磁饱和分析范文
磁饱和分析范文（精选5篇）
磁饱和分析 第1篇
可控电抗器具有根据系统运行工况实时调节自身容量的特点, 可用于电力系统母线电压和无功功率的稳定控制, 提高系统稳定性并在一定程度上改善电能质量。可控电抗器根据运行场合的不同, 有各种不同的结构类型, 如用于配电网中自动消弧线圈的电抗器[1,2]、用于大型电机无级软启动的启动电抗器[3]、用于故障限流的可控串联电抗器[4]、用于超特高压输电线路限制容升和无功补偿的并联高压电抗器[5]。本文将研究一种具有代表性的磁饱和式可控电抗器 (Magnetic-saturated controllable reactor, MCR) , 根据基本的电路结构与工作原理, 从理论上分析MCR的输出特性, 并通过仿真研究验证理论分析的正确性, 进一步揭示其特有的输出特性。
1MCR输出特性
1.1工作原理
图1所示为一种具有完全对称磁路结构的磁饱和式可控电抗器MCR。由图1可知, MCR中间的2个铁心柱分别套有2套绕组, 且上下绕组均设有抽头, 抽头间接有极性相反的晶闸管, 通过控制晶闸管的触发角控制电抗器本身的直流磁通, 从而控制电抗器的输出容量。该电抗器能够在任何运行工况下均保证磁路对称, 从根本上消除由磁路不对称所造成的损耗增加、噪音增加等不良影响。
图2所示为直流偏磁对铁心磁化曲线的影响。MCR的工作原理就是利用铁心磁化曲线的非线性关系, 通过改变铁心直流磁通的偏置量改变铁磁材料的饱和度, 达到平滑调节电抗器电抗值的目的。
铁心饱和度的改变是通过在交流磁通上增加一个直流磁通来实现的, 即:
式中:ϕdc和ϕs (ωt) 分别表示直流磁通量和未加入直流偏置时处于线性区的交变磁通量。
若直流磁通处于图2所示磁化曲线的负半轴, 则实际的交变磁通量可表示为:
当控制绕组中直流电流为零时, ϕdc=0, 交流磁通以ϕs (ωt) 作为交变量交替变化。增加控制绕组中直流电流使得ϕ (ωt) 中的直流分量增加, 则ϕ (ωt) 将有一部分进入磁化曲线的非线性区, 由此引起铁心磁饱和。直流偏磁量的大小直接影响到磁饱和度的大小。
图3所示为MCR的控制原理图。若晶闸管VT1、VT2 和续流二极管VD均为理想开关元件, 则MCR在工作过程中表征出3 种工作状态:①VT2、VD关断, VT1 导通;②VT1、VT2 关断, VD导通;③VT1、VD关断, VT2导通。MCR按照这3种状态的次序轮流切换工作, 绕组中将产生如图3所示方向不变的环流iD。该环流产生的直流磁通使图1所示中间两铁心在一个周期内增磁-去磁交替变化, 从而引起电抗器电感和容量的变化。环流iD的大小受控于晶闸管触发角α的大小, 通过调节α的大小就可以达到连续调节电抗器电容量的目的。
1.2输出特性
MCR的输出特性主要表现为额定电压下, MCR所输出的基波电流幅值与晶闸管触发角α的变化关系。
值得说明的是, MCR在额定电压下输出基波电流的大小反映了MCR的最大感性补偿容量的大小。MCR的基波电流标幺值可由图1所示MCR中间两铁心的交变饱和度β表示[6]:
晶闸管或者可控硅触发角α与饱和度β的关系可由下式表示:
由式 (4) 和式 (5) 即可求出由MCR的控制量, 即晶闸管或可控硅的触发角所表征出的MCR的控制特性。
在MCR从额定到最小的整个感性补偿容量调节范围内, 寻找各次谐波电流最大值 (各次谐波电流最大值出现所对应的磁饱和度β是不一样的) , 然后将它们分别与额定 (最大) 基波电流进行比较, 可清楚地分析出MCR所产生的谐波特性。
理论分析表明, 磁饱和式可控电抗器输出电流中n次谐波电流的标幺值In与磁饱和度β的关系可用下式表示:
由上式可计算出3、5、7 次谐波电流幅值占额定基波电流幅值的百分比分别为6.892%、2.523%、1.293%。由此表明, 在整个感性补偿容量的调节范围内, MCR注入至电网的3、5、7 次谐波电流最大幅值分别不超过额定基波电流的6.892%、2.523%、1.293%。由于各次谐波的最大值是相互错开的, 故实际的电流波形畸变系数很小。
2仿真分析
某MCR工业样机的基本参数如下: 单相额定容量S=1 000 VA, 额定工作电压
图4给出了晶闸管触发角α分别为0°、90°和120°时, MCR的输出电流波形。由图4可知, 随着触发角的增大, MCR输出电流的幅值越来越小, 这表明随着触发角的增加, 控制绕组上的直流电流分量越来越多, 主铁心饱和程度越来越大。并且, 由于主铁心饱和程度的增加, MCR输出电流达到稳态的过渡过程也越来越长, 这意味着MCR的响应时间越来越长。
将MCR控制绕组所接晶闸管触发角α在0～180°范围内按10°的步长阶跃变化, 通过连续仿真, 可得到表1所示的不同触发角时MCR输出的基波与谐波电流幅值, 并相应得到了图5所示的MCR输出电流的特性曲线。由图5可知, MCR输出电流标幺值随着晶闸管触发角的不断增大, 呈近似余弦分布, 这与文献[7]所给出的MCR的控制特性曲线是完全吻合的, 这进一步证明了所建MCR仿真模型在揭示MCR工作特性上的有效性与正确性。
并且, 由表1可知, 随着触发角的不断增大, 主铁心饱和程度越来越大, MCR输出电流的幅值越来越小, 与此同时, 输出电流中谐波含量越来越多。对相应的仿真结果进行FFT分解可知, 输出电流波形的畸变率THD越来越大, α=90°时, THD=5.63%, 而α=145°时, THD达到49.50%。值得说明的是, 由仿真结果看, 虽然MCR的THD随触发角的增大而加重, 但是, 由于输出电流的基波电流是越来越小的, 因此, 虽然THD畸变加重, 但是, 谐波电流的有效值是越来越小的, 这意味着MCR输出至电网的谐波电流越来越小, 不会对电网造成难以接受的谐波污染。
图6所示为根据表1所统计的仿真结果得到的MCR输出电流中的3、5、7、11次谐波电流随晶闸管触发角的变化特性曲线。由图6可知, MCR输出电流中主要次谐波电流在触发角为80°～150°时急剧变化, 但是, 各次谐波电流达到最大值时对应的触发角是不同的, 这与理论分析所得的MCR实际输出电流波形的谐波系数较小的结论完全吻合, 进一步证明了通过仿真模型所揭示的MCR输出电流谐波特性的正确性和有效性。
3结语
本文主要研究了一种具有完全对称磁路结构的磁饱和式可控电抗器的工作特性, 基于该种可控电抗器的基本电路结构、工作原理和工作状态, 从理论上分析了该种可控电抗器输出电流及其波形畸变率与控制绕组所联结晶闸管触发角的非线性函数关系。通过对小容量工业样机的仿真实验研究, 得出了反映MCR输出电流随饱和度变化的控制响应特性和谐波特性。仿真结果与理论分析相一致, 验证了仿真模型的正确性与精确性, 并由此表明了该种磁饱和式可控电抗器所具有的控制性能良好, 输出电流谐波分量低的工作特性。本文的研究结果对于该类磁饱和式可控电抗器的工程设计与运行性能分析具有一定的理论指导与实践参考意义。
摘要：研究了一种具有代表性的磁饱和式可控电抗器, 从理论上分析了该种可控电抗器的输出特性, 得出了输出电流及其波形畸变率与控制量, 即控制绕组所联结晶闸管触发角的非线性函数关系。通过对一小容量工业样机进行详细的仿真研究, 得出了更为具体的反映该种磁饱和式可控电抗器输出电流随饱和度变化的响应特性和谐波特性。仿真结果与理论分析相一致, 验证了仿真模型的正确性与精确性, 并由此表明了该种磁饱和式可控电抗器具有控制性能良好, 输出电流谐波分量很低的优点。研究结果对于该类磁饱和式可控电抗器的工程设计与运行分析具有一定的理论指导与实践参考意义。
关键词：磁饱和,可控电抗器,输出特性,仿真
参考文献
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220V磁饱和式可控电抗器分析 第2篇
近年来, 随着电网电压等级的逐步提高, 系统无功不平衡, 电压失稳等现象越来越严重;针对高压电网轻负荷和发生故障时无功缺额的情况, 多种可控电抗器被应用到静止无功补偿装置中, 如晶闸管控制电抗器, PWM控制电抗器, 磁阀式电抗器等[1~3]。其中, 晶闸管控制电抗器通过改变晶闸管的触发角来调节输出的励磁电流, 从而改变电抗值;其控制灵活, 响应速度快, 但电流无法连续调节, 且会产生大量的谐波, 需要加装专门的滤波装置。PWM控制电抗器响应速度快, 谐波含量低, 可平滑调节, 但电力电子器件耐压条件的约束, 使其应用范围受限[4,5]。磁阀式电抗器通过与晶闸管的配合来调节励磁电流, 改变局部区域的饱和程度, 实现电抗值的连续可调;但装置控制复杂, 且体积、损耗、噪声等很大, 调节范围小, 有严重的谐波。本文研究的单相磁饱和式可控电抗器将饱和区域扩大, 使整个铁心处于饱和状态, 通过控制励磁电流来调节工作点, 进而改变电抗值, 其控制简单, 电感调节范围大, 装置体积小, 克服了磁阀式电抗器振动噪声过大, 铁心用料过多的缺点, 适合在高电压等级电网应用[6,7]。
2 结构与原理
单相磁饱和式可控电抗器采用卷铁心绕制, 由两个卷铁心组成, 中间留有间隙, 如图1所示。铁心的上下部分采用卷形结构, 使得其漏磁较小, 磁性能可以充分利用。电抗器的绕组布置如图2所示, 控制绕组绕在两个卷形铁心的内侧心柱上, 工作绕组绕在外侧心柱上, 两个工作绕组相互串联。控制绕组由直流电源励磁, 工作绕组与交流电源相连。图3给出了单相磁饱和式可控电抗器样机的实物照片。
单相磁饱和式可控电抗器的等效电路如图4所示, 其中, DC为直流励磁电源, AC为交流工作电源, Nk为控制绕组匝数, Ng为工作绕组匝数, Rk、Rg为保护电阻。通过直流励磁电源调节
控制电流Ik, 改变两个卷形铁心的磁饱和程度, 即改变其磁阻的大小, 根据公式L=μN2Sc/lc, 使得电感发生变化, 保持交流电源电压不变, 等效交流电抗得以连续调节, 其工作电流Ig也随之变化, 从而调整其无功输出的大小。
磁化曲线如图5所示, AB段为线性区, BC段为饱和区, 单相磁饱和式可控电抗器工作在饱和区BC段, 此段相对磁导率μ逐渐减小, 便于电感的调节。
该电抗器的平均磁路长度为l, 左侧铁心a, 右侧铁心b的磁通和磁场强度分别为Φa、Φb, Ha、Hb, 结合电抗器的结构和等效电路, 其电磁方程可以表示如下
磁通与磁感应强度的关系为:Φ=B·S, S为铁心等效截面积。由于该电抗器的铁心结构和绕组布置均为对称结构, 其磁感应强度有如下关系:
在正常工作时, 磁感应强度一般为非正弦波,
工作绕组的感应电动势为:
由此可见, 工作电流ig不含偶次谐波, 仅含奇次谐波。
3 磁场分布和电感调节
根据电抗器设计方法, 对额定参数为220V/20A的磁饱和式可控电抗器进行设计。其结构参数如表1所示。其中, a为矩形部分的宽度, c为两矩形部分的间距, h为矩形部分的高度, r为半圆形的外半径, l为两卷形铁心的间距, t为铁心的厚度。
根据上述参数, 在仿真软件中建立磁饱和式可控电抗器的3维磁路模型, 如图2所示。按图6所示的原理进行仿真。
在额定工作情况下, 铁心内部的磁场分布如图7所示。从中可以看出, 铁心的矩形部分磁场分布十分均匀, 磁感应强度B约为1.7~1.8T;半圆形部分由于内外径间的差异使得径向磁化不均匀, 内层磁路比外层小, 先饱和, B约为1.9T, 外层略小, B约为1.6T。但这种结构有助于减弱漏磁现象, 并使得该电抗器工作在图5所示的饱和区BC段。由于电抗器铁心为对称结构, 取右侧铁心矩形部分的中心处为参考, 其磁感应强度B随时间的变化如图8所示, 范围在1.65~1.85T之间。由此可见, 电抗器铁心处在直流励磁电流和交流工作电流产生的磁场中, 在原有交流磁场的基础上增添了直流偏置分量, 可以保持在饱和区段工作。
单相磁饱和式可控电抗器在额定工作情况下, 其电抗值为X=U/I=220/20=11Ω, 利用电抗值与电感的关系, X=ω·L=2πf·L, 电感L=35m H。保证交流侧参数不变, 不断调节控制绕组的励磁电流, 范围为2~20A, 可得到其电感值的变化情况, 如图9所示。
从中可以看出, 工作绕组等效交流电感可随控制电流的改变平滑调节, PQ段对应地励磁电流为3.3~10A, 其相应的无功容量为25%~100%。上述仿真分析表明磁饱和式可控电抗器可以在较大范围内调节电感进而调节无功输出。
4 工作绕组电流的分析
通过建立仿真模型, 对该单相磁饱和式可控电抗器的工作电流进行分析。如上述工作原理, 搭建实验平台, 对图3所示的样机进行实验, 通过调节控制绕组的励磁电流, 使得电抗器趋于饱和, 在额定工况下, 电抗器交流工作电流的仿真波形和实验波形如图10、图11所示。从中可以看出, 在额定工况下, 对于工作电流而言, 仿真分析和实验结果符合得较好, 因为工作在饱和区BC段, 因而其呈现尖顶波形, 含有奇次谐波。
经过谐波分解, 其三次谐波含量较大, 五次谐波, 七次谐波含量较小, 其他奇次谐波含量很小。对于三相电抗器而言, 三次谐波可以通过绕组的不同接法消除。由此可见, 仿真分析和实验结果符合较好, 该单相磁饱和式可控电抗器输出波形与分析一致, 若加装滤波装置效果会更好。
5 结束语
本文对单相磁饱和式可控电抗器的结构和原理进行研究, 主要围绕其铁心磁场分布情况, 电感调节范围, 工作电流的输出波形等方面进行分析。三维磁路仿真分析和实验结果符合较好, 说明了磁饱和式可控电抗器在直流和交流共同作用的情况下, 工作在磁化曲线的饱和区段;其电感调节范围较大, 便于无功的连续平滑调节;其工作输出电流含有奇次谐波, 若通过滤波装置, 可以输出较好的波形, 且控制简单。
摘要：文中研究了一种单相磁饱和式可控电抗器, 利用磁化曲线非线性的特点, 通过调节控制绕组的励磁电流, 来改变铁心柱的磁饱和程度, 即调节磁路中铁心的工作点, 进而改变工作绕组的交流等效电抗。
关键词：电抗器,磁饱和,磁场,电感,谐波
参考文献
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磁流变液磁饱和强度测定装置的设计 第3篇
分子中电子的绕核运动和自转将形成分电子流,分电子流将产生磁场,每个分子都相当于一个小磁铁[31]。由于磁性物质分子的相互作用,使分子电流在局部形成有序排列而显示出磁性,这些小区域称为磁畴。当磁性物质没有外磁场时,各磁畴是混乱排列的,磁场相互抵消;在外磁场的作用下,磁畴就逐渐转到与外场一致的方向上,即产生了一个与外场方向一致的磁化磁场,从而磁性物质内的磁感应强度大大增加——物质被强烈的磁化了。磁性物质因磁化产生的磁感应强度是不会无限制增加的,当外磁场增大到一定程度时,全部磁畴都会转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将达到饱和值,这就是磁性物质的磁饱和强度。
磁流变液在外加强磁场后,其中的磁介质微粒就沿磁场方向形成了柱状链。当磁流变液在外磁场的作用下达到磁饱和强度时,磁流变液的功能达到最佳状态。通过查阅文献,目前国内外还没有比较成熟的简单方便测试磁流变液磁饱和强度的装置。因此,开发一套测试磁流变液磁饱和强度的装置,不仅对研究磁流变液的性质很重要,而且对于磁场的设计,也是非常必需的。
1 磁流变液磁饱和强度测定装置工作原理
1.1 测试磁流变液磁饱和强度测定装置示意图如图1 所示:
1.2 测定装置的工作原理及理论推导
装置的工作原理是这样的:线圈由直流电源提供电能,用来产生磁场,铁芯、上下磁轭、两个极柱、磁流变液及磁流变液下面的空气形成封闭的磁路。用特斯拉仪测出磁路中空气的磁密,测出磁密后,由电磁学知识知:
由(1)与(2)联立求解得:
其中:F为磁势;N为线圈匝数;R为磁阻;l为介质在磁路中长度;B为磁密;Φ为磁通;S为磁路中介质的面积;µ为介质的磁导率;Hj为第j段磁路中的磁场强度;lj为第j段磁路的长度;Φj为第j段磁路中的磁通;Bj为第j段磁路中的磁密。
由上面的公式可以得出:
线圈的匝数为已知,线圈的电流由电源可以显示,磁密用特斯拉仪可以测得,介质的长度又可以测出,则这时的磁导率便可以求出。磁密已知,磁导率已知,在整个磁路中的磁通是相同的,根据公式5便可以求出介质的磁场强度Hf来:
其中:Hf为磁流变液的磁场强度;Bg为空气的磁密;lg为磁路中空气的长度;µ0为空气的磁导率;lx为铁芯和极柱的总长;Bx为铁芯(极柱)的磁密;µy为纯铁的磁导率;ly为上下磁轭的总长;By为磁轭的磁密;lf为磁流变液在磁回路中的长度。
在磁流变液与气隙之间的分界面处,由电磁学知识可知:
当气隙磁密Bg=1T时,Bx、By均小于1T,此时铁芯及磁轭均不饱和,所以此时的纯铁的磁导率µy远远大于空气的磁导率µ0,因此式(8)便可简化为:
1.3 测定装置参数的计算及设定过程
根据目前研究的结果和测量磁流变液剪切应力装置所得到的数值,估算磁流变液的磁饱和强度在1T以下,据此设计的装置产生的磁感应强度不应小于1T,初步定:
极柱的半径R=0.03m;极柱之间的间隙δ=0.03mm;
真空磁导率:µ0=4·π·10-7
气隙磁密:Bg=1T
气隙高:h1=0.01m
假定磁性液导磁率:µ=3·µ0
所需磁势:
导线电流密度:J=4.106
选取线圈的占空系数:k=0.7
线圈的窗口面积:
线圈骨架尺寸:设高H=140mm;壁厚∆=mm
线圈骨架的内径:φ1=2·R+0.004=0.064m
线圈骨架的外径:
导线总长:
每千米重量为5.83kg,
导线总重:W=Ld·5.83=16.33kg
导线电阻:
直流电压:
铁轭宽:b=2·R=0.06
根据此计算结果,制作出磁流变液磁饱和强度测定装置。
2 对测定装置的计算复核
铁芯截面积为Sy(m2);铁芯平均总长Ly(m);气隙的截面积为Sg(m2);气隙长为Lg(m)
纯铁属于软磁性材料,当By为1T时,Hy为120,则其磁导率为:
铁轭的磁阻:
铁芯的磁阻:
磁流变液的磁阻:
磁路中的总磁阻:
8所需磁势:
复核结果基本和设计结果相吻合,这说明我们设计的结果是能够满足测试磁流变液的磁饱和强度的。
3 测试结果及分析
用测定装置对磁流变液(自行配置的)进行了测试,在电磁铁的电流分别为0.5、1、2A时,磁回路中的磁密分别为0.24、0.31、0.355T。用公式10分别计算磁流变液三种状态下的磁场强度:
当电流为0.5A时:
当电流为1A时:
当电流为2A时:
由上述计算结果,得出磁流变液的B-H曲线,如图2所示:
由于实验条件的不具备,加之实验电源能提供的电流值有限(最大能提供2.5A),所以试验能够测得的有效值只有三个,因此这条磁化曲线不能够较完整的描述出磁流变液的磁化特性,但是可以根据实验数据初步推算出磁流变液的磁导率µf在16~4之间,随着磁密的增加而减小。从图线分析,本次测试的磁流变液磁饱和强度约为800KA/m。
如果改进试验的条件,使实验的电流能够达到4A左右,从理论上讲应该可以绘出一条较完整的磁流变液的磁化曲线,同时,磁流变液的磁饱和强度也能够从试验中测得。这就为磁流变液及相关设备的开发和使用提供了理论依据。
摘要：为了研制一种简单可靠的测量磁流变液磁饱和强度的仪器,本文根据电磁学相关原理从三个方面即理论推导、参数的设定和计算、计算校核对测试装置的工作原理进行了阐述。最后通过实验证明,此装置较为准确的测出了磁流变液的磁饱和强度。
关键词：磁流变液,磁饱和强度,测试装置,磁密,磁通
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磁饱和分析 第4篇
通过实验验证了交轴电感与交轴电流的函数关系式,提出了磁饱和状态下的直接转矩控制策略,精确有效地控制内置式永磁同步电机的运行,控制策略简单。为以后更好的控制内置式永磁同步电机的运行奠定了基础。
1 考虑磁饱和的内嵌式永磁同步电机的数学分析
永磁同步电机定子与转子之间存在相对运动,定转子之间的位置关系是随动的,因此定转子各参量的电磁耦合关系十分复杂,准确分析电机参数的变换规律是比较困难的,为了优化控制策略,做如下假设:
(1)仅考虑磁饱和对交轴的影响;
(2)忽略磁滞及涡流损耗;
(3)电机定子绕组三相对称,各绕组轴线空间上互差120°。
(4)电机定子电势按正弦规律变化,定子电流在气隙中只有正弦分布磁势。旋转坐标是随着气隙磁场转动的坐标,等同于电机转子上的坐标系,选择转子对称轴为直轴(d轴),超前d轴90°为交轴(q轴)。永磁同步电机在d、q、0同步旋转坐标系的磁链:
忽略磁饱和IPMSM的电压方程:
考虑磁饱和的IPMSM的电压方程:
电磁转矩方程:
变量说明:
id—直轴电流,iq—交轴电流,Ld—直轴电感,Lq—交轴电感,ψf—转子磁链,ψd—直轴磁链,ψq—交轴磁链,ud一直轴电压,uq—交轴电压,Rs—定子电阻,Te—电磁转矩,Tl—负载转矩,Pn—极对数,P—微分算子,ω—电角速度,J—转动惯量,B—摩擦系数。
2 IPMSM磁饱和分析
磁饱和严重影响了内置式永磁同步电机的性能,然而磁饱和主要影响电机交轴电感Lq的参数,相对于对交轴电感Lq的影响,磁饱和对直轴电感Ld的影响极小可以忽略不计。交轴电感Lq主要受磁化电流iq的影响。因此假设iq是Lq的函数有如式(6)。
由电机学知识可以知道Lq(iq)是非线性的,因此需要对Lq(iq)做近似处理。为了优化控制策略,对交轴电感Lq分如下三种情况:
(1)未磁饱和时交轴电感Lq0;
(2)磁饱和时的交轴电感Lqs;
(3)完全磁饱和时的交轴电感Lqt。
相应的交轴电流iq分两种情况:
(1)磁饱和条件下的电流iqs;
(2)完全磁饱和条件下的电流iqt。
据以上分析可以推出如下关系式:
β为常系数,反映了磁场的饱和程度。
内置式永磁同步电机相关参数如表1。
内置式永磁同步电机iq-Lq关系如图1。
3 考虑磁饱和的IPMSM DTC最大转矩控制策略
最优转矩控制策略控制策略可以实现电动机最大转矩运行提高了电动机的带负载能力。通过以下分析说明考虑磁饱和的MTAP控制策略更f能精确有效的实现电动机最大转矩运行并且提高了电机的带负载能力。
在定子电流幅值一定的情况下,分析最大转矩控制策略完全可以等效为求解如下方程式的极值问题。
据图2可以得到如下关系式:
将式(10)、式(11)带入式(9)中得:
考虑磁饱和情况下求解电流幅值一定转矩最大控制的条件为:
由式(13)可以推导出:
由电机学可知:
由式(15)、式(16)可知:
忽略磁饱和d轴电流表达式:
式(17)可以直接用于矢量控制当中,但是直接转矩控制中直接控制量是Te-|ψs丨则应将式(17)通过式(8)、式(9)转化为定子磁链与转矩的关系已达到直接控制的要求。
考虑磁饱和的转矩方程:
忽略磁饱和的转矩方程:
考虑磁饱和与忽略磁饱和的直接转矩系统电流幅值一定转矩最大,交轴电流转矩图。
4 仿真
考虑磁饱和的内置式永磁同步电机直接转矩控制系统中的电流幅值一定转矩最大的控制策略Smilink仿真。给定转速与反馈转速进行比较后经过PI调节再经电流幅值一定转矩最大控制模块后经过转矩、磁链滞环比较从最优矢量开关表选择最优矢量控制逆变桥进而控制电动机的运行。内嵌式永磁同步电机参数如表1所示,电动机开始空载运行当0.2 s时负载突增至2,给定转速700 rad/s结构框图如图4所示。考虑磁饱和与忽略磁饱和相比更能有效精确的控制电机的运行。图5、图6所示。
5 结论
磁饱和状态下交轴电流的变化引起交轴电感参数的变化,假设交轴电感与交轴电流的函数关系通过考虑与忽略磁饱和的内置式永磁同步电机的分析对比,验证了此假设了的正确性,在此基础上提出了一种精确有效的直接转矩控制系统中的电流幅值一定转矩最大的控制策略,为进一步研究内置式永磁同步电机的控制策略提供了有益的借鉴和启发。
参考文献
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磁饱和分析 第5篇
纳米材料因其结构上的特殊性导致性能上的特殊性已经广泛的受到了关注[1]。由于纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径尺寸量度的减小而增大，使其显示出量子尺寸效应、体积效应和表面效应，导致纳米粒子具有一系列的物理化学特性，在光学、力学、热学、电学、磁学、催化、化学活性、熔点、烧结、硬度等方面具有许多优异的性质[2]，而磁性纳米材料是一种软磁材料，在磁介质存储、微波吸收、磁共振成像、催化剂、磁分离和磁靶向药物运输等领域具有广泛的应用[3,4,5,6]。四氧化三铁具有优良的磁性能、高的生物相容性以及低毒等性质，因而在医学领域具有重要的应用价值[7]。目前，关于利用四氧化三铁定向传输药物，即靶向药物运输的研究受到了广泛关注。将药物负载于四氧化三铁，然后利用外加磁场可以使含有纳米四氧化三铁的磁性靶向药物载体在生物体内病变部位富集，因而可以减小正常组织与药物的接触，从而减低毒副作用，可以有效减少药物的用量，提高药物的疗效[8,9]。
目前，四氧化三铁的制备方法主要有：化学共沉淀法，微乳液法，热分解法，水热法，溶剂热合成法等。共沉淀法操作简单、反应快速，是合成四氧化三铁的最常用的方法，但是得到的纳米粒子粒径较小（一般<10 nm），粒子的粒径分布很宽，而且粒子的分散性很差[10]。微乳液法可以有效控制磁性纳米颗粒的粒径，但是该法合成的纳米粒子往往在油相中具有很好的分散性，而在水相中则易于团聚，这影响了磁性粒子在生物上的应用[11]。因此在水相中的合成具有良好的分散性、粒径均一、大小可控的四氧化三铁磁性纳米微球具有重要的价值。
溶剂热方法在先进材料、纳米科学和生物医学等领域具有广泛的应用。该方法在高温和高压下，用水或其他溶剂作为反应介质，使得前驱物发生非均相反应。溶剂热制备过程是一个溶解再析出的过程，反应类型有水热还原、水热氧化和水热分解等[12,13]。该方法的反应体系是密封体系，各组分不会挥发到容器外，因此采用该方法制备的产品具有较高的纯度和均匀性。本文利用高效的溶剂热方法，采用乙二醇为溶剂，六水氯化铁为前驱体合成了高稳定性和高磁饱和强度的Fe3O4纳米簇。
1 实验
1.1 实验材料
六水氯化铁（FeCl3·6H2O,99.0%）、柠檬酸钠（99.0%）、乙二醇（99.0%）、无水乙酸钠（99.0%）、无水乙醇（99.7%）。实验中均使用去离子水。
1.2 Fe3O4纳米簇的制备
首先将2.16 g六水氯化铁溶于40 mL乙二醇，然后加入4.8 g乙酸钠和0.5 g柠檬酸钠。固体完全溶解后将溶液转入100 mL的具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中。反应釜密封后放入烘箱，在200℃反应20 h。产物为黑色溶液，用去离子水和乙醇反复清洗后保存在水中。
1.3 表征仪器和方法
通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）（日本电子（株）公司生产的JSM-6700F）来观察Fe3O4纳米簇的形貌和粒径，加速电压为30 k V。采用日本电子（株）公司生产的JEM-2010(HR)型透射电子显微镜(Transmission electron microscope，简写为TEM)表征Fe3O4纳米簇的微观结构，加速电压为200 kV。
用X射线粉末衍射仪(XRD)（荷兰PANalytical公司）分析Fe3O4纳米簇的物相，Cu靶，Kα线，λ=0.1542 nm，管电压40 k V，管电流40 mA，扫描步宽为0.01，衍射角的扫描范围2θ为20～80°。
采用振动样品磁强计（VSM,美国Quantum公司生产的model 6000）检测所得样品的磁性能，温度为300 K。
2 结果与分析
2.1 Fe3O4纳米簇的晶型分析
利用X-射线粉末衍射仪对Fe3O4纳米簇粉末进行表征，得到图1所示的XRD图谱。图1显示在2θ为30.06°，35.50°，44.28°，54.02°，57.12°和64.30°处出现了6个明显的衍射特征峰，与Fe3O4晶体标准衍射卡片(JCPDS75-1610)的数据十分吻合，衍射线的6个衍射峰均为Fe3O4晶体的特征峰，对应的晶面指数依次为(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)，为面心立方结构[14]。从XRD谱图还可以看到各衍射峰均明显宽化，表明制备的Fe3O4纳米晶体的粒径非常细小。由X射线宽法谢乐公式：d=0.89λ/Bcosθ(λ是X射线的波长，λ=0.1542 nm;B为衍射峰半高宽；θ为衍射角，2θ=10～80°)计算（未扣除仪器宽化因素）可知：Fe3O4平均粒径为36 nm。从XRD图谱中还可以看到衍射峰非常尖锐，说明Fe3O4纳米晶体的结晶性能非常好。
2.2 Fe3O4纳米簇的形貌分析
图2为Fe3O4纳米簇的FESEM照片（图2a和2b)清晰表明，合成的Fe3O4纳米簇为均匀的球形且表面粗糙，粒径分布均一并且分散性良好。进一步对图2a和2b中粒子的粒径进行统计得到其平均粒径为268 nm左右，其粒径分布图见图2c。
图3a和3b分别为Fe3O4纳米簇的低倍和高倍TEM照片，从图中可以明显看出Fe3O4纳米簇为均匀的球形，与SEM结果一致，并且能够清晰分辨出，Fe3O4纳米簇为大量微小的纳米晶体组成。实验结果表明可以制备粒径分布均一和形貌均匀的Fe3O4纳米簇。
2.3 Fe3O4纳米簇的磁性能分析
磁性纳米材料可以通过磁场方便地进行控制，因而在磁分离和磁靶向载药等领域具有重要用途。在相同的磁场作用下，磁饱和强度决定了磁性材料传输的速度。本文采用振动样品磁强计(VSM)对Fe3O4纳米簇进行了饱和磁化强度的测定，结果如图4b所示。说明制备的Fe3O4纳米簇为顺磁性且其饱和磁化强度为65 emu/g。其磁分离实验（如图4a所示）表明，均匀分散于水中的Fe3O4纳米簇，在外加磁场作用下，3 min纳米粒子即全部从水中分离，说明制备的Fe3O4纳米簇具有快速的磁响应性能。
2.4 Fe3O4纳米簇的化学反应式及反应机理
本实验采用溶剂热还原的方法进行四氧化三铁纳米颗粒的制备。以氯化铁作为铁源，采用乙二醇作为溶剂并对三价铁离子进行部分溶剂热还原，生成四氧化三铁。通过两步主要反应，可能的反应如下[15]:
根据上述的实验结果及理论分析可以得出球状的Fe3O4纳米簇生长示意图，如图5所示。
3 结论
本研究利用六水氯化铁作为铁源，乙二醇为溶剂和还原剂，采用溶剂热方法高效快捷制备了粒径分布均一、单分散和高磁饱和强度的Fe3O4纳米簇。FESEM和TEM表征显示，制备的Fe3O4纳米簇呈均匀的球形，由大量结晶性能良好的微小Fe3O4纳米晶体组成。Fe3O4纳米簇的平均粒径约为268 nm，粒径分布较窄，在水中分散性好。其饱和磁化强度为65 emu/g，具有快速的磁响应性能，对开发高磁饱和强度的磁性材料具有利用价值。
摘要：四氧三铁具有良好的化学稳定性和生物相容性以及优异的磁性能,在磁介质存储、传感器、微波吸收和生物医学等领域具有巨大的应用价值。以六水氯化铁(FeCl3·6H2O)作为铁源,乙二醇(C2H6O2)作为溶剂和还原剂,无水醋酸钠为配位剂,柠檬酸钠作为稳定剂,采用溶剂热法制备了高磁饱和强度的Fe3O4纳米簇颗粒。用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)和振动样品磁强计(VSM)对其物相、形貌和磁性能进行了表征。结果表明:纳米簇为均匀球形,由大量微小的Fe3O4纳米晶体组成。纳米簇的平均粒径为268nm,粒径分布较窄。其在室温条件下的磁滞回线表现出顺磁性,其饱和磁化率为65emu/g。
磁饱和分析范文
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