【摘 要】
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目前应用于反应堆核岛的主力机型为RM型控制棒驱动机构,其机械轴承的寿命决定了控制棒驱动机构的使用寿命。本文从原理上创新,将机械轴承替换为电磁轴承,从根本上解决磨损问题。本文针对驱动机构中定转子工作环境的不同以及对定子的保护需求,提出了隔离型电磁轴承(Isolated Type Active Magnetic Bearings,简称IAMB)。IAMB由于受屏蔽壳内涡电流的影响,静态和动态电磁力响应
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目前应用于反应堆核岛的主力机型为RM型控制棒驱动机构,其机械轴承的寿命决定了控制棒驱动机构的使用寿命。本文从原理上创新,将机械轴承替换为电磁轴承,从根本上解决磨损问题。本文针对驱动机构中定转子工作环境的不同以及对定子的保护需求,提出了隔离型电磁轴承(Isolated Type Active Magnetic Bearings,简称IAMB)。IAMB由于受屏蔽壳内涡电流的影响,静态和动态电磁力响应特点以及控制方法与一般的叠压型电磁轴承(Active Magnetic Bearing,AMB)有区别;此外工程上常用的电涡流位置传感器无法穿透屏蔽壳检测转子位置,需要针对IAMB研究转子位置检测方法。为此,论文主要工作内容如下:首先,研究了IAMB的电磁力特性。建立了IAMB的静态等效磁路,分析了IAMB的线性工作区并简化了静态等效磁路,得出了IAMB静态电磁力特性与叠压型电磁轴承的区别;进一步考虑了由于涡流导致的动态磁阻,并在静态简化磁路的基础上引入了动态磁阻,从而解释了IAMB电磁力响应滞后与绕组电流的问题;在此基础上得出了电磁力与绕组电流传递函数,为IAMB的控制提供了基础。其次,分析了IAMB控制过程中特殊问题。研究了静态电感导致的电气时间常数改变的问题对电流环响应速度的影响,利用静态工作点解决了静态电感非线性问题;对IAMB开关功率放大器输出电流纹波大的问题进行了研究,对比计算了开关功放二电平驱动方式下AMB和IAMB电流纹波,针对纹波问题提出了简化等效电感模型,在此基础上提出利用三电平驱动方式降低电流纹波;在PID控制算法的基础上,为解决IAMB电磁力响应滞后问题提出了开环电流补偿的控制策略,实现转子稳定悬浮。然后,研究了用于IAMB的隔离型差动变压器位置传感器(ILVDT)。分析了ILVDT的工作原理,确定了其工作点,并根据考虑涡流时的动态磁阻推导了传感器输出信号与与励磁电压、转子位置、以及激励频率的关系。针对ILVDT必须有直流静态偏置磁通的特点和滤除开关功率放大器高频干扰的需求,在乘法器相敏检波电路的基础上增加了带通滤波器,实现转子位置的有效检测。最后,搭建了基于DSP微控制器的数字控制系统的控制实验平台,并实现了转子的稳定悬浮。搭建了ILVDT乘法器相敏检波电路,初步验证了文中提出的检波方法能够有效检测转子位置。本论文为具有隔离功能的电磁轴承的控制及其隔离型电磁轴承的转子位置检测技术提供了经验以及基本分析方法,具有重要的学术和工程意义。
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