1kW飞轮电机及其驱动器的研究与设计

飞轮电池是一种新型的机电能量转换与储存装置。其原理就是由电网提供的电能驱动电机带动飞轮高速旋转,把能量以动能的形式储存起来,当能量紧急缺乏时,再将能量释放出来。由于飞轮储能具有比能量大、比功率高、无二次污染、寿命长等优点,在短短的时间内得到了很快的发展。本课题则是对飞轮储能涉及的两大关键技术——飞轮电机设计与能量双向变换器及其相关技术进行了系统的理论分析,硬件设计调试和仿真分析。 首先,详细阐述了飞轮储能系统理论,明确了飞轮储能的容量与转速的平方成正比。因此,提高飞轮电机的转速是增强系统储能能力的重要手段。为了使传统的永磁无刷直流电机更适应于高速运行,本文提出了一系列的改进措施。包括加强转子永磁块强度的固定方式,减少转子损耗的HALBACH充磁方式和定子高导磁材料的选择等,并且以50000r/min转速为例,进行了小功率飞轮电机参数的计算。 其次,分析了系统的能量特点,提出了PWM变流器的双向能量控制方式,进行了小功率能量转换装置的硬件电路的设计调试和软件流程的设计。主要包括:主电路及驱动电路的设计;TMS320F2812为核心的控制器设计;检测电路方面,进行了适合高速速度检测传感器的设计制作,以及相电流、直流母线电压等测量电路的设计;为了使系统具有工作安全可靠,设计了过流、过压、过热等保护电路。 最后,建立了飞轮电机电动和发电模型,根据充电和放电控制策略,进行了仿真研究。结果表明:充电时,飞轮转速上升能够平稳地跟随给定的“S”型曲线,低速段的恒功率和高速段的恒转矩混合控制会使飞轮转速安全稳定的提升;放电时,PWM整流控制方式可以使直流侧输出恒压,并实现了高功率因数的能量传输。