飞轮储能系统中感应电机的电磁设计(开题报告)

毕业设计（论文）开题报告题 目：飞轮储能系统中感应电机的电磁设计学院： 电气信息学院 专业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 王定忠学号：200801010114指导老师： 刘金泽 2012年04月15日毕业设计（论文）开题报告文献综述0引言现代信息社会，对于信息时效性要求极高，一旦信息中断，会带来不可估量的直接经济损失和社会负面影响。近年来，电信运营商、大型数据中心、政府重要部门及大型生产企业等单位，对正常的电力保障供应要求越来越高，因而对于为机房设备及生产设备提供的UPS电源系统（即不间断电源系统）保障的要求越来越苛刻。因此，要求必须提供365*24小时连续不断的、可靠、安全、高效的电力供应保障。传统UPS电源系统利用了化学蓄电池储能技术，即利用化学蓄电池作为电能的储存装置，而化学蓄电池存在着诸如占地面积大、故障率高、维护周期密集、维护成本高、使用寿命短、受充放电次数的限制，对环境的污染严重以及对工作温度及其它工作环境指标要求高等问题。由于人们现在对节能减排的要求，对环境保护的要求，及对化学蓄电池性能特点的要求不断提高，在许多领域中，人们已经不能接受化学蓄电池的弊端，而逐渐将目光放在更加先进的储能技术方式上，以替代传统的化学蓄电池储能技术。如何在取消传统化学蓄电池的使用而使UPS电源系统更加安全可靠？如何取消传统化学蓄电池的使用而使UPS电源系统更加环保、节能、低耗？如何取消传统化学蓄电池的使用而使UPS电源系统的投入费用和运行维护费用更加节省同时还能够节省大量的占地空间？这些是摆在UPS电源系统使用者和UPS电源系统制造商面前的新课题。在这种新形势下，美国ActivePower公司采用了无需传统化学蓄电池、绿色环保的磁悬浮飞轮储能技术，使UPS电源系统的体积大大减小，可靠性、安全性大大提高。这样既能够满足客户对UPS电源系统整体解决方案的要求，也能满足客户对移动性的要求，填补了市场的空白，成为了市场的新宠。“飞轮”这一储能元件，已被人们利用了数千年，从古老的纺车，到工业革命时的蒸汽机，以往主要是利用它的惯性来均衡转速和闯过“死点”由于它们的工作周期都很短，每旋转一周时间不足一秒钟，在这样短的时间内，飞轮的能耗是可以忽略的。现在想利用飞轮来均衡周期长达12〜24小时的能量，飞轮本身的能耗就变得非常突出了。能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。再一个问题是常规的飞轮是由钢（或铸铁）制成的，储能有限。另外要完成电能机械能的转换，还需要一套复杂的电力电子装置，因而飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用。飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展：一是高能永磁及高温超导技术的出现；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的飞速发展。1飞轮储能（FWES）飞轮储能技术由于其能量转换效率高、无污染、维护性好、储能密度高、使用寿命不受放电深度影响等特点越来越受到关注。随着新型材料的应用、磁浮技术的进展和电机变频调速技术的成熟，为研制飞轮储能系统提供了条件。通常的飞轮储能装置由飞轮、电机、电力电子变换装置三部分组成，如图1所示。I供申•系坊I-kjHi了-雨一1出机I-I飞轮I图I其中飞轮与电机转子固定地连接在一起，飞轮储能装置的基本原理是：储能时，电能通过电力电子变换装置变换后控制电机转动,电机带动飞轮加速转动,电能转化为机械能储存下来。需要放能时电机作为发电机，由飞轮带动其转动将机械能转化为电能经电力电子装置变换后输送给配电系统。2储能原理飞轮储能就是利用现代功率电子技术，由工频电网提供的电能，经功率电子变换器，驱动电机带动飞轮高速旋转，以动能的形式把能量储存起来，从而完成电能一机械能转换的储能过程。图是飞轮储能系统工作原理图，其中飞轮与电机转子固接在一起。电机维持一个恒定的转速，直到接受到一个能量释放的控制信号。当需要给负载供电时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出适用于负载的电流与电压，从而完成机械能电能转换的释放能量过程。由此，整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。

图1飞轮储能系统工作原理图飞轮是一个作定轴转动的旋转体，储存的能量E可表示为：E=Im1式中，E 储存的能量，I 飞轮的转动惯量，w 飞轮转动角速度。由此可见，为提高飞轮的储能量，有两个途径：一是增加飞轮转子转动惯量，二是提高飞轮转速。前者可用于固定应用场合，后者在对质量有严格要求的场合有很好的效果3飞轮储能系统结构飞轮储能装置主要由高速飞轮、轴承支承系统、电动发电机、功率电子变换器、电子控制设备以及附加设备(如真空室、真空泵、备用轴承)等部分组成，是一种积木式的集成系统。图2是一立轴飞轮储能系统结构图，其中的轴承支承是采用磁悬浮轴承系统。飞轮转子轴上下两端采用自动对中的斥力型径向永磁轴承支承，实现无机械接触、无摩擦，同时轴向卸载。径向永磁轴承在径向方向是稳定的，而在轴向上是不稳定的，故在轴向上采用主动控制的推力电磁轴承，控制飞轮转子的轴向位移。飞轮与电机转子固定地连接在一起，易于实现电能与机械能之间的转换。

图2弋轮储能装置系统结构4电机的选择飞轮储能中电能与机械能之间的转换是以电机及其控制为核心来实现的。飞轮储能装置中的电机需具有以下特点：较大的转矩和输出功率；较长的稳定使用寿命；空载损耗极低；能量转换效率高；能适应大范围的速度变化。对于这种高速旋转应用，有种电机可供选择：开关磁阻电机、同步磁阻电机、感应电机和永磁无刷直流交流电机，其中永磁电机具有调节控制方便、调速范围宽、转子损失低、易于实现双向功率转换等优点，在飞轮储能应用中有很大吸引力。5储能与释能控制飞轮储能过程就是电机的升速过程。电机升速可以采用两种变频控制方式：恒转

矩控制和恒功率控制。恒转矩控制是以系统能承受的最大转矩为加速转矩，保持系统

的加速转矩不变；恒功率控制是以系统能承受的最大功率为加速功率，保持系统的加

速功率不变。释能过程中飞轮不断减速，电机作为发电机运行，电机的输出电压与频

率随转速变化而不断变化，发出的电能需先整流成直流电，再由稳压装置变换成稳定

的直流电，经逆变器变换后转化为交流电后才能供给负载。电机由转速w/2升到w，按照恒转矩控制方式，电机最大功率与加速时间分别为:儿咏=T*0)_血一八少/2)_如t[二 T二2T按照恒功率控制方式，电机功率与加速时间分别为：=r•(鏡/2)△EM/2一心/2)戈/2_3_h)比较可知，恒功率控制所需的储能时间为恒转矩控制的1.5倍而所需要的电机功率为恒转矩控制的一半。6结论随着我国对节能减排工作的重视程度不断提高，随着当今社会人们节约资源意识和环保意识的不断增强，在许多领域中人们已经不能够接受化学蓄电池的弊端，而逐渐将目光放在技术更为先进的储能方式上。飞轮储能涉及到多学科的交叉，其装置的设计过程是极其复杂的。本文对飞轮储能装置设计中的感应电机的电磁设计作了较为全面的分析与讨论，为飞轮储能装置设计的进一步研究奠定了基础。参考文献张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].机械工业出版社.杨松林.工程模糊论方法及其应用[M].国防工业出版社.曹炳君.飞轮储能系统中能量转换环节[M].电工电能新技术.蒋书运，卫海岗，沈祖培飞轮储能技术研究的发展现状J]太阳能学报，2000,21(4)：427—433.方家荣，林良真，夏平畴，等•超导混合磁力轴承的发展

毕业设计（论文）开题报告开题报告一、课题的目的与意义飞轮储能是一种新型的机械储能技术，是将电能、转动能、制动能，或者诸如风能、太阳能等自然能转化成飞轮的旋转动能加以储存。与其他储能技术相比，飞轮储能具有大储能、强功率、高效率、无污染、适用广、无噪声、长寿命、维护简单、可实现连续工作、可进行模块化设计制造等优点。在21世纪，这种储能技术势必会给能量储存带来一场革命，展示出绿色储能技术的发展前景，在电动汽车、航空航天、电网调峰、不间断供电备用电源等诸多领域有着广泛的应用前景。随着现代电动发电机技术、电力电子技术、新材料技术、磁悬浮技术和控制技术的最新进展，使这一新型储能技术的开发应用成为可能。飞轮储能装置，又称为电动机械电池、飞轮电池，是一种机电能量转换与储存装置。飞轮储能装置的设计，涉及到机械、材料、电工、热工、计算机等多学科的交叉，其设计过程是极其复杂的，本文对飞轮储能装置设计中的感应电机的电磁设计进行分析和讨论。二、课题发展现状和前景展望表1储能技术的比较项目 飞轮储能 电池抽水蓄能压/議气小器导超导储能燃气轮机储能容議

摸块性

循环壽命

充电吋间

地点.可用性

储能制定

建设时间

环境修后

事故后果

环境控制可用性储能容議

摸块性

循环壽命

充电吋间

地点.可用性

储能制定

建设时间

环境修后

事故后果

环境控制可用性〜90

高

是

无限极高

扱妊

以周计良好

低正在开发

少量已用〜60<50〜907070高高极低高无否否足否>30MW儿干几千无限儿干时时低低极好機好扱妖年年同年良好很好中高.一直一些无一些现在"地理隈制现在.地理限制正在开发止在开发现在褛界范国內他給储憾典鰹的拓用嗓例年份研发机构基本参数技术特点作用不详日本四国综合研究所8MWh.储能放电各4h,持机16h拓温超导確浮立式轴承,储能效*84%平滑负荷不详日本原子力研究所215MW/8GJ输出电压18kV,输出电M6896A,储能效率笳％UPS不详美国伽怡公司277k\Vh引入凤力发电系统全程调峰1991美国马里兰大学24kWh,转速11610-46345rad/niin电蘿悬浮轴承，输出启压110V/240V,全程效率*1%电力调峰1996德国SMW^OOUWhT转速2250^4500rad/niin超导磁浮轴承，储能效率96%储能电站2004巴西额定转速30000rad/min超导与永磁悬浮轴承电压补偿三、课题主要内容和要求确定总体方案，了解飞轮储能装置设计中