直流电路的动态分析
直流电路的动态分析范文第1篇
关键词： Multisim； 三极管； 放大电路； 模拟电子电路
中图分类号： TN702?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）04?0123?04
0 引 言
放大电路是构成各种功能模拟电路的基本电路，能实现对模拟信号最基本的处理――放大[1]，因此掌握基本的放大电路的分析对电子电路的学习起着至关重要的作用。三极管放大电路是含有半导体器件三极管的放大电路，是构成各种实用放大电路的基础电路，是《模拟电子技术》课程中的重点内容。在课程学习中，一再向学生强调，放大电路放大的对象是动态信号，但放大电路能进行放大的前提是必须设置合适的静态工作点，如果静态工作点不合适，输出的波形将会出现失真，这样的“放大”就毫无意义[1]。什么样的静态工作点是合适的静态工作点；电路中的参数对静态工作点及动态输出会产生怎样的影响；正常放大的输出波形与失真的输出波形有什么区别；这些问题单靠课堂上的推理及语言描述往往很难让学生有一个直观的认识。在课堂教学中引入Multisim仿真技术，即时地以图形、数字或曲线的形式来显示那些难以通过语言、文字表达令人理解的现象及复杂的变化过程，有助于学生对电子电路中的各种现象形成直观的认识，加深学生对于电子电路本质的理解，提高课堂教学的效果[2]。实现在有限的课堂教学中，化简单抽象为具体形象，化枯燥乏味为生动有趣，充分调动学生的学习兴趣和自主性 [3?4]。
1 Multisim 10简介
Multisim 10 是美国国家仪器公司（NI公司）推出的功能强大的电子电路仿真设计软件，其集电路设计和功能测试于一体，为设计者提供了一个功能强大、仪器齐全的虚拟电子工作平台，设计者可以利用大量的虚拟电子元器件和仪器仪表，进行模拟电路、数字电路、单片机和射频电子线路的仿真和调试[5?6]。
Multisim 10 的主窗口如同一个实际的电子实验台。屏幕中央区域最大的窗口就是电路工作区，电路工作窗口两边是设计工具栏和仪器仪表栏。设计工具栏存放着各种电子元器件，仪器仪表栏存放着各种测试仪器仪表，可从中方便地选择所需的各种电子元器件和测试仪器仪表在电路工作区连接成实验电路，并通过“仿真”菜单选择相应的仿真项目得到需要的仿真数据[7?8]。
2 三极管放大电路的仿真分析
本文以图1所示的阻容耦合三极管单级放大电路作为分析对象，分别进行静态分析和动态分析。静态分析将分析电路的直流工作情况，动态分析将分析电路对交流信号的放大情况。
根据实验电路图，在Multisim 界面下模拟连接电路，确定电路中的各元器件参数，使用Multisim 虚拟仪器进行在线测量[9]。与理论分析一样，仿真分析时应遵循“先静态，后动态”的原则[1]。首先获取电路的静态工作点数据，再输出电路的动态输出情况。这里将利用 “直流工作点分析”功能读取静态工作点数据，利用虚拟仪器“示波器”观察三极管的输入/输出波形。
2.1 仿真分析的理论依据
分析图1所示电路，可求得其静态工作点估算表达式：
由理论分析可知，当利用三极管单级放大电路对交流小信号进行放大时，如果为电路设置了合适的静态工作点Q，就能保证三极管在整个信号周期内均工作在放大区，放大输出的信号就不会失真。若Q点偏高，三极管会在输入信号的正半周因集电极电位[UC]低于基极电位[UB]而饱和，集电极电流[IC]因此会出现顶部失真，而放大电路输出的信号则会出现底部失真。若Q点偏低，三极管会在输入信号的负半周因发射结电压[UBE]低于导通电压[UON]而截止，基极电流[IB]及集电极电流[IC]因此会出现底部失真，而放大电路输出的信号则会出现顶部失真[10]。三极管在直流电源及外电路的共同作用下静态工作点是否合适，可由[UBEQ]，[UCEQ]的取值进行判断。
（1）若[UBEQ]的取值为三极管2N222A的导通电压[UON]，约在0.6～0.7 V之间，且[UCEQ]的取值接近于[VCC]的[12]时，能保证三极管在整个信号周期均能工作在放大区，输入信号被放大一定倍数后在输出端不失真的输出，且输出与输入反向。
（2）若[UBEQ]的取值为三极管2N222A的导通电压[UON]，但[UCEQ]的取值小于[UBEQ]时，三极管此时已经饱和，在输入信号的正半周会一直处于饱和状态，输出信号因此出现底部失真现象。
（3）若[UBEQ]的取值小于三极管2N222A的导通电压[UON]，但[UCEQ]的取值接近于[VCC]时，三极管此时基本处于截止状态，在输入信号的负半周会一直处于截止状态，输出信号因此出现顶部失真现象。
2.2 仿真分析
在图1所示电路中选择节点电压[U1（UB）]，[U6（UC）]，[U5（UE）]作为“直流工作点分析”的三个电路变量，据此计算[UBEQ]，[UCEQ]的值，并判断晶体管此时的工作状态。
获得静态工作点数据后，通过电阻[R1]，[R2]为电路输入频率为1 kHz、幅值为500 mV的正弦信号[ui]，此时三极管上真正的输入信号应为电阻[R2]两端获得的动态小信号[uR2]，其幅值低于10 mV，符合实验电路交流小信号的要求。三极管的动态输出信号为负载[RL]两端的输出电压[uRL]，用双踪示波器显示实时的输入信号[uR2]及输出信号[uRL]的波形，验证上述分析的结果。
由式（1）～式（3）可知，可调电位器[Rp]的取值将影响各静态工作点的取值，仿真过程中通过修改电路元件[Rp]的参数改变基极电阻，观察各项静态工作点数据及输出波形因此产生的变化。
2.2.1 合适的静态工作点
当[Rp=91 kΩ]时得到如图2（a）所示的直流工作点数据，可得三极管三个极此时的电位：
图2（b）所示即为此时的输入输出波形，从波形图看出，输入与输出反相，[uRL]正负半周对称，[uR2]的信号峰值约为9.75 mV，[uRL]的信号峰值约为101.78 mV，[uRL]实现了对输入信号[uR2]不失真的放大，符合理论分析的结果。
2.2.2 静态工作点偏高
直流电路的动态分析范文第2篇
关键词：特高压；直流输电线路；雷击；暂态识别；电力故障 文献标识码：A
中图分类号：TM733 文章编号：1009-2374（2016）28-0130-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.28.065
±800kV特高压直流输电线路的发展对我国的经济发展有着重要的作用，同时也对西电东送战略布局中远距离的传输有着十分重要的意义。但由于我国地域广阔，特别是偏远地区人口稀少、地理条件较为复杂、天气变幻莫测、输电线路距离较长、线路分布比较广泛及在高原环境下发生雷电的活动极其不规律，直流输电线路特别容易受到雷击。当发生了雷击输电线路时，会产生极其不稳定的脉冲波，对于研究雷击的暂态识别和故障分析有着重要的意义，必须正确地区分雷击造成输电线路是非故障性的、故障性的还是普通的短路现象等特性，只有正确且快速地做出识别和分析故障，才会对保护行波及暂态识别具有重要的意义。当±800kV特高压直流输电线路受到雷击时，如果在未发生故障的同时，极线上的电压行波在围绕着直流分量产生上下交替的变化，电压的行波在经过多次的折反射后，将迅速衰减为零，这个特征可以作为判断和识别雷击干扰的特征。雷击直流输电线路时产生的电压行波将会产生一定的变化，当雷击时造成了直流输电线路故障的情况下，电压行波会被突然的断开，这个过程相当于闭合电路状态，故障发生后，电压将会迅速地衰减；当雷击时未造成直流输电线路故障的情况下，电压行波会产生一定的波变换，数值与初始相等。根据这两种特性造成故障的方法可以进行识别，据此特征构造故障行波的识别方法。
1 ±800kV特高压直流输电线路雷击的暂态识别
1.1 雷电放电的主要原理
雷电对直流输电线路放电的过程与传统的交流输电线路有所不同，由于直流输电线路分为正、负极两极，其正、负极有着相反的极性，而雷电放电过程产生的电流基本上都是负极性，根据同极性相互排斥、异极性相互吸引的极性原理，雷电放电产生的负极性电流通常会向直流输电线路正负极中的正极放电，导致直流输电线路正负极电流不一致，这个过程将会对线路产生一定的影响，甚至会出现故障，但故障并不是单方面的，包括雷击导致的未发生故障和发生故障的现象。
1.2 雷击未发生故障的暂态特征
当雷击±800kV特高压直流输电线路未发生故障时，其雷击的地方所呈现出来的线路波阻抗始终是连续的，雷击点的波形是不存在折反射现象的，较高频率的雷击波在直流输电线路的两个端点的折反射一定程度上造成了线模与轴线之间存在一定的电压差，在暂态电压中有着丰富的高频分量，高频段上有着比较明显的暂态电压，这种未发生故障的高频雷击波能量随着时间在逐渐消耗，波的幅值也在逐渐衰减，且雷电波的频率越高其衰减的速度就越快。由于雷击直流输电线路时产生的雷电波的低频分量比较小，其在线路中的折反射现象的暂态电压低频分量也比较小。因此，雷击特高压直流输电线路未发生故障时，其雷电波的暂态电压低频分量较小，在线路上的折反射逐渐在衰减，线路两端的雷电波呈现出的电压变化也是一致的。通过这种雷击暂态识别的方法，就可以简便地分析和判断出是否在雷击时直流输电线路发生了故障。
1.3 雷击发生故障的暂态特征
当雷击±800kV特高压直流输电线路发生故障时，其雷击的地方所呈现出来的线路波阻抗不是呈连续的，雷击点的波形有着明显的折反射现象，雷击时雷电波电压远远大于线路的闪络电压，直至造成短路故障的现象。发生短路故障的暂态电压分量包括雷电波和接地短路两种形态，在雷电波高频段的开始部分，雷电波非常活跃，各段的雷电波含量都比较高。而当雷击发生短路现象后，雷电波被瞬间截断，具有高频能量的雷电波在快速衰减，具有中低频段能量的雷电波也在快速衰减，逐渐转化成为普通短路故障的特征。雷击发生故障与普通的短路故障有着明显的不同，在高频段上雷电波的作用比较明显，暂态电压情况下的高频段上的能量也明显比普通短路故障时要高出很多，随着雷电流在不断减小，高频的能量也会不断减小。通过这种分析和判断方法，就可以判断在雷击直流输电线路时发生的是雷击故障还是普通的短路故障。
1.4 普通短路故障的暂态特征
±800kV特高压直流输电线路发生接地普通短路故障时，与雷击故障导致的短路现象有着明显的不同，因没有了雷电波的作用，故其暂态电压所呈现出来的高频分量能量远远低于雷击时发生故障的情况，线路中的高频分量以更快的速度在衰减，具有中低频段能量的雷电波也以更快的速度在衰减，逐渐转化成为普通短路故障的特征，这点与雷击发生故障时比较相似。通过这种暂态识别的方法，就可以简便地分析和判断出直流输电线路发生故障是雷击故障还是普通接地短路故障的区别，从而可以更好地进行维修和保养。
2 ±800kV特高压直流输电线路雷击的故障分析
2.1 雷击未发生故障的特征分析
当雷击发生未对±800kV特高压直流输电线路造成故障时，在雷击输电线路点处相当于叠加了未知的一个电流源，由于没有发生线路故障，在雷击输电线路点处并没有形成一定的故障电流通道。例如，在±800kV特高压直流输电线路采取雷击电磁的暂态仿真模拟，设定频率为20kHz，在离线路一端整流保护的安装处300公里，发生雷击但没有出现故障。根据分析可以得到，在保护的安装处发现极短时间电压各极发生着交替变化，雷电波的干扰对电压暂态状态下的分量相对稳态，雷电波电压分量逐渐降低至相对稳态的状态，没有发生短路的情形。雷击输电线路分为反击和绕击，但其在雷击未发生故障时两种雷击方式有着不同之处，雷电反击未发生故障时，特高压直流输电线路受到雷电波的干扰，呈现出了比较相似的变化电压；而雷电绕击未发生故障时，雷电波的干扰下呈现出比较相反的变化电压。通过分析得知，±800kV特高压直流输电线路受雷击未发生故障时，由于没有产生一定的故障电流，电压扰动分量在雷电波的影响下呈现的状态较小，电压波形的暂态分量在交替变化下迅速衰减到原有的状态，进而可以很直观地进行故障的分析。
2.2 雷击发生故障的特征分析
当雷击发生对±800kV特高压直流输电线路造成故障时，这个过程中一般可以分三个阶段进行：第一个阶段就是特高压直流输电线路遭到雷电袭击的过程，也就是雷电流输入直流输电线路正极的阶段；第二个阶段就是输电线路两端形成暂态电压的过程；第三个阶段就是输电线路两端形成的电压差超出了一定的耐受电压范围时，雷击的过程就会使线路发生故障，这也就一定程度与普通短路故障特征相一致。例如，在±800kV特高压直流输电线路采取雷击电磁的暂态仿真模拟，在离线路一端整流保护的安装处300公里，发生雷击出现故障，根据分析可以得到，电压波形与雷击没有发生故障时有着不同的地方，在保护的安装处发现故障极电压极短时间内承受着雷电作用，这和雷击没有发生故障时也有着比较相似的雷电波形，由于对电磁耦合的作用，雷击主要对直流输电线路的正极产生影响，雷电压的波形幅值在下降的同时，在线路的正负极产生了大量的频率不同的电压暂态分量，故障极电压与健全极电压呈现出不同性。雷击的反击和绕击故障相比呈现的波形变化基本上有着一致的趋势，只有反击故障产生的电压比绕击故障产生的电压幅值高的区别。
2.3 普通短路故障的特征分析
当雷击发生对±800kV特高压直流输电线路造成故障或者发生了普通短路故障时，故障出现的地方会产生一定的故障电流，将会使电压保护的安装处所测量的电压发生急速下降，从而使故障极的电压波形出现了过零现象。例如，在±800kV特高压直流输电线路发生普通的接地短路故障时，在离线路一端整流保护的安装处300公里发生正极普通故障，根据分析可以得到，普通的短路故障会与雷击发生故障有所不同，在没有雷电流产生的作用下，虽然也有同雷击故障相似的正负极引起的交替发生变化暂态分量，但其电压的暂态分量幅值和含量都不如雷击发生故障时那么明显。从以上的三种形态分析可以得出，在雷击发生故障和普通故障的情况下，由于发生的故障电流有入地通道，在电压保护的安装处通过测量会得到故障极的电压波形都呈现出波形急速下降并与线轴出现相交合的特征。发生故障极的电压将逐渐背离正常状态下的稳态轴线，与轴线电压的相关度较小；而健全极的电压却一直稳定在正常轴线上，与轴线电压的相关度较大，从而可以根据正常与故障电压与其轴线相关度进行对雷击未发生故障、发生故障或普通故障进行有效的分析和识别，进一步判断出故障极。雷击发生故障与普通短路故障相比较，雷电在线路上产生的波形状态都会有变化比较明显的电压暂态分量，而普通短路故障不会呈现出这一点。
3 结语
直流电路的动态分析范文第3篇
在高中物理教学中，直流电的教学和解题一直是一个难点.给广大的学生造成了一定的困扰.学生们普遍认为交直流电路比较抽象，难以理解，更难掌握.而实验室又没有现成的仪器，这就增加了学生掌握本节内容的难度.首先，我们应该清楚掌握直流电的定义—直流电：是指大小和方向都不随时间而变化的电流.例如，许多用电器，如收音机，扬声器等许多不含电感元件的电器都用直流电驱动.分正、负极，无法利用变压器改变电压，用在低电压电器里.
直流电路学习的重点是电路分析，内容是以串并联电路规律和闭合电路欧姆定律的运用为核心、对电路中的电流、电压和电功率进行讨论或定量计算.在近几年的高考命题中，不但一如既往地突出了对这一部分基础知识的考查，同时还出现了不少以这些知识为基础，赋予新颖的、结合现代科技和生活生产实际应用的中档题，与电磁场、交流电路等知识相结合，所构成的分值较大的学科内综合压轴题.
一、高中物理直流电习题的提出，其考察形式主要有电路的动态分析和电路故障分析
我用以下习题加以说明.
解题分析：通过此题我们可以清晰的看到，直流电电路的分析是解题的关键所在，在本题中，开关S的两种形态，对于R1和R2的串并联状态起决定性的因素.对于C1和C2两端电压的判断也是解题的主要点.明确这些内容后，此题就迎刃而解了.
二、直流电问题的规律和总结
直流电问题有一个使用的基本结论：电路中任何一个电阻增大（或减小），导致电路的总电阻增大（或减小）.掌握这个规律，对于电路的变化也就得心应手.在这节内容中，还有另外一个基本定律：任一电阻阻值增大，则与之串联（或间接并联）的电阻的电流和电压减小，与之并联（或间接并联）的电阻的电流和电压增大.掌握并理解这些定律，对于学生学好这节内容有很大的帮助，只有通过大量的习题训练以及习题解法的指导，才能帮助学生达到这个目的，熟练掌握直流电电路问题.
图2例2如图2所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度，金属球的质量为m，它系在金属球的下端，金属丝的上端悬挂在O点，AB是一根长为L的均匀电阻丝，其阻值为R，金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计.电阻丝的中点C焊接一根导线，从O点也引出一根导线，两线之间接入一个电压表V（金属丝和导线电阻不计）.图中虚线OC与AB垂直，且OC=h.电阻丝AB接在电压为U的直流稳压电源上，整个装置固定在列车中且AB沿着车前进的方向，列车静止时金属丝呈坚直状态，当列车加速或前进时，金属丝将偏离竖直方向，从电压表V的读数变化可以测出加速度的大小.
（2）由于加速度a与电压表的示数U′成正比，可将电压表对应的刻度对应地改成加速度a的刻度，所以加速度的刻度与电压表的刻度一样是均匀的.
参考文献：
[1]赵娟芬.中学物理教学中的电动机问题.中国科技教育·理论版，2012（3）.
直流电路的动态分析范文第4篇
关键词：高压直流输电系统；故障分析；线路保护
引言
高压直流输电系统拥有输送电流容量大、功率调节容易、电网互联方便、送电距离远、线路走廊窄等优势，因此在远距离电能传输、分布式能源接入电网、非同步电网互联以及大城市中心区域电缆供电等领域拥有明显的优势[1]，我国也已经成为了直流输电大国，高压直流输电系统一旦出现故障，将会造成较大的经济损失与威胁用户的安全。因此提高高压直流输电系统运行的安全性与可靠性是人们普遍关注的问题，也是急需解决的问题。
1 高压直流输电在大都市受端电网的应用前景
高压直流输电技术与交流输电技术相比较而言，高压直流输电技术不存在系统稳定问题，限制短路电流，调节快速、运行可靠，没有电容充电电流这些问题，因此高压直流输电技术在长距离大容量输电以及电网的互联方面适用性很强。而且就我国目前电网发展的情况来看，中部和东部沿海地区电力消费占80%左右，而我国水能资源主要集中于西部和西南部地区，使中部和东部沿海地区大都市存在远距离、大容量输电以及电网互联等方面的问题[2]，而且在大城市的电网发展中，动态无功不足、短路电流增大、可再生能源发电电源并网运行影响电网运行稳定等问题越来越突出，继续解决高压直流输电凭借其优势能够很好的解决这些问题。现阶段，我国特高压输电技术还不够成熟，而且直流输电可控性高，在隔离故障方面，效果较好，在输电运行管理方面也比特高压输电技术更有优势，采用直流输电解决电网互联问题，可以有效的解决两网之间互相干扰问题，保持两网之间的稳定性。随着高压直流输电技术的不断进步，直流输电系统中换流器价格的下降以及换流站利用效率的不断提高，高压直流输电技术在大都市受端电网的应用前景广阔。
2 目前上海电网直流输电情况
上海电网在我国所有电网中，是最大的城市电网，但是上海电网存在一些问题。2011年在上海南汇风电场建立了柔性直流输电示范工程。500千伏电网是上海电网电力吞吐的主网架，存在电网安全水平有所下降，供电可靠性和供电能力不足，无功功率减少等问题，解决500潜伏电网中存在的问题，将直流输电设备安装在500千伏市内环网与市外受电通道上，使设备两端交流电网短路容量传递被隔断，从而使500千伏电网保持畅通。220千伏电网是上海电网的主要供电网络，存在供电能力不足、动态无功电源容量较小的问题，针对220千伏电网存在的问题，将柔性直流输电设备安装在220千伏分区电网的重要联络通道上，以提高电网的供电能力。上海有崇明、长兴和横沙3座比较大的岛屿以及一些小岛屿，解决上海电网向海上孤岛供电的问题，采用了柔性直流输电技术[3]。
3 造成高压直流线路故障原因分析
3.1 雷击
直流系统的两根极线极性相反，遭遇雷击时，会引起直流线路发生故障。直流被雷击后，电压会在一瞬间急剧升高，此时如果直流线路的绝缘承受不了瞬间急剧升高的电压，直流线路就会出现问题。
3.2 对地闪络
由于直流线路杆塔的绝缘长期受到风吹雨打，霜冻雾化，以及树枝的摩擦，其他污染物的污染，对出现损伤，绝缘功能下降，就容易发生对地闪络现象。直流线路一旦出现对地闪络现象后，直流线路的电压和电流的变化会急剧加快，并且迅速从闪络点向两端的换流站传播，而且电压的突然变化会引起直流线路突然放电，造成线路产生高频的暂态电压和电流。当发生这种情况后应及时如果切除直流电源，因为如果不能及时切除直流电源的话，很难快速解决问题，并且还可能使直流线路产生更大的故障。
3.3 其他原因
由于高压直流线路通常情况下都比较长，线路经过长期的腐蚀或者其他原因，有时会出现线路断线情况，有的时候，高压直流线路贯穿于树枝之间，由于树枝碰撞会出现高阻接地情况，造成高压直流线路发生故障，而且由于高压直流输电线路比较长，高压直流输电线路在途中很可能会与各种不同电压等级的交流输电线路相交，在直流、交流输电系统长期运作下，由于一些原因很容易发生交流和直流线路碰线的现象，造成高压直流线路故障。
4 电网故障造成多回路直流输电闭锁可能造成的后果
电网故障造成多回路直流输电闭锁后，会使得交流通道过负荷、系统无功需求激增、系统电压陡降，甚至会造成整个交流线路连锁跳闸，将可能造成重大的经济损失。因此需要分析可能造成回路直流输电闭锁的原因。高压直流输电系统中，直流输电系统模块频繁发生瞬时故障引起现场总线系统频繁切换，会造成电网故障。换流站内双极区如果发生异常造成电网故障，也使多回路直流输电闭锁，会导致换流站停止运行。因交流系统发生故障导致多回路直流输电闭锁使，会造成直流系统双极停运。
5 高压直流线路故障暂态分析的重要意义
由于高压直流直流线路在保证整个直流输电系统安全可靠运作中发挥着至关重要的作用，而且由于高压直流线路较长，容易发生短路、对地闪络、雷击、高阻接地、交流和直流线路碰线等情况，这些安全隐患的存在大大威胁着整个直流输电系统运行的安全可靠性。同时，现阶段，直流输电线路的行波保护很容易受到雷店、交流侧故障以及换相失败等故障的影响，而且高压直流线路的高阻接地也存在一定的安全隐患，为了提高直流输电系统运行的安全可靠性，对高压直流线路故障暂态分析是很有必要的。高压直流线路发生故障暂态时，其中包含了很多故障信息，通过分析直流线路故障暂态，可以了解和掌握到直流线路中发生的障碍的类型、发生障碍的具体时间以及障碍发生的方向等。通过分析这些故障暂态信息，从中提取并总结有价值的信息，从而采取有效的措施进行继电保护。在线路故障暂态信息中，可以将低、高频段上的能量比作为指标，从而放大不同故障暂态过程间的差异之处，提高直流线路故障分析的准确性。
6 结束语
高压直流输电系统的稳定直接关系着供电的稳定与用户的用电安全，随着社会经济的发展与工业化、城市化进程的不断加快，社会对供电的需求不断升高，高压直流输电系统在一定程度上能够解决大城市、偏远地区、孤岛等的供电需求问题，同时也能够解决大城市电网中存在的一些重要且继续解决的问题，但是高压直流输电系统运行的安全性与可靠性成为了人们关注的问题，因此需要对高压直流输电系统故障进行分析并提出有效的策略保护直流线路。
参考文献
[1]齐艳.高压直流输电系统故障分析及其线路保护方案[D].华东交通大学，2011.
直流电路的动态分析范文第5篇
关键词：飞轮储能；无刷直流电机；DSP；PWM；MATLAB
中图分类号：U262.46 文献标识码：A
随着世界各国经济的快速发展和科技水平的不断进步，人们对能源的需要和消耗也表现出前所未有的迫切和增加，传统的能源表现出日益匮乏的态势。由于能量的利用往往是先转化为电能，伴随着新型能源的利用，必须由相应的先进的储能装置与之配合，否则，难以实现新能源的产业化发展和有效的利用。大容量储能不但能够提高能源的利用率，还有更重要的功效。这种方法无能量损耗，效果理想，对电网系统而言可以说是投资少而效益高，具有其他方式无法与之相比的优越性。
目前化学蓄能在蓄能市场中得到了广泛的应用，常用的蓄电池具有能耗量低、需要长时间充电、使用周期短、对环境污染大等缺点。本文设计了一项新颖的电能存储方法，突破了传统的化学能储能方式，将电能用机械能的方式蓄存起来，即飞轮储能。
飞轮储能包括三部分，分别是电能输入、存储和电能输出。系统基本的工作原理具体来说是，充电过程中，飞轮被电机驱动，在电机的带动下高速旋转，将电能以机械能的形式储存。放电过程中，已经在高速旋转的飞轮提供原动力，作用相当于原动机，旋转过程中带动发电机，发电机产生的电能经过电力电子变换器的调整，最后输出稳定的、可以供负载直接使用的电压、电流飞轮是真正的储能元件，也是整个储能系统的核心，系统储能的多少由飞轮直接决定，飞轮储能过程中做的是高速的旋转运动。
飞轮储能系统工作过程包括充电模式，此时电能转换为动能；保持模式，此时电能已经被转化为机械能，由高速旋转的飞轮负责储存这些能量。放电模式，即系统将机械能转化为电能，供负载使用。充电模式，外部电源通过电子变换器驱动电机旋转，飞轮在电动机的带动下高速旋转，电机工作在电动状态，电能由此被储存在飞轮中，此过程中消耗了外部电能，增加了飞轮的机械能，进而实现能量的转换、存储。保持模式，飞轮系统依靠交流电输入，飞轮保持在最高工作转速运行，能量基本保持恒定，系统损耗最低。此时，可以控制系统进入低压模式，使飞轮以额定能量运转，负载所需能量由电源直接提供。放电工作模式。高速旋转的飞轮将自身的动能转换成电能传递给负载，电机工作在发电状态。机械能被消耗，输出连续的电能。
本文研究的飞轮储能控制系统主要是对直流无刷直流电机的控制。即当系统工作在对飞轮充能状态下时，通过DSP控制电力电子器件，实现直流无刷电机带动飞轮高迅速旋转；当系统工作在飞轮释能状态时，飞轮带动电机转动，使其工作在发电状态。本章就针对无刷直流电机构建数学模型，并对其进行分析，运用特定的计算公式，以便确定各项参数。
本系统硬件结构主要包括MCU控制电路、电压电流检测电路、隔离驱动电路、系统电源和辅助电路等4个部分。控制电路是主要是指以MCU为控制核心的最小系统电路，它是整个飞轮储能系统的控制核心，采集电压、电流等反馈信号，经过分析处理后，按照程序预设输出多路PWM控制信号并负责发出声光报警信号，确保飞轮储能控制系统能正常、稳定、可靠地工作。
本文选用TMS320LF240x系列来做控制电路的核心器件。TMS320LF240x系列DSP采用高性能静态CMOS集成电路制造技术，具有先进的哈佛结构，流水线技术，片内模块，片内存贮器和高度专业化指令系统。该控制器具有低成本、高性能处理的DSP内核和几种最适合电机控制的先进设备结合在一起。
TMS320系列DSP控制器集强大的实时信号处理能力和众多控制器外设功能于一身，其这种体系结构是专门针对实时信号处理功能而设计，是高速信号处理的一种专用芯片，强大的处理速度功能是其它控制芯片无法相比的。
本文充电回路逆变器选用的是富士公司的PM30F070。该IPM内置了保护电路，与普通IGBT驱动电路设计相比，本次设计中只需要设计隔离电路即可。隔离电路的作用就是将IPM模块与控制电路的信号进行可靠的分离，即驱动IPM的PWM信号和IPM自保护产生的故障信号之间要隔离。
本文选用了IR公司的IR2103集成芯片作为功率驱动芯片，栅极驱动芯片IR2103是一种高压高速的功率MOSFET驱动器。它有两个独立的高端和低端输出通道，一个芯片可以驱动两个MOSFET管。此芯片电路基于自举驱动方法，直接驱动功率MOS-FET，其输出的浮置通道可用来驱动高端接于最大供电电压为600V的N沟道MOS-FET。
直流回路电压过大会造成功率管损坏，欠压则会使得逆变后的交流压值下降。霍尔位置检测电路在这主要有两个作用：一是检测电机定、转子的相对位置并提供驱动换相信号；二是通过检测某一路脉冲信号的个数，经软件计算后转换为速度信号，构成速度的反馈环节。
本文设计的飞轮储能控制系统在正常工作的时候，需要的电源有+24V、±15V、+5V等。控制系统中驱动、隔离、保护、检测等都需要不同的电压，所以，对电压需要特定的电路保障。根据飞轮储能系统的不同工作模式，能量转换系统在储能运行时对电动机力矩电流进行调整，确保飞轮运转的平稳、安全、可靠；而在飞轮系统释能运行时，需要对输出设备的母线电压进行调整。我们建立了飞轮储能系统的仿真模型，并进行仿真分析，确定了仿真参数。
系统主要软件分析设计要根据功能需要而设计，充电部分主要是DSP芯片TMS320F2407通过控制电力电子器件完成对无刷直流电机的控制。在软件设计和开发上，也采取了程序的模块化设计理念并且根据DSP芯片的硬件资源丰富的优点，完成充电部分控制系统的各项指标。电流环的输出换算成PWM的占空比。所以在本文的软件设计中DSP会根据电流环的输出来改变PWM占空比寄存器中输入，从而完成电流环的调节。速度的反馈量是依据转子位置信号变化的时间间隔计算得出的，它与给定转速形成的偏差，经过PID调节算法来控制无刷直流电机的转速，使其具有稳态性能好、响应速度快和抗干扰能力强等特点。放电部分程序主要分为两大部分，一是当飞轮在带动直流无刷电机旋转时，经三相全桥整流后，直流母线电压会随飞轮转速的下降而降低，这个时候就要调节BOOST升压电路将直流母线电压稳定在310V左右，第二就是对MOSFET逆变电路控制使控制系统输出220 V的工频交流电。A/D转换及调理模块选用的是DSP 2407自带的10位转换模块。
本文主要是对基于DSP芯片控制的飞轮电池储能系统的分析研究，使整个飞轮电池储能控制系统能量高效率的转换和使用，采用模块化设计理念，提出一些新方法，并结合MATLAB软件进行了仿真试验。提出了一种采用电力电子器件的飞轮电池储能控制系统：并进行了理论分析和仿真建模，论文主要分析了充电和放电部分，对整体设计做出指导。
参考文献
[1]靳国栋，姜维，马小梅，高飞.轴承对动量论飞轮体结构设计的影响分析[J].轴承研究所，2008(6):30.32
