整个设备的安全。风力发电机组有双馈型、永磁型等。风力发电也分为离网型风力发电系统和并网型风力发电系统。
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2.2 风速、贝兹理论、叶尖速比以及机械转矩
风速是指空气的移动速度。衡量风能是否能用于发电的指标通常是年平均风速。相较于励磁同步发电机,永磁同步发电机有着以下优点:(1)、结构简单、可靠性高。励磁发电机需要外加一个励磁绕组。当励磁绕组因电流过大导致发热时间过长时,可能会烧坏。永磁发电机采用永磁体提供磁场,不会引起发热等问题,使用寿命长,结构也较励磁绕组简单,造价低廉。(2)、体积小、重量轻。永磁体体积比励磁绕组小,相应的发电机体积也可以造得小,重量也得到减轻。(3)、效率高。励磁发电机需要励磁电源,以及碳刷、滑环,运行时增加了机械摩擦损耗。永磁发电机无需电励磁,理论上只有少量机械损耗,效率高。一般的,发电机转速在 25r/s~100r/s 时,励磁发电机效率只有 50%左右,而永磁发电机可达 80%。(4)、运行方便,成本低。风力发电机组一般都离地 20 米甚至更高,检修困难,采用励磁发电机装置励磁电源困难,且检修间隔时间短。永磁同步发电机检修间隔时间长,无需增加励磁设备。由于有着以上优点,本文以永磁同步发电机作为风力发电系统主机。永磁同步发电机的转子的磁链由永磁体磁场强度决定。将定子电压在q0d 同步旋转坐标系下进行分解,其中,同步旋转坐标系的 d 轴是转子磁链的方向。
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第 3 章 微电网及风力发电机并网最佳条件 ........16
3.1 微电网 ......... 16
3.2 风力发电机并网最佳条件 ..... 17
3.3 孤岛现象 ...... 20
3.4 孤岛检测法 ........ 21
3.5 孤岛检测仿真 .... 22
3.6 本章小结 ..... 24
第 4 章 风力发电机数量对并网暂态过程的影响 .......25
4.1 风力发电机数量对并网暂态过程的影响 ......... 25
4.2 风力发电机并网时微电网无电压电流 ...... 25
4.3 风力发电机并网时微电网有电压电流 ...... 30
4.4 小结 ...... 34
第 5 章 含风力发电机的微电网控制模式及仿真 .......35
5.1 微电网控制模式 ....... 35
5.2 结果与结论 ........ 42
5.3 本章小结 ..... 42
 
第 5 章 含风力发电机的微电网控制模式及仿真
 
5.1 微电网控制模式
随着社会的发展,微电网技术将越来越广泛地应用于日常生活中。生活用电负荷在一天中会出现很大的变化,如图 5.1 所示,其高峰和低谷相差了 4 倍,且在短时间内有一个爆发式增长,对电网将产生很大的扰动,如果微电网处于孤网运行时,其本身所带负荷较小,扰动会更严重,将产生很大的冲击电流,加速风力发电机绝缘结构老化,甚至直接损坏整个风力发电机,导致用户停电。因此,需采取相应的控制模式,将暂态过程的电流、电压变化控制在一个小范围内,保证微电网的稳定运行和风力发电机的安全。主从控制模式是将微电网中各个 DG 采取不同的控制方法,并赋予不同的职能。其中的一个或几个作为主控,其它作为“从属”。并网运行时,所有 DG均采用 P/Q 控制策略;孤岛运行时,主控 DG 控制策略切换为 U/f 控制,以确保向微电网中的其它 DG 提供电压和频率参考,负荷变化也随主控 DG 来跟随,因此要求其功率输出应能够在一定范围内可控,且能够足够快地跟随负荷的波动,而其他从属地位的 DG 仍采用 P/Q 控制策略。主控 DG 一般采用 DG+储能装置。此方案能充分利用利用储能装置的快速充放电功能和 DG 所具有的可较长时间维持微电网孤岛运行的优势,有效的抑制由于 DG 动态响应速度慢引起的电压和频率大幅波动问题。
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结论
 
本文以风力发电和微电网作为研究对象,采用 MATLAB/SIMULINK 对风力发电机以及微电网进行仿真,对结果进行分析,结合理论验证模型的正确性。本论文具体研究工作如下:
(1)、介绍风轮机以及永磁发电机原理并建立数学模型,以此为基础建立风力发电机模型进行仿真,验证建模的可行性。
(2)、对微电网进行了介绍,并建立风力发电机接入微电网模型,比较风力发电机在高电压、高频率和低电压、低频率并网时冲击电流峰值,通过结果分析确定微电网处于不同运行状态时风力发电机并网最佳条件。
(3)、介绍孤岛现象及各种孤岛检测法,并选择主动移频孤岛检测法进行仿真,通过实验可知在断开连接后 0.04s 可检测到微电网出现孤岛效应,因此该策略能快速、有效检测到孤岛现象。
(4)、在完成风力发电接入微电网模型的基础上,比较微电网在容量相同,风力发电机数量不同时对微电网暂态过程的影响,结果显示风力发电及数量即使不同,也不会对暂态过程产生影响。
(5)、概述微电网控制模式,并对 U/f 控制模式进行仿真,结果显示该控制模式能有效控制微电网突然接入较大负荷产生的扰动。
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参考文献(略)
 

能源与动力工程硕士论文范文篇二

 
第 1 章 引言
 
1.1 谐波问题及研究价值
20 世纪初,当德国研究者由静止变流器引起了电压、电流波形畸变提出了电力系统谐波的概念[1],同时,交流电以清洁方便且易传输控制的能源形式越来越广泛地应用。而伴随着电力电子技术的发展,以电力电子装置为主的各种非线性负载的使用日趋增多,他们广泛地应用在电力系统中,使得电力系统环境污染日益严重,因此,电力电子装置是造成电力系统谐波的主要原因,即为主要的谐波源。谐波电流和无功电流注入到电力系统这个大环境中,就引出了更多的电能质量问题,如电网电压和频率的偏差、电压波动及闪变、三相电压不平衡等[4],使得电能质量下降,影响了整个电力系统环境稳定及系统外的平衡。同时,随着社会的进步,电力电子装置使用数量的增多及容量的加大,使得谐波污染成为电力系统一大要害。世界各国都对谐波问题给予充分关注,需采取措施限制乃至消除谐波[8]。谐波研究的价值,首先是因其造成的危害相当严重。谐波降低了电能生产、传输和利用的效率,影响了电气设备的使用寿命;谐波可使电网产生串联或并联谐振,也可以使继电保护装置误动作,也对通信设备产生不利影响等。谐波研究的价值,其次在于其对电力电子技术自身发展的影响。现在电力电子装置产生的谐波污染已经阻碍了电力电子技术发展,它使研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究[2,6]。谐波研究的价值,还可以上升到治理电网污染、维护绿色“电网”来考虑。因此消除谐波污染,欲达到“绿色无谐”,己成为电力系统与电力电子技术中的一个重大课题。
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1.2 谐波的基本概念
谐波是与基波对应的一个概念,通常把谐波定义成一个信号,其频率是工频的整数倍[3]。当 20 世纪 20 年代的德国研究员提出了电力系统谐波的概念后,谐波就是污染的“角色”步入人们的视野。由 IEEE 标准 519-1981 中定义为:“谐波是一周期波或正弦波分量,其频率是基波频率的整数倍”[33]。近年来,因电力电子装置等各种非线性负载的广泛应用,谐波造成的危害和损失得到了人们的关注。但随着验证自助领取彩金技术水平的提高,仍有大量的非线性负载正在或即将投入使用,使得更多谐波涌入电力系统这个环境中。谐波所造成的危害可归纳如下[34]:理想的公用电网提供的电压都应有着单一固定的频率和幅值在允许范围内的电压。谐波使得电网供电质量变差,使得用电设备不能安全运行,使用寿命缩短;可能使已有的为补偿无功和滤除谐波的电容器或电抗器产生串、并联谐振等。谐波使用电设备产生附加的谐波损耗,不仅降低了电网发、输电及其他用电设备的效率,而且使三相四线制电路产生大量的零序谐波电流,其中最严重的是当第 3 次谐波电流流过中线,引起中线发热,有出现火灾的危险。除此之外,异常的和过大的中线电流的增加,会导致电网中线对底线的电压突增,将危及数据处理系统的安全。
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第 2 章 变频器谐波分析及谐波源模型建立
 
2.1 变频器的基本原理
(交-直-交)变频器依据的是 “面积等效原理”,即冲量相同而形状相异的窄脉冲,加在同一惯性环节上,其效果基本相同。所谓“效果基本相同”,是指环节的输出响应波形基本相同[42]。将加在电机绕组端的电压脉冲宽度按正弦规律调制后,其回路的电流波形为正弦波。图 2.1 为三个形状相异的窄脉冲: a)为三角脉冲,b)为正弦脉冲,c)为矩形脉冲,三者面积相同,即冲量相等,若将它们加在同一惯性环节上时,则三者输出响应基本相同。比较常见的正弦波脉宽调制(SPWM),是指脉冲幅值相同而宽度按正弦规律变化。而和正弦波等效的 PWM 波形。这里所说的等效,是指这些矩形波脉冲和相应的正弦波部分面积相等。正弦波脉冲调制如图 2.2,将一系列加在电机端的电压脉冲按 SPWM 法则调制,回路中的电流波形是正弦波。a)中宽度取得 9 等份,为   /n,n=9;对应于 b)中,脉冲高度相同的,但其宽度是随正弦规律变化的[31]。变频器的本质由“面积等效原理”生动地体现出来。交-直-交变频器需要利用二极管或晶闸管组成的整流环节,将三相交流电压整流为直流电压,加上利用电容 C1 稳压储能,所以其交流侧就一定会产生谐波电流。如图 2.3 交-直-交变频器原理结构图。
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2.2 变频器的谐波分析
某工厂的恒压供水系统需要多个变频器控制,而因变频器属于非线性负载,就会产生谐波,对该系统的其他设备甚至整个电力系统都会产生不利影响,所以对该系统变频器产生的谐波情况进行测量。本文测量仪器采用的是青智 8910C电能质量分析仪,被测对象为控制调速恒压供水系统的几台变频器,测试位置为变频器的总输入侧。如图 2.4 变频器输入端 L1 相电压、相电流的测试波形。由图可知,电流波形在 T /2周期内发生了严重的畸变;而电压波形,大致符合正弦波波形。非线性负载的广泛应用,使得谐波问题的日趋严重,在理论研究过程中建立适当的谐波源模型来表征谐波源特性,是十分必要的;这不仅使理论研究更贴进了实际,更是让理论研究尽可能完全应用到实际系统中,以解决谐波问题。电力电子技术的快速进步,使得电力电子装置在工农业中应用广泛,造成的谐波问题也日益严重。在对谐波的理论分析研究和实际治理中,建立适当的谐波源模型是必经之路。
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第 3 章 并联型混合有源滤波器的结构原理.........20
3.1 无源滤波器(PF)及其仿真模型.........20
3.2 有源滤波器(APF)的结构原理.........24
3.3 并联型混合有源滤波器的拓扑结构及仿真模型.........26
3.4 小结.........34
第 4 章 多目标优化的粒子群算法简介.........38
4.1 多目标优化问题.........38
4.2 粒子群算法.........42
4.3 小结.........45
 
第 5 章 并联型混合有源滤波器的参数优化
 
采用混合有源滤波器就是为了将所测的谐波滤除或者抑制到国家标准下,但在可达到这目标的情况下,能使投入系统设备的经费最少是我们需要进行衡量的。无可厚非,有源滤波器的价格是很昂贵的,且价格和其容量成正比关系;而无源滤波器的价格是根据其组成的元件(R、L、C)价格而定的。实际上将有源滤波器和无源滤波器中各自参数进行优化,将首要目标放在价格上时,所得到的经费与滤波效果是最合理的。而在实际情况中,在经费限制的情况下,一般不考虑采用有源滤波器,只采用无源滤波器进行滤波。而此种情况下,无源滤波器参数的确定有:
 
1、工程经验总结方法
这个方法一般基于 PF 滤波器原理及滤波要求,通过以往经验对滤波器参数进行查表确定,再进行验证自助领取彩金计算;这样的方法都是根据以往经验而来的,盲目性很大,且不一定达到预期要求。
 
2、单一经费指标确定方法
此类方法,就是属于单目标优化的方法,单一的验证自助领取彩金指标限定了其他参数的最优结果,由前一章节可知,单一的验证自助领取彩金指标确定的其他参数不一定最优,最差情况下,可能还达不到滤波要求。此外,还有加权函数的优化方法、罚函数的优化方法等[52],但相比之下,采用多目标粒子群优化更加方便、快速。
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总结
 
本文首先对所测量的变频器系统谐波进行分析介绍,通过分析可知,变频器谐波符合(6n±1)次的规律;同时根据已有的组建谐波源的理论分析,在Matlab/Simulink 中建立出变频器仿真模型,经讨论得知不能单一使用无源滤波器。无源滤波器结构简单、投资和运行费用都低,是常用的谐波抑制和无功补偿装置,但只能消除特定谐波,还有可能出现与系统发生串并联谐振;而有源滤波器是利用大功率开关器件和 PWM 控制技术来抑制谐波和补偿无功,动态性能良好,但其价格昂贵;实际项目中两者结合使用。对于本文中,无源滤波器和有源滤波器的参数与容量的选择是其在设计和应用中的重点和难点。传统地根据经验要求的方法使得所建立的模型缺点重重,如今,本文着重以投资成本、滤波效果、无功补偿为目标,欲便在一定约束条件下,使得投资成本最低,滤波效果最好,无功补偿达标,因此出现了多个目标函数的优化问题。本文采用了多目标粒子算法;首先对混合滤波器参数进行分析,确立了投资成本、滤波效果、无功补偿这三个目标;同时,介绍了粒子算法的原理和流程,对算法的参数定义进行了简单的分析。其次,结合滤波器参数特性,给出与算法参数对应的变量及其约束条件。最后,由多目标算法得出的参数值,在Matlab/Simulink 中进行仿真验证,得到滤波器参数最优配置的一组解,得即出实际工程投入滤波器的参数值,给实际工程做参考。
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参考文献(略)
 

能源与动力工程硕士论文范文篇三

 
第 1 章 绪论
 
1.1 课题来源
溪霞水库是南昌地区境内最大的一座重点中型水库,于 1960 年动工兴建,1962 年建成,总面积 7000 亩,集雨面积 85.53 平方公里,设计库容 5010 万方,有效库容 3500 万方,湖面 7000 余亩,水深 18 米,周长 30 多华里,担负着溪霞、乐化、樵舍、金桥等乡镇的农业灌溉(约 4 万余亩)和江西昌北机场、桑海企业集团等企业的生产生活用水。溪霞水库水电站则位于水库大坝北涵输水渠,距溪霞镇约 4 公里,是一座以灌溉为主,兼有防汛、发电、供水、旅游、养殖等综合利用效益的水利工程,并于 2011 年被水利部评为“全国水利风景区”。溪霞水库水电站是溪霞镇唯一一座水电站,电站设计装机 1×75KW、1×55KW,保证出力 125KW,据多年的数据统计,其平均发电量 122.64 万 KW·h,扩容增效改造后为 158 万 KW·h。建成之初的供电范围包括溪霞水库管理所和近区几个村(包括至头村、刘家村和麦港村)部分农村与居民用电。在上世纪 90 年代对该所和近区几个村的工农业生产有着举足轻重的作用,有效地促进了当地验证自助领取彩金的发展,对改善民生,服务三农具有现实意义。溪霞水库水电站建成至今已十八年,直供电片区也发生了较大变化,目前的直供电片区是本单位及近区的居民区,用户分布在至头、刘家和麦港三个村,约 545 户居民。一座变电站,主要包括 9.5km 的 0.4kV 及以下的线路,基本情况如上表 1.1 所示。溪霞水库水电站主要由 0.4KV 线路组成,主要供自身用电、昌北机场供水泵房、桑海水厂泵房及周边三个村用电。其供电主要有 4 条线路,其中有占总线路的 25%的重载线 1 条和占总线路的 50%的过载线路 2 条。2014 年溪霞水库水电站的发电量为 122.64 万 KW.h,直供电片区内的售电量为 169KW.h,外购电量为 46.36 万 KW.h,其综合损耗和综合线损率分别为 20 万 KW.h 和 16%,详见表 1.2。
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1.2 课题研究的意义
随着技术水平的提高,沿着原有技术方向继续提高常规太阳电池效率需要花费更大精力与财力[6]。1954 年贝尔实验室报道发现 4.5%效率的单晶硅电池,当年效率就提高到 6%,而 1980 年代到 90 年代世界太阳电池最高效率从 22%提高到 23.3%[7],再从 23.3%提高到 25%,各花了 10 年左右时间。可见太阳电池效率的每一点提高都弥足珍贵,因此,为了充分利用太阳电池材料与工艺己有研究成果,通过温差发电技术对太阳电池进行冷却,抑制太阳电池的温升,使太阳电池实际工作时保持较高的效率,是提高太阳电池效率的另一条有效途径。而温差发电在解决光伏组件温度高这一问题的同时,利用其热能进行发电,既能解决光伏电池背板“变黄”开裂的问题,增加光伏电池板的使用寿命,也实现太阳能的梯级利用,从而获得更高的太阳能转换效率。在水库存水不足或枯水季节,拟建设一个水-光-蓄微电网系统,实现农电、水电与 PV-TE 发电的自适应调节,保证合理的库存水量,实现最大验证自助领取彩金与社会效益。另者,在水库坝体和空地拟建的 2MW 级光伏-温差热电混合发电系统将会是一道靓丽的风景线,很易博得游人的眼球,进而会提升溪霞风景区的效益。本文对拟建设2MW级光伏- 温差热电混合发电系统进行的前期理论研究工作,可为将要建设的水-光-蓄微电网中的太阳能光伏-温差混合发电系统提供理论参考和投资价值分析,是非常有必要性的。
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第 2 章 太阳能光伏电池的研究
 
2.1 太阳能光伏电池概述
太阳能光伏电池具有的能源环保性、易获得性和能源可再生性等优点,致使成为各国研究者追逐研究的焦点。21 世纪初期,太阳能电池之父 MartinA.Green 建议根据发展时间将太阳能电池分为 3 个阶段[48]:(1)第一代晶体硅太阳能电池:包括单晶硅和多晶硅,由于发展历史较久,各企业的生产技术较为成熟,目前有近 80%的市场占有率;(2)第二代薄膜太阳能电池:包括非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池等有约 19%的市场占有率,生产成本较第一代晶体硅太阳能电池较低,进而预计到 2015 年将有超过 20%的应用市场占有率;(3)第三代太阳能电池主要包括聚光和有机太阳能电池等,特点是较第一代和第二代的转换效率要高,其中聚光光伏组件最高转换效率达到 40%,但其成本较高且技术尚不成熟,聚光光伏电池只有约 1%的市场占有率。目前市场应用及研究使用较多的太阳电池主要包括单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳能电池、碲化镉薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳电池和砷化镓聚光太阳电池[49]。各类型太阳能电池的光电转换效率,制造成本,占地面积和生产规模情况如下表 2.1 所示:
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2.2 太阳能光伏电池的数学模型
通过研究发现,在 PV 电池发电系统中,PV 电池的内部参数以及各外界因素如光照强度、温度、负载,风速,湿度等,对其输出特性都具有一定的影响。由上述 PV 电池的发电原理,可用一个等效电路来对其进行形象的描述与研究,如下图 2.3 所示[54]。太阳能光伏电池因其无枯竭危险,清洁性,无资源分布地域的限制,可在用电处就近发电等优点,使太阳能光伏电池得到广泛应用。但在应用时,仍存在一些问题,主要有以下两个:第一,光伏电池吸收太阳辐射转化为电能的同时,其中波长 0.5-1.2μm 的部分辐射转化为热能,而波长大于 1.2μm 的辐射全部转化为热能。这些转化的热能使电池板的温度升高,影响光伏电池的转化效率,从 2.3 节分析中也可以看出PV 的输出功率随着面板温度的升高而下降。并且光伏组件长期处于高温将会使得 PV 面板出现“变黄”开裂等问题,影响太阳能电池的使用寿命。
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第 3 章 温差发电模块的研究....21
3.1 温差发电基本介绍 ..........21
3.2 温差发电基本工作原理 .........21
3.3 温差电模块基本性能参数 .....22
3.4 温差电模块数学模型的建立 ........24
3.5 温差发电模块的输出特性仿真及分析 ......26
3.6 本章小结 .....31
第 4 章 太阳能 PV-TE 混合发电系统的研究.......32
4.1 PV-TE 混合发电系统的介绍 .........32
4.2 混合发电系统数学模型的建立 ....34
4.3 PV-TE 混合发电系统仿真及分析 ........37
4.4 混合发电系统的投资验证自助领取彩金性分析 .......45
4.5 本章小结 .....47
第 5 章 太阳能 PV-TE 混合发电系统的并网研究......48
5.1 DC/DC 变换器的介绍及选择 ........48
5.2 传统升压斩波电路(Boost 电路)的工作原理 ....49
5.3 双输入 Boost 变换器 .......50
5.4 双输入 Boost 变换器仿真及分析 ........53
5.5 本章小结 .....56
 
第 5 章 太阳能 PV-TE 混合发电系统的并网研究
 
5.1 DC/DC 变换器的介绍及选择
DC/DC 变流电路,也称斩波电路,是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电的电路,它的种类较多,其中六中基本的斩波电路为:降压斩波电路(Buck 电路)、升压斩波电路(Boost 电路)、升降压斩波电路(Buck-Boost 电路)、Cuk 斩波电路、Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路,其中三种是基本的斩波电路[76]。文献[77]讨论这三种典型 DC/DC 电路的原理、结构、电压变换关系,建立模型仿真验证,并比较其优缺点,结果表明:Boost 电路具有较好的总体性能,如需要得到高于输入电压的输出电压可优先考虑选择 Boost 电路作为系统 DC/DC 变换电路[77]。传统的新能源混合发电系统中两种能源形式应各需要一个 DC/DC 直流变换器,将 PV 电池和温差发电器的不可控直流电压输出变成可控稳定的直流电压输出,之后并联到公共的直流母线上,如图 5.1 所示,此传统方法结构复杂、成本高、效率低[78]。为简化混合发电系统的结构使其具有更高的效率,更少的元件数量以及更低的发电成本,可以选用一个双输入 DC/DC 变换器代替两个单输入DC/DC 变换器,如图 5.2 所示。拟建的太阳能 PV-TE 混合发电系统中的 PV 和 TEG 两模块的输出电压因经DC/DC 变换后接入 320V 的直流母线上,再统一进行逆变成可供用户使用的单相 220V 交流电。文献[79]在高频隔离型光伏并网逆变器应用设计中,前级也是采用 Boost 变换电路将不可控输出电压升高到一个可控稳定的电压[79]。所以在前人相关研究的基础上,本文选用双 Boost 直流变换对 PV-TE 混合系统两种不同能源联合起来,实现混合发电系统的并网。
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结论
 
在能源危机和环境污染问题的大背景和太阳能光伏背板“变黄”开裂的小背景下,提出太阳能 PV-TE 混合发电系统,既解决了太阳能电池板因温度过高导致变黄开裂的问题,延长了太阳能电池寿命,又能利用太阳能电池不能使用的那部分热能进行发电,提高了对太阳能的利用率,实现对太阳能量的梯级利用。本文以南昌市溪霞水库拟建水-光-蓄微电网项目为对象,对其中将拟建的 2兆级的太阳能 PV-TE 混合发电系统进行了研究,主要具体地有以下几个方面的研究内容与成果:
1)为研究太阳能光伏电池和温差发电模块的输出特性,本文分别根据其数学模型在仿真平台 Matlab/Simulink 搭建了各自的仿真模型,分析其各自的输出特性,为混合系统的研究做准备。
2)利用拟建项目的特殊地理环境,提出 PV-TE 的冷却系统采用低温库水对温差发电器冷端降温,提高了系统的发电效率。当然,热水也可进一步加以利用,提高能源的利用率。
3)利用太阳能 PV-TE 混合系统的能量关系搭建了混合系统的仿真模型,在设定环境下对混合系统进行仿真及分析,并与传统 PV 系统进行对比研究。实验仿真结果表明:冷却系统的水流量,光伏电池板的热传系数和温差发电器的优值系数是混合系统的三个重要影响因子。且混合系统的输出功率和发电效率较传统 PV 发电系统显著提高。
4)以 250Wp 的太阳能光伏电池为例,太阳能 PV-TE 混合系统进行了与传统的 PV 系统对比性的投资验证自助领取彩金分析。通过各方面的成本计算本系统预计可在10 年后实现盈利,同时具有很好的环境效益。
5)研究了太阳能 PV-TE 混合系统的 DC/DC 并网问题,提出了双输入 Boost升压变换器,并利用仿真验证了该变换电路的可行性,说明可利用双输入 Boost电路对混合系统的混合能源进行并网,不仅增大了系统电压的增益,又提高了系统稳定性和灵活性。
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参考文献(略)
 

能源与动力工程硕士论文范文篇四

 
第一章 绪 论
 
随着信息时代的到来,数据信息的众多问题越来越突出,其在工业生产过程中也占据着越来越重要的地位。作为工业生产系统的重要组成部分,生产过程中的数据报表作用日益被各大企业所看重。工业数据报表同时也是一种浏览信息、分析数据的重要工具[1]。但是,现有工业数据报表系统中的一些问题一直困扰着使用者,如海量数据的存储、不支持多种数据报表格式、归档查询功能简单不能满足要求等。因此,分析目前现有各种组态及工业报表系统的优缺点,开发适合我国国情并具有通用性的工业数据报表系统是必要的。
 
1.1 课题研究的背景
目前 DCS(Distributed Control System)系统广泛应用于工农业生产的各个领域,其中服务器端通常采用组态软件进行设计,如国外的 WinCC、Citech、ASPEN-tech;国内的力控、组态王、世纪星等。它们都是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式,为用户提供具有快速构建工业自动控制系统监控功能的,且具有一定层次的软件工具。其中报表系统是组态软件的一个重要功能,承担着对工业生产过程中产生的数据进行归档、查询,为管理人员提供数据分析依据的重任。但是报表中信息在实际存储中却受到很多限制[2]:报表系统多是组态软件自带的报表工具,当存储数据量过大时,报表系统存储数据仍然是按照顺序进行存储,不对数据进行压缩处理,这样会造成存储空间需求增大,系统运行缓慢等一系列问题。
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1.2 课题来源
石家庄桥东污水处理厂是总投资 9.6 亿的省重点项目,也是“河北省利用世界银行贷款河北城市环境项目”的子项目之一,目前已投入运营,使得市区京广铁路以东的城市污水得到了有效的处理。石家庄桥东污水处理厂采用的是国际上领先的网络控制系统,其监测网络拓扑结构图如图 1-1 所示:使用德国西门子公司的网络控制系统来对全厂各个污水处理端口进行检测控制,同时通过厂内光纤环网将采集到的数据进行上传,传送至中控室内,由中控室内的数据服务器进行处理、存储。中控室各个终端采用西门子公司的 WinCC 软件。从图 1-1 中可以看出,整个监测网络结构分为三级冗余结构:(1)一级:现场控制级。现场控制终端采用西门子公司的 PLC S7-300 和 S7-200相结合的监测、控制方式,接受上一级的控制指令,对现场设备进行监测和控制;并将在现场设备监测端口采集的数据进行上传、汇总,送往上一级服务器。(2)二级:现场管理子站。采用西门子公司的 PLC S7-400 作为子站服务器,分别对污水处理厂的进水泵站、鼓风机站、变电站、污泥控制室等 4 大部分的现场设备和仪表进行监测和管理。三级现场控制单元检测采集的数据经过汇总,会集中到各自对应的子站服务器中,等待上位机进行数据交换操作。
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第二章 行程编码和聚类算法相结合的数据压缩算法研究
 
2.1 数据库的数据组织及访问方式
数据库是按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库。随着信息技术和市场的发展,特别是二十世纪九十年代以后,数据管理不再仅仅是存储和管理数据,而转变成用户所需要的各种数据管理的方式。数据库有很多种类型,从最简单的存储有各种数据的表格到能够进行海量数据存储的大型数据库系统,他们都在各个方面得到了广泛的应用。二维表在数据库存储中占有重要地位,因为数据库中多数数据都是存储在像二维表这样的关系表中。当对数据库中数据进行查询时,二维表也是一个基本单位,二维表的结构特点决了二维表在关系数据库中的地位。二维表的行称为一个元组,列称为属性。二维表中的记录数随实体的增减而变化,但字段个数却是相对固定的,因此所有记录的长度都是相同的。二维表之间的数据联系通过一个表的码与另一个表的外码的连接来体现[14]。
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2.2 关系数据库的数据冗余与冗余的度量
 
2.2.1 关系数据库中的数据冗余类型
冗余的存在是运行压缩的条件之一。通常情况下,冗余主要是指数据的重复,包括在时间上、数据量上、空间上的重复。关系数据库的数据重复主要有表的重复、属性的重复、元组的重复等,其具体含义为:(1)为了数据安全的需要制作备份表,当主表被破坏时可用此恢复数据。分布式数据库为减少数据通讯开销也常重复放表,这种数据冗余在这里是必需数据冗余,不能删除。若是因其他原因产生的非必要的重复表则应予以删除。(2)属性重复有不同表的属性重复和同一表内属性重复两种情况:不同表的属性重复常用来建立表之间联系,这只需要一个公共属性,这是必需数据冗余,不能删除;各表间的多于一个的属性应当删除。同一表内有相同属性内容的多个属性,若非数据安全检查的需要,应当删除。(3)表内不同记录内容有时会完全相同,若非必要,应予以删除。元组的重复所引起的数据冗余的消除由记录级的操作完成。上面数据库的重复方式基本相类似,但还有另外一种冗余存在方式。这样的冗余重复在数据库的存储中也占有很大部分,也是数据压缩时经常处理的一种压缩形式。
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第三章 工业数据报表系统的功能与实现研究.....32
3.1 工业数据报表研究开发环境及语言 ....32
3.2 工业数据报表总体功能介绍 ........34
3.3 登录功能实现 ........37
3.4 主窗体导航模块功能实现 ....38
3.5 基于聚类算法和行程编码的历史数据模块功能实现 ........39
3.6 基于聚类算法和行程编码的数据曲线模块功能实现 ........42
3.7 基于聚类算法和行程编码的阶段查询模块功能实现 ........44
3.8 基于聚类算法和行程编码的报警查询模块功能实现 ........48
3.9 变量管理模块功能实现 ........50
3.10 用户管理模块功能实现 ......55
3.11 本章小结.......60
第四章 数据压缩算法在报表系统中的应用及测试.....61
4.1 基于行程编码算法的时间标签的压缩 ........61
4.2 基于聚类差分压缩算法的数据库数据元组压缩 ........64
4.3 数据查询解压缩操作 ....66
4.4 本章小结 ........67
第五章 结论与展望.........68
 
第四章 数据压缩算法在报表系统中的应用及测试
 
本章将数据聚类压缩算法代入到数据库数据存储压缩中,对数据库中的历史数据及新采集上来的数据进行压缩处理,同时根据数据时间标签的特点,将行程编码压缩算法运用到数据对应时间标签的压缩处理中。
 
4.1 基于行程编码算法的时间标签的压缩
时间标签作为数据库中历史数据的时间标志,表明了采集的历史数据的时间点,是查询历史数据的一项重要依据,同时工程人员也可通过此项记录来查看过去某一时间点设备运行情况,故障发生时间。若数据按采集时间排列,也就显示出数据的发展趋势,为工艺改进、设备维护、策划管理提供了重要依据。时间标签基本是按照固定时间间隔的时间点,因为时间标签记录的就是采集数据时的时间点,一般来说工业生产过程中数据的采集周期是固定的,可能是 1 s,或是 0.5 s。虽然因为某些原因会使数据采集时间差生微小偏差,但基本不妨碍工程人员从数据中获取信息,因此可以对数据产生的时间标签进行预处理,使得时间标签周期为固定时间,这样就可以把时间标签调整为上一个时间标签和差值组合的形式存储。经过初步处理后,时间标签之间的差值基本为同一数值,只有在采集数据缺失时才会使时间差值为原来的整数倍。由此一来,时间标签之间的相似性就非常大,特别是相邻两个时间标签之间,为时间标签的压缩提供了可能。对于时间标签的这一特性,可以采用较为简单有效的行程编码压缩算法对其进行压缩处。
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结论
 
本文的工作是对基于聚类算法和行程编码的工业数据报表系统的研究,在充分考虑系统的功能、成本、实现难易程度的基础上,根据现场调研,获取现场工业查询要求。选择 VisualStudio 2008 作为程序的开发环境,C#为开发语言,利用 Visual Studio 2008 便捷强大的软件开发能力,设计出符合工业要求的工业数据报表,并且采用 SQL2005 作为系统数据库,将工业报表与数据库相连。同时将聚类压缩算法和 RLE 文本压缩算法引入到工业报表数据压缩处理中,减少数据存储所占空间,取得较好的压缩效果。本文的主要工作:
(1)根据现场工业具体功能要求,提出了基于数据压缩的工业数据报表系统研究方案,并对整个工业数据报表进行了详细的设计。在 Visual Studio 2008 编程环境下,采用 C#语言,对工业数据报表进行了实现,设计出具有历史数据查询、曲线查询、变量管理、用户管理等满足工业需求的报表工具。
(2)对历史数据库数据特性进行了分析,介绍了聚类压缩算法的优点和它的整体运算流程。采用排序的方式进行分组及选取中心元组,可有效的降低对孤立点的敏感度,且具有有序性和全面性;利用经验规则和代价函数选择最优 k值,较好的减少了测试次数,无需人工干预。确定这两大参数即可完成元组聚类分组。最后进行参照关系的讨论和差分压缩处理。进过上面一系列步骤,可以对数据库中数据进行较好的压缩处理。同时针对时间标签的特性,对行程编码压缩算法也进行了详细研究。
(3)将经过讨论、优化的聚类压缩算法和行程编码压缩算法结合起来,引入到工业数据报表系统的数据库数据压缩中。用行程编码压缩算法对时间标签进行压缩;聚类压缩算法对数据库中数值数据进行压缩处理,通过这两种压缩算法的相结合,可以对数据库中数据进行良好的压缩处理。并且在数据查询时可达到较快速的解压缩操作。
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参考文献(略)
 

能源与动力工程硕士论文范文篇五

 
第一章 绪论
 
1.1 课题背景及意义
汽车作为最通用的运输工具之一,伴随着工业革命经过一百余年的发展,已成为人们生产生活中必不可少的一部分[1]。据美国 Wards auto 统计数据显示,截止至 2011 年 8 月,全球汽车保有量已超过 10 亿辆,而这一数字在 2050 年将达 25 亿辆[2, 3]。同时,由于汽车是一种综合性的工业产品,涉及多种制造行业,使得汽车工业已成为国民验证自助领取彩金支柱产业,以我国为例,2012年汽车相关产业约贡献 GDP 的 10.2%[4, 5]。汽车工业的蓬勃发展虽加速了现代化进程,但同时也带来石油危机及环境污染等严重问题。石油作为“黑色的金子、工业的血液”,是一种不可再生的化石能源[6, 7],约 40%被汽车消耗;汽车排放的尾气,包含多种污染物质和大量二氧化碳,前者导致酸雨、光化学等环境污染问题,后者引起"温室效应",导致全球气候反常,严重威胁人类生存环境[8-10]。愈演愈烈的能源短缺与环境恶化问题迫使人们寻找替代内燃机汽车的方法,而电动汽车无疑成为主要手段之一。发展电动汽车不仅可缓解能源与环境等宏观问题,而且对于我国,电动汽车更具有战略意义。众所周知,虽然我国地大物博,但是石油储量并不丰富,目前石油对外依存度已逼近 60%,石油安全问题和供需矛盾日益严重[11, 12]。此外,我国汽车工业起步晚、基础差,汽车相关技术尤其是内燃机核心技术多数由国外掌握及垄断,导致目前已跃居全球销量第一的中国汽车市场主要被外资及合资汽车品牌统治[13, 14]。电动汽车代替传统汽车是必然趋势,而当前电动汽车尚处于技术储备阶段,虽然国内起步较晚,但国内外差距较小,尚处于同一起跑线。因此当前正是研究电动汽车并掌握其核心技术,发展具备自主产权民族汽车品牌的良好时机[15, 16]。
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1.2 国内外电动汽车发展现状
在汽车发展历史中,电动汽车先于内燃机汽车发明,早在 19 世纪 30 年代,美国人 ThomasDavenport 已发明由一次性电池供电的电动汽车雏形。随着可充电铅酸电池等技术的相继发明,19 世纪末至 20 世纪初,电动汽车发展进入短暂的黄金期,在 1900 年,电动汽车占所有自动车辆产品的三分之一。在随后几十年中,由于电子启动器等关键技术的发明,内燃机汽车迅速发展,相比之下电动汽车续航短及成本昂贵等问题愈加明显,至 1935 年时,电动汽车已近销声匿迹[22, 23]。几经起伏发展后,随石油危机、环境污染等问题的日益严重,美国政府相继于 1990年及 1992 年修订 Clean Air Act Amendment 和 Energy Policy Act 等法案[24, 25],电动汽车逐渐受到重视,重新回归发展舞台。除环境能源压力外,近年来电池技术、电力电子技术、永磁材料及功率器件等相关技术的进步也为电动汽车的发展提供新的动力,进入 21 世纪后电动汽车已呈现脱胎换骨的变化[17]。目前,包括美国、日本以及欧洲一些发达国家的电动汽车发展仍处于领先位置。美国作为电动汽车的发源地,拥有福特、通用汽车和克莱斯勒等汽车巨头,一直处于电动汽车研究的前沿。美国政府近年来不断制定政策法规以推动电动汽车发展,如 2005 年修订美国能源政策法(EPACT)[26],2007 年通过可再生燃料、消费者保护和能源效率法案[27]。而美国新一届政府更投以140亿巨资支持电动汽车动力电池等相关零部件研发生产,甚至于2010年提出“美国百万电动汽车计划”,大力发展电动汽车。2010 年通用公司推出首款正式量产的混合动力电动汽车雪佛兰 Volt,独创 Voltec 电力驱动技术,凭借其创新理念荣获多项大奖;福特也于 2010年起相继发布福克斯电动版、Fusion Hybrid 等多款电动汽车,并在 CES2014 上展出续航里程可达 998km 的插电式 C-MAX 太阳能概念车。除传统汽车公司外,还出现以特斯拉汽车为代表的新兴电动汽车公司[28],其创新的电池管理系统和结构设计使得旗下纯电动跑车 Model S 续航里程可达 480km,是目前量产纯电动汽车之最。
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第二章 PMSM DTC 原理及其在电动汽车中应用分析
 
2.1 引言
永磁同步电机的特点使得它被广泛用于中小型电动汽车场合。为提高功率密度,车用永磁同步电机电磁负荷设计较高,常使用水冷方式散热,因此电机非线性和变量耦合程度很强,为深入分析,有必要对其数学模型进行介绍[122]。高性能电动汽车驱动不仅依靠电机自身的特性,而且对与电机相配合的控制算法也有很高要求。目前,针对永磁同步电机的高性能控制算法主要有矢量控制和直接转矩控制。其中,直接转矩控制从静止坐标系出发,直接对电机转矩和定子磁链进行控制,控制性能不易受电机参数变化的影响较小,具有较强鲁棒性,理论上适合电动汽车驱动场合。但由于电动汽车是一种日常驾驶工具,它不仅对驱动系统的转矩和磁场等控制性能具有较高要求,而且对可靠性、安全性等方面也有严格的限制,电动汽车驱动系统的这些特点使得传统 PMSM DTC 算法难以直接应用,必须作相应的发展。本章将从永磁同步电机原理出发,推导直接转矩控制的稳定运行条件,分析传统 PMSMDTC 算法的原理和优缺点,以及它们在电动汽车场合应用时存在的特殊问题和共性问题。
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2.2 永磁同步电机类型及数学模型
永磁同步电机通常指反电势波形为正弦的永磁电机,根据转子磁钢放置方式,如图 2.1 所示,常规永磁同步电机主要可分为表贴式永磁同步电机(SPMSM)和内嵌式永磁同步电机(IPMSM),而转子结构的差别造成 SPMSM 和 IPMSM 具有不同特点[123]。由图 2.1 可见,由于常用稀土磁钢材料的磁导率与空气接近,假设电机气隙均匀,则 SPMSM的直轴(d)磁路等同交轴(q)磁路,具有相同的磁阻,而 IPMSM 的 q 轴磁路相比 d 轴磁路具有更小的等效气隙,q 轴磁路磁阻小于 d 轴。IPMSM 交直轴磁阻不同使得它可产生附加的磁阻转矩,相同电流下可产生更高的转矩,因此,相同条件下,IPMSM 比 SPMSM 具有更高的转矩密度。此外,IPMSM 具有更好的恒功率运行能力。一方面,该特点由电机磁路结构决定,如图2.1 中,IPMSM 的 d 轴磁路仅经过一块磁钢,而 SPMSM 的 d 轴磁路经过两块磁钢,同样气隙和磁钢厚度条件下,IPMSM 具有更小的等效气隙长度,直轴电感较大,利于弱磁;另一方面,研究表明,IPMSM 的凸极性对增强弱磁扩速能力效果显著[70]。电动汽车对驱动电机的转矩密度、效率、弱磁和高速运行能力等方面均有较高要求,从上文分析可知,IPMSM 的特点相比 SPMSM 更适合电动汽车驱动场合,这也是国内外电动汽车厂家多选用 IPMSM 的原因。不过 IPMSM 这些结构特点在带来众多优点的同时,也带来了缺点,例如:等效气隙较小使得电机更易饱和,非线性程度更高,导致 IPMSM 对电机控制算法具有更高的要求,因此文中着重针对 IPMSM 展开研究(不做特殊说明,下文永磁同步电机均指IPMSM)。
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第三章 基于转矩角的电动汽车用 PMSM DTC.....29
3.1 引言 .......... 29
3.2 基本原理 ......... 29
3.3 基于转矩角的 PMSM DTC 控制结构 ..... 31
3.4 转矩角和定子磁链幅值调节的耦合作用....... 35
3.5 转矩精度影响因素及补偿.......... 38
3.6 实验分析 ......... 44
3.7 小节 .......... 48
第四章 利用相电感的 PMSM 无位置传感器控制方法.......49
4.1 引言 .......... 49
4.2 PMSM 的电感特性........ 49
4.3 利用相电感的 PMSM 常规位置获得方法 ..... 51
4.4 相电感迭代比较法........ 52
4.5 相电感谐波对位置估算影响...... 61
4.6 PMSM 宽转速范围无位置传感器控制 .... 64
4.7 小节 .......... 69
第五章 电动汽车用 PMSM DTC 控制系统效率.........70
5.1 引言 .......... 70
5.2 PMSM 控制系统的电磁损耗...... 70
5.3 PMSM 控制系统电磁损耗的变化规律 .... 72
5.4 PMSM 控制系统在线效率优化方法 ........ 73
5.5 实验验证 ......... 75
5.6 小节 .......... 77
 
第六章 电动汽车用交替极轮毂电机原理与设计
 
6.1 引言
轮毂电机又称为车轮内装电机,特点在于利用电能的柔性传输特性,将动力和制动机构整合至车轮内,可显著简化电动汽车机械结构,减轻整车重量,提高空间利用率,还能实现多种动力分配和驱动模式。轮毂电机按结构形式可分为内转子式和外转子式两类,各具优缺点:内转子式轮毂电机体积小、功率密度高,但仍需复杂的减速机构;外转子式轮毂电机采用直驱方式,结构简单,但为平衡转速与频率关系,多采用多极结构,通常电机尺寸较大。相比之下,外转子式轮毂电机在制造及维护等方面均有优势,因此除电动汽车运用外,这类多极直驱电机已被运用于洗衣机直驱波轮等家电场合,也可用于雷达、坦克等军用驱动场合,具有良好的应用前景和较高的研究意义。为获得高功率密度和优异转矩性能,外转子式轮毂电机常使用表贴式永磁结构,并且作多极设计,此结构不仅消耗较多永磁材料,而且弱磁能力差,不利于该类电机的推广运用。为解决这些问题,本章提出一种交替极轮毂电机结构,将交替极结构引入轮毂电机,并对其电磁特性及设计规律进行研究,意在获得良好性能的同时提高电机凸极性,从而减少永磁材料用量。
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结论
 
针对电动汽车用永磁同步电机驱动系统,本文从电机控制及本体设计等方面研究提高控制系统性能和可靠性的新方法。论文主要工作和创新点涵盖如下:
1. 分析电动汽车用永磁同步电机结构类型和特点,并给出相应数学模型及坐标变换公式。在此基础上,研究永磁同步电机直接转矩控制的基本原理和转矩调节机理,推导永磁同步电机直接转矩控制稳定运行区间,不仅从控制单调性,还提出从电压电流限幅出发进一步限制控制量给定区间,以保障永磁同步电机直接转矩控制方法的安全稳定运行。对两种常规永磁同步电机直接转矩控制方法进行分析,从转矩脉动等角度分析优缺点,指出这些方法应用于电动汽车场合的不足和改进方向。
2. 为解决常规永磁同步电机直接转矩控制方法用于电动汽车场合的不足,提出一种基于转矩角的永磁同步电机直接转矩控制方法。所提方法利用电压矢量幅值和角度直接控制永磁同步电机转矩角和磁链幅值,在实现良好控制性能的同时,还继承了传统直接转矩控制的简单直接的特点。对所提方法的电磁转矩和定子磁链调节机理进行分析,并研究控制量之间耦合作用,指出该方法具有近似解耦控制的特点。给出所提方法的详细控制框图和步骤,并分析其中零矢量和位置信号的特殊作用。
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参考文献(略)
 

能源与动力工程硕士论文范文篇六

 
第一章 绪论
 
1.1 航空三相整流器概述
航空电源系统的种类比较多,总体上可分为直流电源系统、交流电源系统以及由它们组成的混合电源系统[1-2]。其中直流电源系统可分为 28V 低压直流系统以及 270V 高压直流系统;交流电源系统包含恒频交流以及变频交流电源系统两种,前者又可以分为恒速恒频和变速恒频电源系统[3-4]。恒速恒频交流电源系统是由恒速传动装置和交流发电机构成的 400Hz、115V 三相交流电源系统。在该电源系统中,交流发电机由飞机发动机通过恒速传动装置(Constant Speed Drive, CSD)进行驱动,由于转速恒定,交流发电机向汇流条可输出 400Hz 恒频交流电。这种交流电源系统容量大、可靠性较高,适用于耗电量大的各型飞机上,如支线、干线客机以及运输机等[5-6]。由于恒速恒频电源系统中的恒速传动装置属高精度机械,使用维修困难且制造成本较高;此外,整个系统经过两次能量转换后,发电效率较低且存在不能启动发电等问题。因此,自从上世纪50 年代末功率半导体器件出现以后,人们开始研究利用电力电子变换器以取代恒速传动装置,从而产生了由电力电子变换装置与航空发动机直接传动的交流发电机所构成的变速恒频电源系统。与恒速恒频交流电源系统相比较,变速恒频交流发电系统省去了复杂的恒速传动装置,使得系统造价大为降低。此外,电力电子变换装置的应用不仅有助于提高系统发电效率(比恒速恒频交流电源系统提高近 10%),同时还解决了恒速恒频交流电源系统中所存在的启动发电问题[7],整个电源系统输出频率恒定,精度高。但是由于受电力电子变换装置性能的制约,变速恒频交流电源系统整体过载能力较差,可靠性相对较低。
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1.2 航空三相整流器主要技术方案
目前应用在航空领域中的三相整流器主要技术方案有两类:无源整流方案和有源PWM(Pulse Width Modulation, PWM)整流方案。多脉冲整流器由隔离/非隔离型移相变压器与不控整流桥等无源器件构成,因而同样是一种无源整流方案且在航空领域应用广泛。根据多脉冲整流器输出直流电压脉冲数的不同,可将其分为十二、十八、二十四、三十等脉冲整流[19]。首先通过变压器副边绕组移相产生多组三相交流电,在此基础上,利用变压器副边三相不控整流桥对存在特定幅值和相位差的各组三相交流电进行整流并最终实现直流输出。相比六脉冲整流,多脉冲整流器主要优点有:(1)降低了直流输出电压纹波;(2)提高了最低次谐波频率,易于滤波;(3)利用原边绕组实现输入电流谐波抵消,减少了电流中的谐波含量并实现输入侧较高功率因数。此外,根据整流系统中变压器的类型可以将多脉冲整流分为隔离型多脉冲变压整流器(Transformer Rectifier Units, TRU)和自耦型多脉冲变压整流器(Autotransformer Rectifier Units,ATRU)两种[20]。图 1.2(a)给出了通过变压器的不同联接所构成的 12 脉冲 TRU 的原理图。该型 TRU 通过一个一次侧绕组为星形联结,两个二次侧绕组分别为三角形和星形联结的三相三绕组变压器给两组整流桥供电。通过设计各个绕组匝比关系(1: 3:1)可使得两组整流桥输入线电压矢量幅值相同,相位依次相差 30°,变压器电压矢量图如图 1.2(b)所示。此外,为了保证输出侧两组整流器并联运行,需要加入平衡电抗器pL 以平衡两组整流桥输出瞬时电压差,使得两组整流桥共同向负载供电,且每组整流桥只承担 1/2 的负载电流。
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第二章 VIENNA 整流器工作原理及单周期控制策略分析
 
2.1 VIENNA 整流器工作原理
根据上述三相六开关 VIENNA 整流器电路工作模态分析可知,由于续流二极管FA+DFA-D 的存在,一方面使得同一相桥臂的两个开关管无法直通,因此控制逻辑上脉冲分配简单,实际上同一桥臂的两个开关管控制脉冲信号可完全相同,而无需设置死区时间;另一方面阻碍了整流器功率双向流动,故该型变换器无逆变功能。文献[102]以传统的三相三桥臂电压型 PWM 整流器为研究对象,研究了功率开关管发生开路故障后的整流器交流侧故障输入电流和输出电压的波形畸变现象,同时通过对整流器发生故障后的工作过程分析,进一步研究了电压型 PWM 整流器的传统电压电流双闭环控制策略对上述故障特征的影响。文献[104][105]提出一种基于模式识别的可控整流电路的功率器件开路故障诊断方法。文中以双桥并联可控整流电路为研究对象,对各个功率器件发生故障时所引起的整流器输出电压畸变波形进行分析和故障分类,同时建立了多维故障矢量以描述各种故障状态。在实际诊断中,通过对故障模式矢量的逻辑预处理并采用了基于模式识别的故障诊断方案。文献[106]以三相三桥臂逆变器为研究对象,提出一种基于开关函数模型的逆变器功率开关管开路故障诊断方法。文献[107][108]则将人工智能神经网络引入到功率管开路故障诊断领域中,通过提取逆变器正常和故障时的输出电压各次谐波分量并将其作为神经网络的训练样本,分别实现三相逆变器和级联型多电平逆变器的功率开关管开路故障诊断。为了减少故障诊断所需的传感器数量,文献[109]提出一种仅通过对逆变器直流侧电流的频谱分析以实现逆变器功率开关管故障诊断的方法,但此方法只可实现对单管或一相桥臂的开路故障诊断。目前,尚未见到关于三相六开关 VIENNA 整流器故障诊断技术的研究报道。
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2.2 VIENNA 整流器传统单周期控制策略及脉宽调制方式
三相 VIENNA 整流器的单周期控制策略无需采样输入电源电压及 PLL(Phase Lock Loop,PLL),系统控制简洁。同时,单周期控制策略中的脉宽调制方案可分为单边调制、双边调制,其中单边调制包含上升沿调制和下降沿调制两种。本节首先推导了三相 VIENNA 整流器传统单周期控制方案的核心控制方程,介绍了整流器单周期控制策略的实现方法,最后分析了三种脉宽调制(上升沿、下降沿、双边沿)方案各自的特点。本节内容为后续深入了解基于单周期控制的三相 VIENNA 整流器系统特性提供了理论基础。由整流器单周期控制原理图可得系统控制实现过程:外环电压环采样整流器直流侧输出电压并与给定参考值orefU 进行比较,其误差信号经过电压控制器闭环调节后,将电压控制器的输出mU 作为系统载波幅值信号。载波生成电路根据所获得的载波幅值信号产生具有下降沿/上升沿性质的锯齿载波或具有双边沿性质的三角载波。
......
 
第三章 基于单周期控制的三相 VIENNA 整流器.........52 
3.1 三相 VIENNA 整流器输出中点电位分析....52 
3.2 三相 VIENNA 整流器中点电位控制策略....58 
3.3 考虑均压环的三相 VIENNA 整流器系统小信号建模.....60 
3.4 变换器参数设计..........67 
3.5 仿真及实验验证..........72 
3.5.1 仿真验证......72 
3.5.2 实验验证......74 
3.6 本章小结........76 
第四章 输入电流基波相位滞后补偿控制研究......77 
4.1 输入电流基波相位滞后问题分析 ..........77
4.2 带相位滞后补偿的单周期控制策略 ......79
4.3 仿真及实验验证..........88
4.4 本章小结........96 
第五章 输入不平衡时三相 VIENNA 整流器单周期控制研究........97 
5.1 输入不平衡时三相 VIENNA 整流器输入输出特性分析........97 
5.2 输入不平衡时三相 VIENNA 整流器改进单周期控制.....99
5.3 三相 VIENNA 整流器全状态单周期控制策略 .......103
5.4 仿真及实验验证........104
5.5 本章小结 ..... 110
 
第六章 VIENNA 整流器功率管故障诊断技术研究
 
6.1 功率管故障对整流器工作特性
正常情况下,整流器中的功率管在电路中主要起到开关作用,即通过控制开关管的通断实现电力电子电路的功率变换。但当功率管遭遇过电压或过电流时会被击穿导致瞬时失效,从而出现开路或者短路故障。当整流器中的功率管出现开路或短路故障时,意味着其电路拓扑本身发生了结构性变化,从而导致整流器在原有控制系统下出现不正常的输入输出特性。为了实现对整流器功率管的故障诊断,有必要了解功率管发生开路和短路故障时对整流器工作特性的影响。根据图 6.1(a)(b)所示的仿真波形可以看出,由于功率开关1S (1S )在输入电源负(正)半周时发生开路故障,因而该故障未对当前时刻电路正常工作产生影响。一旦输入电源进入正(负)半周,由于 A 相桥臂失去功率开关的控制作用和电感电流流通储能通路,此时桥臂电压ANu 只出现高(低)电平,同时三相输入电流均产生了不同程度的畸变,其中 A 相输入电流畸变最严重,频谱分析显示 A 相输入电流在1S (1S )发生开路故障时含有较大的负(正)直流分量。直流侧输出电容电压C1uC2u 出现明显的直流偏差,同时输出电压oU 出现大幅的交流脉动,且脉动频率与输入电源频率相同。
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总结
 
本文以代表未来航空领域中高性能交直流变换器发展方向的 PWM 整流器作为研究对象,对基于单周期控制的三相三电平六开关 VIENNA 整流器在系统特性、控制策略以及功率器件故障诊断等方面进行了研究和探索。现将论文的主要研究内容和创新点归纳如下:
1、简述了飞机电力系统的发展现状,分析了航空三相交直流变换器在飞机电力系统中的重要地位和主要技术特征,指出了研究高性能高可靠性的航空三相整流器的必要性。对目前所存在的航空三相整流器主要技术方案进行了比较分析,确定了以代表未来高性能交直流变换器发展方向的航空中频三相 PWM 整流器为主要研究对象。介绍了中频 PWM 整流技术的研究现状,并选择了基于单周期控制的三相三电平六开关 VIENNA 整流器作为课题研究方案。最后对现阶段电力电子变换器故障诊断技术,特别是电力电子主电路功率开关的开路故障诊断研究现状进行了详细的阐述,为了提高整流器系统可靠性和可维修性,进一步确定对 VIENNA 整流器功率管结构性故障诊断技术进行初步探索。
2、分析了基于单周期控制的三相 VIENNA 整流器实现功率因数校正的工作原理,以及其三种脉宽调制(上升沿、下降沿、双边沿)方案实现方法。讨论了双边沿脉宽调制方案下基于传统单周期控制的 VIENNA 整流器输入输出特性。分析表明在传统单周期控制策略下,为了避免控制系统出现过调制而引入输入电流产生畸变,整流器直流侧输出电压需大于输入交流相电压峰值 2 倍。为了提高基于单周期控制的三相 VIENNA 整流器直流母线电压利用率,提出变革传统单周期控制方案中的调制波形,将三次谐波电流注入引入到单周期控制策略中。详细讨论了三次谐波电流提取及构造实现方法,同时对变革调制波后的整流器输入输出特性及系统损耗进行了分析。在新的调制方案下,整流器直流母线电压利用率得到提高,输出直流电压仅需大于输入交流电源相电压峰值 3 倍即可。整流器直流侧输出电压的下降有助于降低开关管两端电压应力和开关损耗,从而提高系统效率。
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参考文献(略)
 

能源与动力工程硕士论文范文篇七

 
第一章 绪 论
 
1.1 无刷直流电机
无刷直流电机是现代电力电子技术、电机技术和控制理论相结合的产物,它是随着半导体技术迅速发展而出现的新型电机[1]。直流电机调速范围宽、控制性能好、低速性能好、起动转矩大、运行平稳、效率高、应用场合从民用到工业非常广泛,具有十分优越的调速性能。在一般的直流电机中,直流电的电能是通过换向器和电刷进入电枢绕组,与定子磁场相互作用产生转矩的。有刷直流电机必须有换向器和电刷这两个电接触部件,所以产生很多致命的缺点[2]。在许多应用场合下,它是系统不可靠的重要源头之一。虽然直流电机是电机发展史上最早出现的,但它的应用范围因此受到限制,而运行相对可靠的交流电动机则得到了长足的发展。交流电动机的历史已经超过一百多年了,但无刷直流电机发明至今仅仅几十年。1955 年美国 D. Harrison 等人第一次申请了无刷直流电机雏形的专利,去除机械电刷和换向器,替换使用晶体管换相电路。1962 年,T. G. Wilson 和 P. H. Trickey提出“固态换相直流电动机”(DC Machine with Solid State Commutation)专利,这标志着现代无刷电机的真正诞生。20 世纪中叶,无刷直流电机因其具有较高的可靠性,最先在太空技术中得到应用,标志着无刷直流电机进入到应用阶段。1964年,美国航空航天局(NASA)将无刷直流电机用于太阳电池板的跟踪控制、卫星姿态控制、卫星上泵的驱动等。电子换相的无刷直流电机真正进入实用阶段是在1978 年,当时德国 Mannesmann 公司的 MAC 经典无刷直流电机及其驱动器。国际上对无刷直流电机进行了深入的研究,发明了新一代的永磁同步电机(PMSM)。它是在方波驱动的无刷电动机基础上发展出来的正弦波驱动无刷电机。随着微电子技术、自动控制技术、永磁新材料以及大功率半导体开关器件的发展,无刷直流电机获得了大力的发展。二十世纪五十年代以来,它慢慢应用到其他工业、军事装备、家庭电器领域以及民用控制系统中,目前已成为最有发展潜力的电机产品[2]。
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1.2 无刷直流电机驱动模式
现代电机与控制技术领域中,以电流驱动模式的差别将永磁无刷直流电机分为两大类:方波驱动与正弦波驱动。由方波驱动的称为无刷直流电机(BLDC)或电子换相直流电机;由正弦波驱动的称为无刷交流电机(BLAC),现多称为永磁同步电机(PMSM)[2]。表面上看,无刷直流电机和永磁同步电机的基本结构是相同的,转子由永磁体组成基本结构,定子为多相交流绕组;电机的转矩均来源于转子永久磁铁和定子交流电流的互相作用;在绕组中,驱动电流与转子位子置反馈同步。转子位置反馈信号可以来自转子位置传感器,或者像在一些无传感器控制方式那样通过检测电机相绕组的反电动势(EMF)等方法得到。虽然无刷直流电机和永磁同步电机在基本架构上相同,但它们在实际设计细节上的不同是由它们驱动方式所决定的[2]。无刷直流电机是由方波电流驱动,而永磁同步电机则是由正弦波电流驱动,因此永磁同步电机显得更加安静且几乎没有转矩脉动。不同的驱动方式意味着这两种电机有不同的运行特性和设计要求。两者在电机的气隙磁场波形、反电动势波形、驱动电流波形、转子位置传感器以及驱动器汇总的电流环电路结构、速度反馈信息的获得和控制算法等方面都有明显的区别,他们的转矩产生原理也有很大的不同[4]。对于无刷直流电机常见的三相全桥控制器,三相绕组端 A、B、C 分别连接到六个开关管器件的三个桥臂上。在一个 360°的电气周期内,可以均分为六个区间。当绕组为星形结构时,这六个状态中任意一个状态同时都有两个绕组电阻串联导电,一相为正相导通,一相为反向导通,而另一相的桥臂上下两个开关管器件均不导通[5]。
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第二章 无刷直流电机转矩脉动分析
 
永磁无刷直流电机相比永磁有刷直流电机与交流感应电机相比,具有转矩输出大、效率高、响应速度快、寿命和可靠性高等特点,因此在办公自动化、数码电子、工业控制、汽车领域以及医疗设备等领域有着广泛的应用[6]。但是采用方波驱动两两导通模式的无刷直流电机存在转矩脉动问题,对于一些要求高精度位置的伺服系统与低纹波转矩的项目应用中,这些问题成为了影响项目实现的重要因素之一。因此对于高精度高可靠性要求的系统,如何抑制转矩脉动则是衡量其性能的重要依据。本章介绍了转矩脉动形成的原因以及抑制换相转矩脉动的相关方法。
 
2.1 转矩脉动产生的原因
由正弦波驱动的无刷直流电机具有相当好的控制性能,三相正弦波电流和各相绕组的反电动势共同作用产生稳定无波动的电磁转矩,良好的设计甚至可以达到 3%以下的低纹波转矩。而由方波驱动的无刷直流电机,其定子处于一种非连续、步进式的旋转。不考虑换相过程,在理想情况下,反电动势为平顶宽度 120°电角度的梯形波,同时定子电流为方波,电磁转矩则是一个恒定值且不存在转矩脉动。但是由于制造工业和设计方面等原因,大多数无刷直流电机的反电动势波形不是梯形波,而是更加趋近于正弦波。因此从原理上就决定了方波驱动的无刷直流电机必定存在转矩脉动。如图 2-1 所示,当绕组的反电动势为非梯形波时,相电流将会产生畸变。
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2.2 换相转矩脉动分析
换相转矩脉动是指无刷直流电机在换相期间因换相引起的转矩脉动,对于一台设计相当完美的电机来说,由机械结构缺陷与材料引起的转矩脉动相当小,但由于存在换相过程,其换相转矩脉动也依然会达到 50%。因此,如何抑制换相转矩脉动成为了提高方波驱动的无刷直流电机整体性能的关键问题[2]。三相无刷直流电机原理图如图 2-2 所示。为方便换相过程的分析,作如下假设:(1) 电机三相绕组对称,反电动势为梯形波,平顶部分为 120°电角度;(2) 忽略开关管和续流二极管的管压降,忽略开关管关断时间对换相过程的影响;(3) 忽略电枢反应、齿槽效应以及磁路饱和的影响;(4) 相绕组的等效电感为常数;(5) 换相过程中电机的转速 Ω 保持恒定。由于电机换相过程周期性相同,此处只需讨论电机从 A/C 导通变换为 B/C 导通的换相过程即可。换相的过程包括以下几个过程:假设电机稳态为 A/C 导通,此时对应 V1,V2 开通;换相开始,关断 V1 并打开 V3;由于绕组电感的存在,此时 A 相电流不会立即变为零,而是通过 V4 的反并联二极管续流,经过一段时间变为零;同时 B 相电流上升,直至稳态完成换相。
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第三章 基于准 Z 源直流变换器的换相转矩脉动抑制......14
3.1 抑制转矩脉动的策略 ...........14
3.2 准 Z 源直流变换器 ......15
3.3 前级直流变换器升降压仿真.........21
3.4 准 Z 源直流变换器控制电路.........26
第四章 无刷直流电机转矩脉动抑制系统仿真实验..........27
4.1 基于准 Z 源变换器的换相转矩脉动抑制系统模型 ..........27
4.2 准 Z 源直流变换器模型........28
4.3 换相时间与换相电压模型....29
4.5 调速期间完成转矩脉动抑制的仿真结果........30
第五章 无刷直流电机转矩脉动抑制系统实验设计..........33
5.1 系统功能设计.....33
5.2 三相逆变器硬件设计 ...........33
5.3 母线电压转换电路设计........35
5.4 准 Z 源直流变换器电路设计.........36
5.5 电压采样电路设计......36
5.6 系统软件设计.....37
 
第六章 无刷直流电机转矩脉动抑制系统实验结果
 
6.1 相序检测方法
在实验之前需要对无刷直流电机的相序进行检测,因为电机的三相线与霍尔信号线是由电机生产厂商标定的,而电机的控制器与控制方法也由生产商对应设置的。其他型号的电机控制器不一定能够很好的驱动电机转动。因此需要在实验前,根据自己的控制方法对电机相序重新进行测定。对于功率较小,内阻较大的电机来说,可以选用尝试的方法进行设定。即先将三相线连接以后,再随机接入霍尔信号线,然后通过电流钳观察相电流是否正常,不正确就交换霍尔信号进行尝试,直至正常驱动。因为即使驱动信号错误,相电流也相当小,对电机没有太大影响。而对于功率较大、内阻较小的电机,文献[30]介绍了一种无刷直流电机的相序检测方法,可以快速有效的对相序进行测定。
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结论
 
永磁无刷直流电机相比永磁有刷直流电机与交流感应电机而言,具有转矩输出大、效率高、响应速度快、寿命与可靠性高等特点,因此在办公自动化、数码电子、工业控制、汽车领域以及医疗设备等领域有着广泛的应用。随着市场的需求,能够适应不同负载情况下,依然保持着较好的转矩控制精度将是无刷直流电机的发展趋势之一。近几年,通过在前级增加升降压电路来调节换相转矩脉动的新方法备受关注,其最大的特色是能够使得电机在高速区与低速区均有较好的抑制效果。本文研究了基于准 Z 源直流变换器的换相转矩脉动抑制方法,该方法在三相逆变桥前级增加了准 Z 源直流变换器,根据无刷直流电机的自身特性、当前转速与母线电压,计算得到换相时间与换相母线电压信息,通过开关管器件来调节当前母线电压的状态,从而达到抑制换相转矩脉动的目的。论文的第一章简要介绍了永磁无刷电机的相关背景和特点以及本论文研究的主要内容;第二章则介绍了转矩脉动生产的原因以及对换相转矩脉动可能出现的情况作了一定的分析;第三章详细的说明了基于准 Z 源直流变换器抑制转矩脉动的实现原理,讨论并建立了抑制转矩脉动的换相电压,换相时间的参数模型,对准 Z 源直流变换器的电子元器件参数进行了分析并提出了参考的设计方案;第四章在 MATLAB/Simulink 环境下对无刷直流电机换相转矩脉动抑制方法进行仿真,并对获取的实验数据进行分析;第五章基于 STM32 控制芯片搭建无刷直流电机控制电路,介绍换相转矩脉动抑制的软件控制算法;第六章利用实验结果验证了本文提出的抑制换相转矩脉动方法可靠有效。
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参考文献(略)
 

能源与动力工程硕士论文范文篇八

 
第一章 绪论
 
1.1 课题研究的背景
能源对于验证自助领取彩金社会的发展起到至关重要的作用,其人均消耗率在一定程度上反映了一个国家的发展水平,根据世界银行的统计报告[1],发达国家每年的人均能源消耗约在 10 吨标准煤,而 2012 年中国的人均能源消耗仅为 2.59 吨标准煤[2],刚达到世界平均水平,是美国等发达国家的 1/5。因此,随着中国验证自助领取彩金社会的进一步发展,能源供给的压力将持续增加。当前我国的能源消耗以化石能源为主,占能源消耗总量的 91.4%[3],高出世界平均水平 11 个百分点,伴随而来的是环境污染日益严峻和化石能源愈趋稀缺的问题。为满足能源需求并改善粗放式的使用方式,需要在提高传统能源利用效率的同时,实现新能源的增量发展。根据“十二五”规划,到 2015 年底,中国的非化石能源发电装机比重应达到30%,其中风力发电的装机规模要达到 1 亿千瓦,为光伏发电装机规模的 5 倍、核电装机规模的 2.5 倍。可以看出,我国政府已把发展新能源作为调整能源结构、发展低碳验证自助领取彩金和应对气候变化的重要举措,而其中风电产业又是优先发展的战略性新兴产业。作为一种环境友好、验证自助领取彩金适用的能源供应方式,风力发电已成为解决能源危机问题不可或缺的重要力量。风力发电的成功应用及产业化的蓬勃发展,一方面需要政府的大力引导与支持,另一方面更依赖于科研人员的不懈努力与执着探索。自 1891 年第一台 4 桨叶直流风力发电机在丹麦诞生以来,风力发电技术经历了一个多世纪的发展,已成为集空气动力学、结构动力学、电机学、功率电子学、控制理论等多学科交叉融合的一门先进技术。尤其是最近十年,随着系统可靠性、效率、容量和并网电能质量等要求的不断提高,风电系统中的风力机、传动系统、发电机、功率变换器和输配电等技术日新月异[4]。这其中每一项技术的进步与创新,直到最后投入市场应用,都需要大量的前期实验探索与验证。提供适宜的风力发电机组实验条件,可为风电技术的持续发展奠定良好的基础。
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1.2 风力机类型及模拟系统的组成
风力机捕获流动空气中的动能并将其转化为机械能,是风力发电系统的关键部件之一。以转轴的朝向区分,整体上可将风力机分为垂直轴和水平轴两种。垂直轴风力机最显著的优点是无需偏航控制即能捕获任意水平方向上的风能,而且传动装置与发电机安放在地面上,维护相对方便。垂直轴风力机主要有 S(Savonius)型和 D(Darrieus)型两种,其中 S 型利用空气阻力做功,叶片设计简单,但是叶尖速比通常小于 1,风能利用系数较低(为 0.15)[34];D 型的典型结构如图 1.1(a)所示,其利用翼型的升力产生旋转力矩,叶尖速比可做到 6,风能利用系数较 S 型高,但也只能达到 0.3 左右[35]。水平轴风力机技术相对成熟,其通过偏航对风机构使转轴与风的流向保持平行,以尽可能多的捕获风能。按照来流方向、风轮和塔架的位置关系,水平轴风力机又分为下风向和上风向两种。下风向风力机在塔架之后迎风运行,理论上可实现被动偏航,但其受塔影效应的影响明显,叶片周期性的通过塔架尾迹将产生附加的噪声和振动;上风向风力机在塔架之前迎风,风速受塔架效应影响较小,故风能利用系数较高。另外,水平轴风力机又有双叶片、三叶片、多叶片等多种类型,其中三叶片风力机的结构如图 1.1(b)所示。这种风力机在扫掠面内的惯性力和气动力分布较为均匀,较多叶片结构节省材料与重量,理论研究也相对成熟。结合上述优点,上风向的三叶片水平轴风力机成为目前商用风力机广泛采用的结构形式,故本文针对这种类型的风力机展开模拟研究。
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第二章 模拟对象的数学模型与建模研究
 
2.1 引言
风力机模拟系统以实际风力机的数学模型为参考,为此需要在模拟系统中建立实际机组的数学模型,这是构建风力机模拟系统需要首先解决的问题;本章分别对风速、风力机和传动机构的建模展开研究,在分析各部分运行原理的基础上,给出了其数学模型的建模方法;之后以GE1.5MW 风力机为模拟对象,利用相似原理建立了能反映其运行特性的 2kW 缩比风力机模型,并对缩比前后风力机各参数的比例关系进行了理论推导;最后给出了线性化的风力机传递函数模型和离散域模型,并对风力机的运行稳定性进行了分析,为后续研究的开展奠定了理论基础。
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2.2 风速模型
模拟风力机特性,首先要对自然环境下的风况进行分析和建模。目前在风力发电技术研究中,通常将风速分解为平均分量V 和湍流分量 v(k)两部分。其中平均风速是一个低频变量,通常认为其在数分钟到几十分钟的时间范围内不发生变化。由于对风电机组的电气设备进行研究时,数十分钟的时间尺度内,电气设备早已进入稳态,因此在风速建模时可取平均风速为恒定值,在仿真时通过人工设定即可,这样既简化了实时仿真部分的计算资源,又体现出风力机模拟系统的实验条件灵活多变的特性。而湍流风速是自然风中的高频分量,表征了数分钟到秒级的风速变化情况,其幅值与变化频率将直接影响机组的动态品质,因此在风力发电技术的研究中,湍流风速的建模一直是一个研究热点。通常湍流强度 I 可通过实验测得,范围一般在 0.1~0.3 之间,在地形相对平坦时取值较小,而山地、丘陵地区的取值较大[37]。湍流强度表示了随机风速序列与平均风速的偏离程度,而另一个描述风速变化的重要参数是湍流尺度 Lv。通过空间某一点的气流脉动,可等效为平均风所携带的一系列理想涡旋叠加而成,湍流尺度就是气流中湍流涡旋的平均尺寸,也是一个与地形有关的量,其值范围常在 100~330m 之间[40]。
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第三章 无刷直流电机模拟风力机稳态特性....44
3.1 引言.......44
3.2 风力机稳态特性模拟原理 ......44
3.3 无刷直流电机自适应转矩观测 .....47
3.4 无刷直流电机转矩闭环控制策略 ........56
3.5 仿真研究与实验验证 .......60
3.6 本章小结......75
第四章 基于加速度反馈的风力机动态特性模拟研究..........76
4.1 引言.......76
4.2 加速度反馈实现风力机动态特性模拟的原理 .........76
4.3 加速度获取方法研究 .......77
4.4 加速度反馈动态模拟策略的稳定性分析 ..........87
4.5 加速度反馈动态模拟策略的准确性分析 ..........94
4.6 仿真研究与实验验证 .....101
4.7 本章小结.... 111
第五章 基于负载转矩观测的风力机动态特性模拟研究....112
5.1 引言..... 112
5.2 负载转矩反馈实现风力机动态模拟的原理 .... 112
5.3 负载转矩获取方法研究 ........ 113
5.4 参数偏差对模拟效果的影响分析 ...... 115
5.5 模拟系统机械参数辨识 ........ 117
5.6 基于负载转矩观测的模拟系统稳定性分析 .... 119
5.7 负载转矩观测实现风力机模拟的准确性分析 .......122
5.8 仿真研究与实验验证 .....128
5.9 本章小结....141
 
第六章 风力机模拟系统的软硬件设计
 
6.1 引言
论文前五章对风力机模拟系统实现所涉及的理论问题进行了论述,所有相关的实验验证工作都是在同一套实验平台上完成的,即风力机模拟系统实验平台。本章将从硬件和软件两方面对该实验平台的组成进行介绍,首先给出了基于 BLDCM 风力机模拟系统的整体硬件设计方案,并对其中涉及的 RT-LAB 实时仿真器、硬件接口电路、功率驱动电路、采样与调理电路以及保护电路等部分的设计进行了详细阐述;之后,介绍了采用快速控制原型方法时的系统软件设计,包括风力机模型、模拟算法和 BLDCM 控制等部分。依托本章讨论的软、硬件设计方案所构建的无刷直流电机风力机模拟系统实验平台,为本文的实验研究提供了良好的研究基础。风力发电模拟实验平台的整体硬件结构及连接方式如图 6.1 所示,主要由基于 BLDCM 实现的风力机模拟系统、风力发电机及其控制系统以及发电机负载等部分组成。BLDCM 与发电机之间的传动轴上接有 JN338 型转矩测量仪,通过其数据显示仪表可对稳态时传动轴传递的机械转矩与功率进行读值,但不做控制反馈。风力发电机为一台实验室已有的 12/8 极结构的电励磁双凸极发电机(Doubly salient electro-magnetic generator,DSEG),其控制算法主要由数字信号处理器(Digital signal processor,DSP)TMS342F2812 实现,此外发电机控制系统还包括励磁电流、发电机输出电压、电流的采样调理电路和隔离驱动电路等部分。发电机输出接不控整流桥与阻性负载,励磁功率电路采用不对称半桥结构,通过调节励磁电流 if实现电磁转矩调节,进而完成功率控制。风力机模拟系统中的 BLDC 电机采用三相全桥变换器驱动,其控制系统主要包括 RT-LAB实时仿真器及相关的接口板卡、数字量与模拟量的采样调理电路、保护锁存电路、隔离驱动电路等部分,控制算法在 RT-LAB 实时仿真器中实现,下面对各个组成部分以及控制软件的设计进行详细介绍。
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结论
 
本文对基于 BLDCM 的风力机模拟系统工作原理、模拟策略、电机控制方式和系统实现进行了深入的研究,并对提出的控制方法、理论推导得到的分析结果进行了详细的仿真分析和实验验证。论文的主要工作和创新点如下:
1、在分析风力机模拟系统组成的基础上,指出完整的风力机模拟系统应包括风力机的实时仿真部分、机电随动部分和相应的模拟策略,并分别对各部分的研究现状进行了总结;在此基础上,给出了基于自回归模型的风速建模方法,采用曲线拟合建立了 GE1.5MW 风力机的数学模型,对比了刚性与柔性传动机构的差异;提出基于相似原理和标幺方程一致准则,实现小功率电机模拟大功率风力机特性的方法,并详细推导了相似缩比模型与原风力机各参数的比例关系;上述工作有效地提高了风力机模拟系统的可信度,为模拟系统的实现奠定了理论基础。
2、研究了基于转矩闭环控制的风力机稳态特性模拟策略,采用机电类比的方法,推导了考虑摩擦系数差异的模拟电机转矩参考值,并对 BLDCM 跟随此转矩值所需的控制方法进行了详细研究;针对 BLDCM 反电动势为非理想梯形波时,电磁转矩与电流不成正比的问题,设计了滑模观测器对反电动势进行实时观测,进而实现电磁转矩计算;详细推导了电阻、电感偏差对滑模观测结果和转矩计算结果的影响,并基于李雅普诺夫稳定性理论,提出了一种参数自适应的 BLDCM 反电动势观测方法,有利于增强观测器的鲁棒性与观测精度;在此基础上,研究了BLDCM 转矩闭环控制的调制策略,并推导了每个开关周期的占空比计算公式;采用反电动势和电磁转矩观测值用于占空比计算,获得了准确的稳态转矩控制效果和快速的动态跟踪性能。
3、实现转动惯量补偿的风力机动态特性模拟时,需要反馈系统角加速度值,而霍尔位置传感器由于量化误差的存在,以其为基础计算的角加速度存在较大误差;为提高计算准确性,提出采用 BLDCM 反电动势归一化值作为位置信号源,利用 EKF 从中估计电机角加速度的方法,并分析了归一化处理结果与原值之间谐波含量的差异,结果表明 BLDCM 反电动势的归一化结果具有更少的谐波含量,有利于位置信号提取,整体的估计算法响应速度快、稳态精度较高。
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参考文献(略)
 

能源与动力工程硕士论文范文篇九

 
1绪论
 
1.1咪唑盐类阴离子探针的研究现状
Khatua等[9]首次将带两个正电荷的环状咪唑盐用于阴离子识别,单晶结果给出了受体和cr的作用方式是形成了(C一H) +-"cr氢键。同年,wu等[10]报道了一种苯基三脚架式咪哩盐阴离子受体,在乙腈溶液中,受体和cr、Br_及r以(C一H) +…X—氢键形式作用,文中并给出了核磁滴定的结果。此后,不同类型的咪唑盐阴离子受体相继出现,比如苯基三脚架咪哩盐受体、二苯撑咪哩盐受体、杯式咪挫盐受体以及穴式咪唑盐受体等等。不同形式的咪挫盐受体提供了不同的识别空间,故识别效果也会不同。另外,将突光团或者发色团引入这些受体中,通过光信号区分识别效果比核磁滴定更加方便。本文就几种类型的咪唾盐阴离子受体或探针进行简要介绍。1811等[79]基于咪唾离子液体合成了平面手性受体54a-d,如图1.13。该受体在室温时为液体,可用于外消旋阴离子的NMRCSR。当加入a-甲氧基-a-三氟甲基苯乙酸盐时,CF3在I9F NMR谱中可观察到两个峰。这种离子液体的平面手性在270°C也可以保持。
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1.2金属阳离子探针的研究现状
迄今为止,已报道了大量的用于检测重金属离子的荧光探针,广泛地用于环境监测、分子催化、生物焚光成像等领域。根据金属离子和探针的作用方式可以分为反应型和络合型两种,按照二者的作用机制,可以分为光致电子转移型(PET)探针、分子内电荷转移型(ICT)探针、焚光共振能量转移型(FRET)探针、激基缔合物型(Excimer)、以及后提出的聚合体诱导发射(AIE)、C=N互变异构作用和激发态分子内质子转移(ESIPT)型探针。由结构的顺磁性通过能量或电子的转移猝灭突光,大多数铜离子探针是猝灭型的。已报道的络合型金属离子探针多为以饱和键连接突光团和识别位点的构型,本文按作用方式对有不同识别基团的金属离子探针进行简要介绍。由于有些金属具有催化反应的特性,人们利用此特点将反应位点结合突光团设计了一些可以“被反应的探针”作为特定金属催化反应的底物,选择性的反应后,焚光发生变化,从而用于识别该金属离子。由于与金属离子作用后生成了完全不同的物质,反应前后的焚光性质发生变化较大,多可作为不同发射波长的比率焚光探针,这有效避免了探针浓度变化、背景焚光以及光漂白情况下的干扰,为离子检测提供了天然的内标,这有效地增加了识别的动力学范围,并提高了定量识别离子的准确性。铜离子具有较为活拨的反应性,下面介绍几种金属离子反应型探针。
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2单眯挫盐氟离子探针的合成及性能研究
 
2.1引言
氟离子是半径最小的一价阴离子,有较大的电负性,很多氟离子受体/探针就是根据它的这些性质设计合成的。比如以氧键形式络合氟离子[6,96,97],氟离子的脱质子性静电作用,氟离子的反应性,适当空间结构的环或者笼以及阴离子一71作用另外,还有一些受体/探针是采用多种识别方式共同作用咪唑是在阴离子识别中通常采用的识别基团,这种要是因为咪哩成盐后,其2-位C上的氢容易与阴离子形成特殊氧键,这种作用的氢键在静电作用下形成(C一的形式虽然咪唑盐形式的氟离子受体已有很多报道,但多数缺乏便利的信号输出,只能通过核磁波谱或者电化学测试手段获取,没有体现小分子检测快速方便的优点,这样的化合物只能称作受体。还有为数不少的阴离子探针是焚光猝灭型的,这样的探针不适合定量检测阴离子。Xu等人将萘并咪哩引入阴离子探针的设计,萘并咪哩作为咪唑识别位点的同时,还可以作为荧光信息输出单元。如图示2.1所示,化合物C-1和C-2是由三个蔡并咪挫夹在两个苯环之间构成笼状结构。当加入一个当量氟离子时,化合物C-2的突光最大发射波长由原来的474 nm蓝移到385 nm.而化合物C-1的荧光发生粹灭。
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2. 2实验部分
2,3-二氨基萘(97%,Alfa Aesar),甲酸(98%,国药集团化学试剂有限公司),浓氨水(AR,国药集团化学试剂有限公司),活性炭(AR,上海阿拉丁试剂有限公司产品),氢化钠(石油趟,60%,上海阿拉丁试剂有限公司产品),溴化节(99%,国药集团化学试剂有限公司),五氟-节溴(98%,百灵威化学试剂有限公司),六氟憐酸钾(99%,上海萨恩化学技术有限公司)。四丁基氟化铵(98%, Aldrich),四丁基溴化铵(99%,国药集团化学试剂有限公司),四丁基氯化铵(99%,国药集团化学试剂有限公司)’四丁基碘化铵(上海阿拉丁试剂有限公司产品,99%),四丁基醋酸铵(上海阿拉丁试剂有限公司产品,97%),四丁基磷酸二氧铵(上海阿拉丁试剂有限公司产品,98%),四丁基硫酸氧铵(上海阿拉丁试剂有限公司产品,98%),硝酸钠(上海阿拉丁试剂有限公司产品,99%)。四氢呋喃、二氯甲炼、甲醇、二氧六环和DMF均为分析纯试剂,天津市科密欧化学试剂有限公司生产;无水硫酸镁,分析纯,天津市光复科技发展有限公司生产。
.......
 
3多咪唑盐阴离子探针的合成及性能研究..........53
3.1 引言.........53
3.2合成路线.........54
3.3实验部分.........56
3.4结果讨论.........59
3.4.1化合物CSI-PF6对阴离子的选择性研究.........59
3.4.2化合物核苷酸的选择性研究.........63
3.5本章小结.........65
4手性多咪唑盐阴离子探针的合成及性能研究.........66
4.1 引言.........66
4.2合成路线.........67
4.3实验部分.........68
4.4结果讨论.........73
4.5本章小结.........79
5萘酰亚胺铜离子探针的合成及性能研究.........81
5.1引言.........81
5.2合成路线.........81
5.3实验部分.........82
5.4结果讨论.........85
5.5本章小结.........95
 
5萘酷亚胺铜离子探针的合成及性能研究
 
5.1引言
铜是人体内丰度第三的过渡金属,在许多生理过程中发挥重要作用。铜的缺乏或是过量均能引起身体机能的紊乱。人们利用方便快捷的焚光探针分析法来分析铜离子的报道为数不少。但是由于它的顺磁性,铜离子通过电子或能量转移猝灭突光。有些铜离子探针是猝灭型的,这样的探针不是理想的灵敏型探针。目前己有大量的增强型铜离子探针报道,然而还有为数较多的探针对铜离子的检测必须在全有机溶剂中完成[93,94],这限制了其应用于生物样品中铜离子的检测。另外,铜离子检测过程中容易受Zn2+,Fe3+等的干扰,有些探针表现出不够理想的选择性。因此,开发理想的铜离子探针仍然有重要意义。1, 8-萘酰亚胺荧光团是一个性能稳定的发色团,本课题组在这个发光团的开发上做了很多工作,设计了一系列性能优良的萘酷亚胺类焚光探针,这其中也包括Cu2+探针。课题组以往的工作中多在1,8-萘酰亚胺的4,5-位各引入一条支链,以脂肪链(一个或两个碳)连接氮原子的识别位点,以构成一个特定可以络合Cu2+的空穴。基于己有工作,本章在1,8-萘醜亚胺的4位引入一个邻氮-丁基苯-1,2-二胺基团,也即两个氮原子是以邻苯二胺的形式引入识别位点。其远离萘酰亚胺的氮原子(6)与焚光团是以C=C相连,构成PET型探针;另一方面,与蔡酰亚胺4-位直接相连的氨基(a)向发光团供电子,形成ICT型探针。邻氮-丁基苯-1,2- 二胺基团中,两个氣基被固定在苯环上,以共轭形式被连接,这样就更加固定了识别空穴,氣基和金属离子络合从而阻止重金属离子靠近突光团。另外,苯是一个71电子共轭体系,也有利于电子的传递,尤其是邻氮-丁基苯-1, 2- 二胺基团中离萘酰亚胺更远的氮原子上电子向荧光团的传递,提高PET效率。当LZ"N与Cu2+作用后,有望阻断PET过程,带来突光增强。
.......
 
结论
 
(1)以萘并咪唑为发光团以及阴离子受体设计并合成了三个单臂单咪哩盐化合物:NBMZ-1, NBMZ-2和NBMZ"3。利用紫外-可见吸收光谱、焚光发射光谱、ipiNMR和i9FNMR滴定实验研究了化合物NBMZ-1~3在乙腈中对阴离子的识别作用。结果表明,NBMZ-1能在乙腈中特异性比率识别氟离子,突光蓝移增强,并且在DMSO/水(95:5,v/v)水溶液中对氟离子也有类似的识别作用。而NBMZ-2和NBMZ-3在加入氟离子后突光均粹灭,通过理论计算结合核磁滴定和质谱分析结果推断NBMZ-1、NBMZ-2和NBMZ-3和氟离子之间均发生了氢键作用以及与过量氟离子的加成反应,而加入氟离子后三者焚光的差别可能是由三者与氟离子形成的氢键络合物的比例以及三者和氟离子加成产物自身的荧光不同造成。
(2)以苯为中心,设计并合成了以三条联咪哩为骨架的笼状化合物CSI-PF6,含有六个正电荷。通过核磁滴定初步判断F_进入笼内,而其它齒素离子在笼外与咪唑盐作用。
(3)三臂化合物TASI-PF6含有六个咪唑盐,研究了在HEPES缓冲水溶液(10 mM,pH 7.4)中,十二种核苷酸对化合物TASI -PFfi的吸收光谱和发射光谱的影响。其中ATP引起的焚光增强最明显,而GTP的加入引起焚光猝灭的程度最大。这可能是由于ATP和GTP的碱基部分的不同,化合物TASI-PF6与ATP以及GTP的络合方式是不同的。
(4)以酵母还原的手性反-US, 2S、-1,2-二轻基危为母体,花为发光团,设计并合成了两臂咪唑盐化合物CIP-PFfi、CDIP-PF6。在乙腈中,CIP-PF6的花激基缔合物发射宽峰基本消失,芘单体的发射增强,这可能也和F_和AcCT离子的碱性较强有关。并且F_引起较AcO_更为显著的劳光增强。
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参考文献(略)
 

能源与动力工程硕士论文范文篇十

 
第1章引言
 
1.1研究背景及意义
尽管塑料及其衍生物等高分子合成材料的使用对食品的包装、保鲜及储藏十分便捷且有效,有利于延长食品的货架期,但同时也引起了严重的环境问题,导致了资源浪费及环境污染。我国每年的包装废弃物超数千万吨,并持续快速增长,由于大部分塑料包装材料不可降解或回收率极低,因此,造成了严重的生态问题。近年来,可降解可食性的食品包装材料,引起了人们极大的关注。可食性薄膜是以可食性生物大分子物质为主要基质,辅以可食性增塑剂,通过一定的处理工序使各成膜组分分子之间相互作用,干燥之后形成的一种具有一定力学性能和选择透过性能的结构致密的薄膜⑴。可食性薄膜可运用于诸多产品中,以控制水分转移、气体交换或者氧化进程。使用可食性薄膜的主要优势之一,是可在天然高分子基质中加入某些活性成分或功能性成分(如,抗菌剂、抗氧化剂、吸潮剂、香味剂等),通过薄膜的迁移扩散作用,以此增强食品的安全性、营养价值及感官品质[2]。因此,开发生物活性、功能性包装薄膜,如,可降解的可食性薄膜,是当前食品保藏工业最富前景的技术之一,也是保证食品质量和安全极具潜力的手段之一。此外,可食性包装材料还因其不产生包装废弃物,有利于环境保护及资源保护,具有绿色包装的特性,而成为未来包装行业发展的重点之一。目前,已有许多发达国家投入了大量的资金和人力致力于可食性薄膜的研究和应用。英国、美国、德国等国家大力推广使用可降解、可食用的食品包装薄膜,如胶原肠衣、干湿醋层、精米纸、巧克力或糖衣、冰衣和食品涂膜等,以及用于药品的胶囊、药片包衣等。美国 NASA(National Aeronautics and Space Administration)和 Natick 实验室及其承包商也对适用于太空飞行中的可食性包装及可食性容器开展了广泛的研究工作[3]。我国近年来,也逐步致力于可降解的食品包装材料的生产及推广,限制非降解包装材料的使用。但国内外大量的文献报导及相关研究,主要集中于农畜产品的可食性涂膜保鲜工艺方面,而要从一种独立的、新型的、适合食品包装需求及实际生产的包装材料的角度去研究,尚缺乏成熟稳定的加工工艺、完整的包装性能数据及可靠的理论基础。
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1.2国内外研究现状
国内外的学者在可食性薄膜的成膜工艺、薄膜性能的改善以及涂膜方面,开展了较为广泛的研究和应用,此类研究主要关注于以下几个方面:I.可食性薄膜的阻隔性能(透气性和水蒸气扩散速率)研究;II.增塑剂种类或其添加量对薄膜性能的影响;III.薄膜的抗菌性能研究;IV.成膜工艺研究(倒平板成膜法等);V.薄膜的机械性能,如抗压、抗拉性能研究等。基于可再生资源的环境友好型、生物可降解“绿色包装”、“功能活性包装”以及“纳米包装”材料的基材,大体可分为以下5类:I.蛋白质:明胶、酪蛋白及玉米蛋白等。II.多糖、淀粉、糊精、纤维素衍生物、壳聚糖和琼脂等。III.藻酸盐、果胶等。IV.蜂蜡、类脂、甘油一酸酯和其它衍生物等。V.复合材料:不同材质的混合体。其中,蛋白质薄膜利用了蛋白质的两性解离性质、变性作用和别构/变构效应,与其它基材相比,在结构和生物功能上更富于变化。以蛋白质为基材所制得的薄膜,具有以20种氨基酸为基础的特殊结构、功能及成膜特性。蛋白基膜因其良好的水分、油、月旨肪、及挥发性成分的阻隔性能,对气体渗透有选择性而受到极大关注。
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第2章郭清分离蛋白-酪蛋白酸钠复合薄膜制备工艺的优化及其包装性能的调控
 
2.1前言
复合蛋白薄膜是一种新型的、绿色的可食性食品包装材料,其优良的包装特性及环境亲和性赋予了该类材料替代部分塑料的巨大潜力。以蛋白质为基质制备的可食性薄膜因其良好的水分、油、脂肪及挥发性成分的阻隔性,且对气体渗透有选择性而倍受关注。此外,蛋白膜本身还具备良好的营养功能,相关研究发现,蛋白浓度、热处理、pH值、增塑剂和空间结构等因素对薄膜的形成具有不同程度的影响作用[51]。以蛋白为基质的薄膜总体来说机械性能良好,这是由于蛋白质之间通过二硫共价键、氢键、静电力以及疏水键相互作用的结果[52]。在较低的相对湿度条件下,蛋白膜还具有良好的阻气性能,但其吸湿率较高,这是由于蛋白分子氨基酸的亲水性,以及亲水性的增塑剂(如甘油、山梨醇)等成分的影响而造成的[53,18]。乳清分离蛋白(WPI: Whey protein isolate) 一度被视为乳酷工业的废弃物,因其特殊的营养成分和成膜特性而得以广泛应用,并已成为控制抗菌剂释放和迁移的重要载体。它包含19% a-乳白蛋白、57%P-乳球蛋白、7%牛血清白蛋白、13%免疫球蛋白和4%蛋白膝[54],使其保持着球状蛋白质多级结构,大部分疏水基团和疏基埋藏在分子内部,促使天然蛋白膜凝聚的分子作用力主要依赖于氢键和疏水基团。乳清蛋白膜的形成主要是由于水溶液中乳清蛋白的热变性导致的,热处理改变了蛋白质的三维结构,使其分子内部疏基和疏水性基团暴露,一经千燥,促使分子间二硫键和疏水性键的形成。McHugh在75tM0(rC温度下加热处理8%?12% (wAv)的乳清蛋白生产出了乳清分离蛋白膜[56]。Perez-Gago等发现天然乳清蛋白(未经热变性)在pH为4-8时有较好的成膜性。热变性乳清蛋白膜的二硫键使其不溶,而天然乳清蛋白则形成可溶性膜。
.........
 
2.2研究方法
本研究采用四因素六水平的均匀实验设计方法[7i](见表2.1),以原料配方中乳清分离蛋白浓度及1)、酪蛋白酸钠浓度;(2)、甘油的添加比例;(3)及成膜温度Z(4)为四个主要影响因素,每个因素设定六个均匀分布的水平值;以通过实验测定的复合蛋白薄膜的机械强度、透气性能、透湿性能、水溶性及光学性能等为主要评价指标,通过比较优化,确定最佳工艺配方,并采用多重回归分析法,确定各个影响因素对评价指标的影响作用。由于蛋白质大分子材料的结构、性质不同于塑料高分子材料,不具备随温度而形变的三态(玻璃态、高弹态、粘流态),因而不能釆用高效的双螺杆挤压吹膜等方法,只能通过溶解、乳化均质、干燥成膜的流延法。本研究在前期工作开展的基础上,提炼并釆用下述工艺流程[3,4,6]:①乳清蛋白按比例Z(l)用常温去离子水搅拌2h溶解,于85°C水浴30min,使蛋白质变性,冷却待用;②酪蛋白酸钠按比例Z(2)用常温去离子水溶解待用;③将①、②两种溶液按体积比1:1(v/v)混合,并加入一定量(mc)的甘油,磁力搅拌,充分混合乳化均质后,制备成复合蛋白膜溶液(具体比例见表2.1)。
.....
 
第3章复合蛋白薄膜材料的酶致改性研究.......26 
3.1 前言......26
3.2 研究方法......28
3.2.1薄膜制备及改性工艺流程......28
3.2.2薄膜改性研究实验设计方法......28
3.2.3 实验原材料与试剂......28
3.2.4主要仪器设备......29
3.2.5成膜溶液及薄膜样品性能分析测试方法......29
3.3 结果与分析......30
3.4小结......36
第4章活性抗菌复合蛋白膜的物理性能及抑菌性能研究......37
4.1 前言......37
4.2 研究方法......39
4.3 结果与分析......41
4.4 小结......49
第5章抗菌复合蛋白膜吸湿行为的分析及模拟.....50
 
第7章复合蛋白薄膜种类及其包装性能参数的聚类分析
 
7.1前言
聚类分析(Cluster Analysis)又称集群分析,是数理统计中研究“物以类聚”的一种分类分析方法,该方法能够根据多个样品数据(个案,Cases)、样品的多项指标(变量,Variables),定量地确定指标之间、样品之间的相似性或亲疏关系,并据此联接这些指标或样品,将其归成各大小类群,使得类群内的相似性尽可能大,类群间的相似性尽可能小,最后构成分类树结构图(Tree)目前,聚类分析法在生物学的基因表达数据分析及蛋白质序列分析中,已展现出广阔的应用空间和实用价值:通过选择恰当的数据预处理方式和相似性度量方法,对基因表达数据进行处理,可获得高质量聚类结果[185]。KelilA等提出了一种蛋白质序列相似度的计算方法SMS,通过采用层次化的聚类方法,生成系统进化树,并对进化树节点赋予协相似度值,根据阈值来划分蛋白质家族的种类[186]。此外,聚类分析法在食品分级[187]、水源判断、药物配伍[188,189]等多种领域也有所应用。周大铭等通过对15种食品中的Zn、Cu、Fe、Mg的含量作为分级特征,进行聚类分析,研究结果表明Zn、Cu、Fe、Mg含量均值最低的番爺为I级,白鸡、鲜牛奶、黄瓜、新会柑、罗岗橙为II级,精面粉、水豆腐、粉丝、肉、鸡蛋、鸭蛋、西洋菜、白芽为III级。姚洁等根据矿井水样的水化学数据,分析矿井水样的水化学特征,确定水源的识别指标,运用系统聚类分析法研究了矿井水源识别方法,并结合已有的矿井水样数据,通过MATLAB仿真实验,证明了聚类分析方法对鉴别矿井水源的效果[191]。董俊龙等采用聚类分析以及关联规则方法,分别对数据进行建模,并应用了 Apriori算法和K-means算法,构建了基于B/S结构的针对古代方剂的数据挖掘系统,并从中找寻药物配伍规律,展示出了一定的有效性,为中医药的开发提供了新的研究手段。
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结论
 
乳清分离蛋白-酪蛋白酸钠(WPI-NaCas)复合蛋白薄膜是一种新型的、绿色环保的可食性食品包装材料,其优良的包装特性及环境亲和性赋予了该类材料替代部分塑料的巨大潜力。通过酶法改性及抗菌介质的添加等措施,可提高其疏水性、抗菌性等功能特性,并成为抗菌剂、抗氧化剂和其他防腐剂的重要载体,通过扩散渗透作用可使抗菌介质向被包装的食品表面缓释,延长食品的货架期,从而减少或避免食品中防腐剂的添加,提高食品的安全性。采用均匀实验设计方法和流延成膜法制备WPI-NaCas复合薄膜。研究了各成膜因素对薄膜包装特性的影响,确定了其主要及显著性影响因素,并建立了相互间的函数关系式,以实现对薄膜包装特性的定向、定量调控。研究发现:乳清分离蛋白1(1)对复合薄膜的透气性和水溶性起主导作用,其浓度的增大,有助于提高薄膜的阻气性,降低水溶性,是提高材料结晶度、致密度及疏水性的重要成分。酪蛋白酸钠义(2)对复合薄膜的透气性、透湿性、水溶性、透光率及雾度,均起显著的影响作用,能提高薄膜的水溶性及透光率,降低雾度,但同时,弱化了薄膜的阻隔性能,使透气率和水蒸气透过率增大。甘油;(3)作为增塑剂,具有极性和亲水基团,有助于提高薄膜的弹塑性、伸长率、水溶性和透光率,但导致了薄膜阻湿性能和抗张强度的下降。(4)通过改变薄膜的内聚力及粘附力,影响着材料的抗张强度,使其在一定的范围内随着成膜温度的升高而降低,但对其它性能参数的影响不显著。
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参考文献(略)

原文地址:gclw/23682.html,如有转载请标明出处,谢谢。

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