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磁悬浮飞轮转子的动态特性研究

曹操  
【摘要】:飞轮储能作为一种古老的储能方式,以前由于很多瓶颈技术的限制,一直没有得到突破性的发展。到20世纪,由于复合材料的出现,磁悬浮技术的发展以及电力电子技术的发展使得飞轮储能将会给未来的储能形式带来一场革命。 磁悬浮飞轮储能具有比能量高、比功率大、充放电快、寿命长、无任何废气废料污染等优点,使其具有广阔的研究和发展前景。磁悬浮飞轮转子稳定运行是飞轮能够储能最基本的条件,飞轮转子良好的动态特性可以充分发挥飞轮的储能优势。因此飞轮转子的动态特性研究是磁悬浮飞轮储能系统一项重要的研究内容。 本文首先对磁悬浮飞轮储能系统进行了结构设计,其中内容包括磁悬浮飞轮转子设计、磁力轴承设计、控制系统以及真空与密封装置的设计研究。对高速下的飞轮转子进行了应力分析,对磁力轴承的磁感线分布和所能产生的磁力进行了分析,对磁悬浮飞轮储能系统的设计理论进行了初步探讨。 考虑陀螺效应以及传感器与磁力轴承非共点安装的情况下来建立磁悬浮飞轮刚性转子动力模型,在PD控制下分析了飞轮的涡动频率。以及采用传递矩阵法将飞轮转子看成是多质点的柔性转子,将轴上零件作为附加质量添加在轴上。计算飞轮自由转子和弹性支承(复刚度)下飞轮转子的临界转速及其对应的各阶频率对应的振型。同时引用复刚度的概念,将复刚度2-范数化后分析了复刚度和复阻尼与转速之间的关系。最后分析了磁力轴承支承跨距和悬伸长度对磁悬浮飞轮转子固有频率的影响。 分析了PD控制下陀螺效应对整个系统零极点的影响,仿真分析表明随着飞轮转子陀螺效应的增强,系统的零极点在向s-平面的右平面移动,主导极点的阻尼也越来越小。陀螺效应是使磁悬浮飞轮储能系统不稳定的主要原因。交叉反馈解耦控制是采用交叉耦合项来抵消陀螺耦合项来抑制陀螺效应。线性二次型最优反馈控制是以二次型函数取得极小值为准则来获取状态反馈矩阵K来补偿陀螺效应,仿真分析表明交叉反馈解耦控制和分析线性二次型最优反馈控制都能较好使飞轮转子获得较好的动态性能。最后分析了线性二次型最优反馈控制下飞轮转子的不平衡响应。


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