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电子电机集成系统

随着电力电子、电机及控制技术高度一体化,电机已不再单独地作为一个孤立的对象来进行设计、分析和应用,而是把电机的研究置于整个系统之中,简称之为电子电机集成系统。该研究方向着重于电力电子、电机及其控制系统的集成特性,使得三者从设计、制造、运行都更紧密地融为一体,从而摆脱了传统的单一电机或单一控制器的研究模式。十五期间,该研究方向主要在下面三个方面取得成果。

1)电子电机集成系统分析建模的理论和方法

随着电力电子与电机控制一体化的发展,系统建模和集成方法成为重要问题。本研究提出了有关系统建模和系统集成的一些新理论和方法,特别在适应于逆变器供电的变频调速电机研究上提出和建立了一套设计和分析方法,在主要尺寸公式、电机常数和转子槽形优化设计方面突破了原有的理论框框,提出了电机输出函数、电机自适应设计模型、电机设计参数与控制参数匹配等新概念和新方法。研究出的变频调速电机设计软件已在国内外多家电机生产厂家应用。并基于该软件的分析与设计,研制出多台高效变频调速电机。有关研究论文分别发表在《中国电机工程学报》、《电工技术杂志》、《清华大学学报》和IEEE期刊上。该成果2004年获得了国家发明专利,基于该成果研制出的大中型变频调速高效异步电动机2002年获得江西省新产品二等奖。分别从1999年和2001年开始至今,开设出本科生专业新课电子电机设计与分析和研究生专业新课电力电子与电机集成系统,编写了相应的讲义和课件。十五期间,本研究方向上培养了博士1名(孟朔),硕士3名(赵强,刘姗姗,关慧)。

十五期间部分具有代表性的论文和专利成果有:

[1] 孟朔, 赵争鸣,变频调速异步电机优化设计,《清华大学学报》,Vol. 41No.6, 2001pp.120–123 EI02116885686

[2] C Chan, Z Zhao, S Meng, Strategy and Implementation for Design and Analysis of Induction Machines Supplied by Power Electronic Inverters, IEEE Trans. on Industrial Electronics, December 2001, Vol. 48, No. 6, pp. 1272 – 1274  SCI 499KB

[3] 赵强, 赵争鸣,永磁电机永磁体尺寸优化设计,《电机电器技术》,20014月,pp.2 - 5

[4] 赵争鸣, 变频调速电动机系统现状及发展,《电气时代》,200211月,pp.48 - 50

[5] 邬向东, 赵争鸣, 董仲恒,大中型变频调速电动机的高效风扇设计,《中小型电机》2003 30 3 P.33-35

[6] 邬向东, 赵争鸣, 孟朔, 董仲恒,大中型变频调速高效电动机的优化电磁设计,《电工技术杂志》2003 3 P42-4469

[7] 关慧, 赵争鸣, 孟朔,变频调速异步电机场路分析中的动态网格剖分,《中小型电机》2003 30 6 P.14-17

8] 刘珊珊, 赵争鸣, 孟朔,开关磁阻电机的快速仿真非线性模型,清华大学学报(自然科学版)2002 42 9 P.1176-1179,(EI 03027313231

[9] 关慧, 赵争鸣, 孟朔, 邬向东,变频调速异步电机的优化设计,《中国电机工程学报》2005 24 7 P.194-199,(EI 04378355249

[10] 赵争鸣,孟朔,国家发明专利,变频调速交流异步电机,ZL 00100151.5

2)高效太阳能扬水和照明综合应用系统

该研究成果是电力电子与电机集成系统理论与实际应用相结合的体现,它集光电子学、电力电子技术、电机拖动、电机学、现代控制及电能储存技术于一体,具有四个突出创新点:(1)将扬水系统与照明系统有机地结合起来使太阳能得以最优应用;(2)最大功率点跟踪控制,使得整个系统始终工作在功率输出最大的状态,从而更有效地利用太阳能,提高整个系统的效率;(3)最小损耗充放电方法,实现了长串联蓄电池组的充放电能量自动管理,提高了蓄电池充放电效率,延长了蓄电池寿命;(4)高效变频调速异步电机驱动潜水泵。目前已在我国西部地区全面推广,在新疆和田地区建立了太阳能绿洲生态系统示范工程,解决了当地一千多人口用电用水及农田灌溉问题,取得了很大的经济效益和社会效益。作为北京申办2008年奥运会中标项目,2001年在北京首都体育馆和奥林匹克体育中心建立了该系统示范工程。该成果2001年获中国高校科技进步一等奖。2005年出版了编著《太阳能光伏发电及其应用》。2003年获得国家发明专利并成功地进行了产业化工作。基于该研究成果,赵争鸣教授于2003年向北京奥委会提出了“2008年北京奥运应用太阳能建议,该建议于2006年获得北京市科协优秀建议特等奖。该研究方向上培养了博士后1名(刘云峰),硕士3名(陈昆仑,王健,刘树)。

十五期间该研究具有代表性的成果有:

[1] 赵争鸣,卢强,刘云峰,孟朔,袁立强 等,太阳能扬水与照明综合应用系统2001年,中国高校科技进步一等奖

[2] 赵争鸣,刘建政,孙晓英,袁立强,《太阳能光伏发电及其应用》,200510月,科学出版社

[3] 赵争鸣 刘建政, 孟朔, 陈昆仑, PV pumping and lighting combined system,Proceedings of the IASTED International ConferenceMay 2002California,USA,pp.351 – 354

[4] 吴理博, 赵争鸣, 刘建政, 王健, Implementation of a Stand-alone Photovoltaic Lighting System with Maximum Power Point Tracking and High Pressure Sodium Lamp, PEDS 2003 The Fifth International Conference on. Singapore,2003: 1570-1573

[5] 吴理博, 赵争鸣, 刘建政,用于太阳能照明系统的智能控制器,《清华大学学报》2003 43 9 P.1195-1198,(EI 04078020847

[6] 刘树, 刘建政, 赵争鸣, 王健, 吴理博, 基于改进M PPT 算法的单级式光伏并网系统,《清华大学学报》2005 45 7 P.873-876,(EI 05369347279

[7] 吴理博, 赵争鸣, 刘建政, 刘树, 袁立强, Modified MPPT Strategy Applied in Single-Stage Grid-Connected Photovoltaic System, ICEMS’2005. Proceedings of the Eighth International Conference on. Nanjing, China2005: 1027-1030

[8] 吴理博, 赵争鸣, 刘建政, 王健, 钟志刚, 独立光伏照明系统中的能量管理控制,《中国电机工程学报》 2005 25 22 P.68-72,(EI 06039650243

[9] 吴理博, 赵争鸣, 刘建政, 王健, 袁立强, 具有无功补偿功能的单级式三相光伏并网系统,《电工技术学报》 2006 21 1 P.28-32,(EI 06269966604

[10] 吴理博, 赵争鸣, 刘建政, 王健, 刘树, 单级式光伏并网逆变系统中的最大功率点跟踪算法稳定性研究,《中国电机工程学报》 2006 26 6 P.73-77,(EI 06239925340

3)基于IGCT的高压大容量变频调速系统

作为高压大容量电子电机集成系统的重要方面,十五期间集中开展了基于IGCT的高压大容量变换器理论研究和工程实践。该研究以基于新型开关器件IGCT的高压三电平变频器的研究开发为主导,兼顾远程控制DCS研究、适配的高压变频电动机设计以及外围闭环协调控制等内容,从而构成完整的高压大容量三电平变频调速系统。该研究在开关器件特性、主电路结构、控制系统、机械结构、冷却系统、检测与保护、通讯与界面、试验检测等多方面取得了创新性成果,全面掌握了这些方面的关键技术。获得国家发明专利授权2项,申报受理发明专利8项,申报软件著作权4项。2004低压三电平变频调速系统获得北京市科技成果二等奖。2005年完成了1250kW/6000V高压三电平变频器样机研制,完成了从原理样机、关键技术攻关、系统集成和现场运行等全过程,样机经过了一年多的现场运行试验,通过了国家电控配电设备质量监督检验中心的产品检测。2006年通过了教育部和中电联联合主持的技术成果和产品成果鉴定,评价为:该成果填补了我国在高压大容量三电平变频器产品生产上的空白,技术上整体达到国际先进水平,部分关键技术达到国际领先水平。该研究方向上培养了博士1名(袁立强),硕士3名(杨志,钱珏,崔志良)。

十五期间部分具有代表性的理论成果有:

[1] 赵争鸣, 白华, 张海涛, 袁立强,多电平大容量变频调速系统中直接转矩控制的应用, 《中国电机工程学报》2005 25 0 P.24,(EI 06129772729

[2] 赵争鸣, 张海涛, 袁立强, 白华, 杨志, 基于IGCT的高压三电平变频器失效机理及保护策略,《电工技术学报》2006 21 5期,P.1-6,(EI 063410082185

[3] 赵争鸣, 袁立强, 孟朔, 李崇坚,通用变频器矢量控制与直接转矩控制特性比较,《电工技术学报》2004 19 4 P.81-84,(EI 04448436508

[4] 白华, 赵争鸣, 胡弦, 陈昕,三电平变频调速系统中直流预励磁试验研究,《中国电机工程学报》2006 26 3 P.26,(EI 06189856682

[5] 袁立强, 赵争鸣, The Optimization of Snubbers for IGCT-based Voltage Source Inverters, The 29th Annual Conference for the IEEE IES, IECON 2003. 679-682,(EI 04118060003

[6] 袁立强, 赵争鸣, 白华, 李崇坚, 李耀华, 用于大功率变流器的IGCT功能型模型,《中国电机工程学报》2004 24 6 P.65-69,(EI 04328306620

[7] 张海涛, 赵争鸣, 孟朔, 袁立强,三电平变频调速系统的三相短路制动仿真与实验分析, 《中国电机工程学报》2004 8 P.56-60,(EI 04418404459

[8] 白华, 赵争鸣, 袁立强, 李冰, A High Voltage and High Power Adjustable Speed Drive System Using the Integrated LC and Step-up Transforming Filter, IEEE Trans. on Power Electronics , Vol.21N0.5,pp.1336-1346,Sept.2006SCI 084XJ

[9] 袁立强, 赵争鸣, 刘建政, Experiment and Analysis for Single IGCT Equipped in MV Three-level Inverter, Conference Record of IAS' 2005, 2005, Vol.2: 825-829,(EI 062910009453

[10] 白华, 赵争鸣, 袁立强, 张海涛, 磁场定向与直接转矩控制变频器鲁棒性分析,《中国电机工程学报》2006 26 1 P.91-95,(EI 06159819381