抢鲜看｜《电工技术学报》2022年第14期目次及摘要

电工理论

单脉冲电磁成形中洛伦兹力在时间上的双向竞争关系及其对成形效果的影响

作者：熊奇；周丽君；杨猛；张露露；李哲

摘要：电磁成形技术是一种利用洛伦兹力驱动金属材料发生高速变形的先进制造技术。与传统静态成形工艺相比,电磁成形因其极高的应变速率能显著地改善轻质合金材料的成形性能。同时,相比传统机械力或液压力,电磁成形所利用的洛伦兹力能够在时间和空间上灵活调控,因而具备更丰富的工艺潜能。然而,现有研究多将重点放在金属工件的成形方式及效果上,对其最主要部分——洛伦兹力,在电磁成形过程中随时间的变化过程及复杂的竞争关系并未系统分析。因此,该文针对典型的单脉冲电磁成形过程,细化电磁成形过程中各个物理量之间的动态变化关系,研究了成形过程中随时间变化洛伦兹力在铝合金板件上的竞争关系及对成形效果的影响,阐明了随时间变化的洛伦兹力的竞争关系,对所呈现成形效果的影响及原因进行了分析,更加深刻全面地理解电磁成形技术过程。

稀土超磁致伸缩换能器等效热网络建模研究

作者：张智贺；杨鑫；陈钰凯

摘要：超磁致伸缩换能器的工作特性与温度密切相关,快速准确地对换能器温度分布进行分析计算与预测是换能器设计与性能评估的关键。凭借仿真速度快、准确性高等显著优势,热网络建模广泛用于换能器热分析,但多聚焦于稳态建模研究,忽略超磁致伸缩棒由于热导率低所导致的明显的瞬态温度梯度。为此,该文以纵振式超磁致伸缩换能器为研究对象,计及超磁致伸缩棒作为热源的特殊性和对棒材温度空间分布的影响,建立超磁致伸缩换能器瞬态等效热网络模型。首先基于换能器的结构和工作原理,对其进行热分析;然后重点对超磁致伸缩棒进行建模,根据换能器内部传热过程,建立换能器瞬态热网络模型并对模型参数进行计算;最后搭建有限元仿真模型和换能器温升实验平台,从仿真和实验两方面验证了所提热网络模型对换能器温度时空分析的准确性和有效性。

考虑次同步分量下时间周期问题的三维定点有限元法及变压器电磁特性分析

作者：孙佳安；李琳

摘要：次同步频率分量注入导致变压器铁心产生周期性非对称偏置磁化。该文以矢量磁位A和绕组电流I为待求量,考虑场路耦合关系并结合固定点法处理磁阻率非线性,建立计算变压器铁心静磁场的三维时间周期有限元模型并编写了计算程序,对含次同步频率分量下变压器铁心的稳态磁特性进行研究。在前处理阶段对绕组区域的各单元建立电流密度方向矢量矩阵。在迭代阶段,对非线性各向异性铁心区域需选择合适的局部收敛定点磁阻率。利用二维时间周期有限元法计算得到的绕组电流稳态解作为三维场路耦合计算的电流初值以减少迭代时间。通过计算和实验结果验证了该文算法的有效性,并分析了不同幅值、频率、相序以及三相分布的次同步频率分量对铁心电磁特性的影响。

近场磁耦合无线电能与信息同步传输技术的发展（上篇）：数字调制

作者：李建国；张波；荣超

摘要：随着近场磁耦合无线电能传输（WPT）技术的发展,WPT技术凭借其可靠、便捷和安全的应用优势,在各种不利于有线电能传输的场景中变得越来越受欢迎。电磁场既可以作为能量载体也可作为信息媒介,故本质上近场磁耦合链路可同时传输电能与数据（SWPIT）,而不需要引入额外的射频通信链路。为提高通信速率并降低能量与信息传输的相互影响,SWPIT系统可基于电力电子器件的通断控制特性对待传信息进行数字调制。该文将回顾近场磁耦合无线电能与信息同步传输技术中数字调制的发展,针对信息调制原理、调制电路实现等问题进行分析归纳,最后总结SWPIT系统常用数字调制方案的优缺点与适用场合。

电机及其系统

不均匀气隙表贴式永磁同步电机磁场解析计算

作者：赵士豪；陈进华；张驰；李争；孟玉龙

摘要：工业机器人与数控机床用永磁同步电机设计过程中为追求反电动势的正弦性和低转矩脉动,常采用面包型或偏心削极的不均匀气隙结构,该文基于微分原理对不均匀气隙结构转子磁极进行径向等极弧分段,在二维极坐标下将电机结构划分为永磁体、气隙、槽开口和定子槽四个精确子域的解析模型,并建立泊松方程和拉普拉斯方程,通过分离变量法与傅里叶级数法求解偏微分方程,通过边界条件对各子域谐波系数求解以得到各分段磁极磁场分布,然后基于积分原理对其等效叠加得到电机二维磁场分布结果。该解析方法同时考虑到瓦片型、偏心式与面包型磁极转子结构,可以计算任意单元数电机的空载、电枢及负载的磁场特性,并在此基础上计算转矩和空载反电动势特性。通过样机测试结果和有限元仿真结果与解析结果进行比较,验证解析方法的准确性,能够快速指导电机设计。

分数槽永磁电机永磁体谐波涡流损耗建模与分析

作者：陈浈斐；邢宁；马宏忠；李志新；章黄勇

摘要：准确求解分数槽永磁电机电枢磁场下的永磁体涡流损耗解析解,探究谐波涡流损耗随绕组结构的变化规律是改进绕组结构抑制涡流损耗的关键。针对此问题,该文提出四层绕组电流密度建模方法,实现对三相/双三相、双层/四层绕组结构的建模。基于现有的子域模型,将四层绕组结构的槽身区域划分为上层绕组和下层绕组区域,增加上层绕组与下层绕组交界处的边界条件,确定各子域磁场的谐波系数。通过设计瞬态电枢磁场求解程序,建立涡流损耗解析模型。以四台仅绕组结构不同的10极12槽永磁电机为例,利用有限元仿真验证了损耗模型的精确性。基于该损耗模型,探究了谐波涡流损耗随绕组相数和层数的变化规律,并使用磁动势从机理上分析该规律,为改进绕组结构抑制涡流损耗的研究方向提供一些思路。

基于弹性系数的双馈风电机组控制参数对次同步振荡作用分析及调整方法

作者：刘其辉；洪晨威；逄思敏；田若菡；高瑜

摘要：双馈感应发电机（DFIG）与线路串联电容补偿之间的次同步控制相互作用（SSCI）是引发双馈风电并网系统次同步振荡（SSO）的主要原因。控制参数中,DFIG转子侧（RSC）电流环的比例、积分参数,网侧变换器（GSC）电流环的比例、积分参数以及锁相环的比例、积分参数对系统SSO特性存在不同程度的影响。但由于参数的数量级差异以及灵敏度随参数值变化等问题,传统灵敏度的计算结果存在一定局限性。因此,将弹性系数与阻抗解析相结合,可以直观准确得到各控制参数对SSO稳定性影响的量化指标。通过调节主要影响参数,忽略次要参数,进一步制定抑制SSO控制参数的调整方法,同时提出一种兼顾双馈风电机组基频特性的控制参数间接调整方法。最后通过时域仿真结果验证了控制参数弹性系数分析结果的正确性以及调整方法的有效性。

用于多相无刷励磁机开路与短路故障检测的磁极探测线圈设计

作者：孙宇光；杜威；桂林；段贤稳；郝亮亮

摘要：多相无刷励磁机已广泛应用于大容量核电机组,但现阶段对常见故障缺乏可靠的检测及保护措施。该文设计了一种用于无刷励磁机故障检测的磁极探测线圈,并研究了不同磁极下探测线圈的组合联结方式。针对多相环形绕组无刷励磁机的励磁绕组匝间短路、二极管开路、电枢绕组断线和内部短路等常见故障,分析了正常运行和各种故障工况下多相电流及其产生的合成电枢反应磁场的特点,推导出各种故障在磁极探测线圈端口引起的电压谐波特征,并通过样机实验进行了验证。理论分析与实验结果表明,应用该文设计的组合磁极探测线圈,可根据探测线圈端口电压的频率特征,检测并区分各种故障,为提高多相无刷励磁机的安全可靠性提供了新思路。

一种提高开关磁阻发电机输出性能的改进型他励变换器

作者：丁文；陈硕；李可；宋凯迪

摘要：为了提高开关磁阻发电机（SRG）系统的输出性能,该文提出一种用于SRG的改进型他励变换器,以提高其直流发电应用中的输出电压和功率等特性。该变换器前端插入一个辅助电路集成到常规的不对称桥他励变换器中,通过控制辅助电路中的辅助开关,可以提高励磁电压和发电电压,加速励磁和去磁过程,从而提高SRG系统的发电性能。该文分析了改进型他励变换器的工作模式,对比仿真分析了改进型变换器和常规变换器的不同发电性能,研究了发电时主开关与辅助开关的导通角、辅助电容与负载电容大小对发电系统性能的影响。最后制作了改进型变换器功率电路,搭建了基于dSPACE的实验平台,对改进型变换器和常规变换器的SRG系统进行了实验验证,仿真和实验结果表明,该变换器能显著提高SRG系统的发电电压和功率等性能,实验结果验证了理论分析的正确性和所提改进型他励变换器的有效性。

3×3相永磁辅助同步磁阻电机两相开路故障容错控制策略

作者：赵美玲；刘国海；陈前；赵文祥；朱旭辉

摘要：单逆变器驱动的3×3相永磁辅助同步磁阻电机系统具有低成本、高可靠性的优点。该文针对此系统的两相开路故障,提出一种各模块转矩重新分配的容错控制策略。当同一模块发生两相开路故障时,将该故障模块完全切除,通过增加非故障模块的电流来实现容错运行。对于不同模块同相位两相开路,通过分析故障后各模块的等效电路,获得两相静止坐标系下电流之间的关系,然后构造拉格朗日函数,以铜耗最小为目标,求解电流幅值的最优解,最终实现转矩的重新分配。当发生不同相位两相开路时,以故障模块输出最大平均转矩以及总的转矩脉动最小为目标,对各模块转矩进行重新分配。该方法通过增加正常模块转矩脉动来部分抵消故障模块产生的脉动,达到抑制输出转矩脉动的目的。实验结果验证了所提容错控制策略能有效降低故障后电机的转矩脉动,提高了控制系统的可靠性。

无刷双馈电机的双馈与异步起动控制策略

作者：李珍平；王雪帆；陈曦；孔铭

摘要：无刷双馈电机是一种定子励磁的双电气端口电机,与常规的异步电机、同步电机相比,具有多个自由度,运行方式灵活。在电机系统起动时,两套电源需要先后投入使用。为了避免施加激励时产生冲击并获得理想的输出转矩,应根据电机机械特性与应用工况选择合适的起动方式。该文首先利用无刷双馈电机的数学模型对其双馈及异步运行模式下的转矩特性进行分析;然后针对这两种运行模式,分别提出了基于虚拟电阻的恒转矩异步起动控制策略与基于定子控制绕组开路电压跟踪的双馈起动控制策略;最后利用一台30kW的样机建立无刷双馈变频调速系统的实验平台,实验结果验证了所提双馈与异步起动控制策略的可行性与有效性。

基于转子磁链优化的五相感应电机电子变极策略

作者：贾慧利；杨家强；杨光辉

摘要：针对五相感应电机（FIM）指数响应转矩跟踪电子变极运行不平稳问题,分析得出转子磁链饱和是导致该问题的主要原因之一,计及磁链饱和提出一种转子磁链优化（RFO）电子变极控制策略。分析了FIM电子变极过程中两个控制平面转子磁链叠加是导致磁链饱和的原因,设计了转子磁链控制函数,并采用磁链幅值和电磁转矩约束函数使转子磁链逼近临界值,优化了转子磁链控制。基于FIM的Speedgoat半实物实验平台,对所提RFO方法进行了实验验证,对采用和未采用RFO的指数响应转矩跟踪电子变极控制策略进行对比实验研究。实验结果表明,所提策略使转速波动减小了50%,转矩波动减小了67%,有效改善了电子变极过程中电机运行平稳性。

基于积分滑模的高速磁悬浮列车牵引控制策略

作者：曹学谦；葛琼璇；朱进权；孙鹏琨；王晓新

摘要：高速磁悬浮列车用长定子直线同步电机工作在双端供电模式时,是多变量、非线性、强耦合系统。传统的线性控制方法对参数摄动较为敏感,因此该文分析了参数摄动对电流环控制性能的影响并提出一种基于积分滑模的电流控制策略。该策略将状态变量的积分项引入到滑模面中,避免了高频噪声的干扰,并改进了指数趋近律以削弱抖振,使得电流的动态跟随性能和抗参数摄动性能都得到改善。硬件在环实验验证了该策略与传统线性控制策略相比,可提高磁悬浮列车在定子段换步过程中的电流跟随性能,并且对电机参数摄动具有较强的鲁棒性。

电力电子

一种用于V形钳位多电平变换器的IGBT吸收电路方案

作者：薛尧；王琛琛；杨晓峰李凯；郑琼林

摘要：只有公共直流侧电容的V形钳位多电平变换器（VMC）在中压、大功率电能变换的场合具备良好的应用价值。但当VMC电平数较高时,其换流回路电感不可避免地增大,使IGBT开关器件的关断过电压问题凸显。为此,该文提出一种简单的VMC吸收电路方案。依据VMC的运行原理,将其开关器件区分为主开关器件和辅助开关器件。主开关器件动作并切换电流通路,在每一对互补的主开关器件两端添加吸收电容（构成类似半桥开关能量缓冲单元）,以抑制其关断过电压。而主开关器件相对应的辅助开关器件则先开通、后关断,仅提供静态电压支撑的功能,因此无需吸收电路保护。该文以七电平VMC为例,对所提的吸收电路方案进行了分析和研究。实验结果表明,所提的VMC吸收电路方案能够显著抑制开关器件的关断电压尖峰。并且,该方案仅需少量吸收电容与主开关一起构成类似半桥开关能量缓冲单元的形式即可实现所有开关器件的关断过电压保护,其成本低、可靠性高,具有良好的工程实用性。

基于多进制正交幅度调制的交错并联DC-DC变换器能量信息一体化技术

作者：郭昊；李岩；侯冰冰；井永腾

摘要：电力电子变换器通过功率和数据信息复合调制,使其在电能变换传输的同时实现数据信息的传输,达成了能量信息的一体化,极大地促进了电力电子装置的数字化和智能化。为进一步提升变换器能量信息一体化中的通信速率,该文针对交错并联DC-DC变换器的电路结构,提出基于多进制正交幅度调制（MQAM）的能量信息一体化技术。首先介绍基于MQAM的交错并联变换器能量信息一体化的原理;其次建立变换器传输电能和信息的数学模型并进行分析;然后提出适合电力电子变换器的基于MQAM的能量信息一体化实现方法,使其在负载变化工况下仍能进行信息的传输;最后通过一台交错并联的5V/10V Boost变换器完成技术的验证。该技术在电能可靠变换传输的条件下,大幅提升了通信速率,可作为电力电子变换器实现高水平能量信息一体化的参考。

宽范围CLLLC双向同步整流数字控制方法

作者：廖嘉睿；杭丽君；但志敏；何远彬；高锦凤

摘要：为解决车载充电器（OBC）系统的双向CLLLC谐振变换器在宽范围工作条件下效率过低、开关管温度过高等问题,该文提出一种数字同步整流控制方法。该方法以CLLLC拓扑的脉冲频率调制（PFM）控制模式为基础,通过对不同工作频率模态的分析,总结推导同步开关管与主动管驱动时间的关系。在宽电压的调制频率范围内,分别通过分析计算和线性函数分段拟合的方法得到同步管驱动信号的延迟开通和提前关断时间。相较于其他同步整流控制,此方法利用纯数字控制实现,可应用于母线电压变化范围宽的大功率场合,且适用于双向变换器,避免了模拟控制芯片对母线电压变化敏感的缺点,控制方法简单且易于实现,成本更低,设计更简单。最后,搭建了仿真平台和实验样机对所提出的方法进行验证。仿真和实验的结果表明,该策略可以使系统效率最大提升3%左右,且能极大降低开关管温度。

误差自校正混合脉宽调制策略

作者：申永鹏；王前程；王延峰；袁小芳；李海林

摘要：针对基于传统空间矢量脉宽调制方法的单电流传感器相电流重构存在不可观测区域,且无法实现零点漂移校正问题,提出一种误差自校正混合脉宽调制方法,通过在不可观测区域各载波周期插入两个互补有效电压空间矢量代替零电压矢量,为电流传感器提供可靠的采样窗口,消除了电流不可观测区域。同时,通过对互补有效电压矢量进行动态电流双采样,实现电流零点漂移量的自检测和自校正。实验工况下所提方法重构相电流误差小于3.57%,相电流总谐波畸变率低于4.02%,可为控制系统提供可靠的重构相电流。

基于倍频采样的两相交错并联三电平双向直流变换器功率均衡解耦控制策略

作者：樊启高；卢禹卓；毕恺韬；安群涛；朱一昕

摘要：该文提出一种两相交错并联三电平双向DC-DC变换器功率均衡解耦控制策略,并有效地减少了电流传感器的使用。通过对变换器拓扑工作原理的分析,得出两相交错三电平拓扑的等效两电平分析方法。在此基础上,提出基于总电流分时倍频采样功率均衡解耦控制策略,使变换器的电压调节与相间电流均衡控制实现了完全解耦。此外,将常规均衡控制所需的四路电流采样,减少为两路,达到了简化控制结构的目的。建立基于等效拓扑下的小信号模型,利用该模型对所提方案进行理论验证,并给出控制器参数的具体设计方案。最后通过小功率物理仿真实验对所提控制策略进行了有效验证。

优化开关序列的PWM整流器模型预测控制策略

作者：肖蕙蕙；魏苏东；郭强；李山；兰紫君

摘要：有限集模型预测控制（FCS-MPC）策略通过在一个采样周期内对有限开关状态遍历寻优,得到当前周期的最优开关状态作用于系统。但由于开关频率不固定,造成系统谐波频谱分散,增加了滤波器设计难度。该文以三相电压源型PWM整流器为研究对象,在分析模型预测控制原理的基础上,提出一种基于多矢量合成的优化开关序列模型预测控制（OSS-MPC）策略,在保证系统控制精度的同时,针对有限集模型预测控制策略系统计算量大、开关频率不固定的问题提出改进,通过对有限控制集优化,减小系统计算量;以多矢量合成为基础,通过开关序列重新排列解决开关频率不固定造成的网侧电流频谱分布不均问题。为验证所提出方法的可行性,进行仿真实验并搭建测试样机,在与有限集模型预测控制策略对比的基础上,增加与现有改进策略空间矢量调制模型预测控制（SVM-MPC）的对比实验,进一步验证该文所提策略的有效性与优越性。

考虑故障限流的下垂控制型逆变器暂态控制策略

作者：葛平娟；肖凡；涂春鸣；陈乐祺；周达

摘要：下垂控制型逆变器能够为电网提供电压与频率支撑,其安全稳定运行对电网意义重大。然而,在故障工况下,下垂控制型逆变器面临功角失稳与过电流问题,这严重威胁了下垂控制型逆变器的安全运行。目前的研究往往将功角控制与故障电流控制作为两个独立问题进行解决,鲜有研究兼顾功角控制与故障电流控制对下垂控制型逆变器展开综合调控。基于此,首先,对下垂控制型逆变器暂态特性展开分析,详细阐述电流限幅环节与无功-电压环路对逆变器暂态特性的影响。接着,提出兼顾故障限流与功角稳定性的下垂控制型逆变器暂态控制方法。所提方法综合考虑故障期间电网电压与逆变器端电压的变化,通过对有功-频率环路的优化调控实现功角稳定控制。此外,在功角控制的基础上,改进无功-电压环路控制实现故障电流的有效抑制。最后,通过仿真与实验验证了该文所提方法的有效性。

准Z源逆变器直流链电压跌落的判断和抑制方法

作者：许宇豪；肖海峰；马昭；高文；贺昱曜

摘要：准Z源逆变器是一种允许桥臂直通的特殊升压变换器,在新能源电动汽车、光伏和风电等分布式发电系统中具有广泛应用前景。准Z源逆变器直流链电压泵升时存在一个潜在问题,若直流侧电感储能不足会使二极管电流断续,从而导致直流链电压发生跌落,严重降低了准Z源逆变器的输出性能和安全可靠性。针对该问题,首先,该文定义电压跌落深度的概念来计算和衡量直流链电压升高和降低的幅值。然后,在综合分析造成二极管电流断续因素的基础上,提出直流链电压跌落判断方法,可根据当前系统参数和状态预判直流链电压是否发生跌落。最后,为了防止准Z源逆变器出现非正常状态,基于系统协调控制的思想提出了直流链电压跌落抑制方法。结果表明,所提出的方法能够准确预测直流链电压跌落的条件,并能够有效防止直流链电压跌落。

动车组静调试验中直流母线电压振荡分析与抑制

作者：周雪松；胡一凡；马幼捷；曲诗健；宋关羽

摘要：为解决厂内静调试验中高速动车组牵引变流器模拟牵引工况下,其中间直流环节发生电压大幅振荡的问题,该文针对源侧整流器提出引入补偿环节的虚拟电阻控制方法。在单相PWM整流器dq坐标系数学模型的基础上,建立源侧整流器与二次谐振电路并联的等效输出阻抗模型以及牵引逆变单元和辅助变流器的等效输入阻抗模型,并基于上述模型,结合Bode图和Nyquist曲线分析直流环节电压出现振荡的主要原因,即二次谐振电路与恒功率负载间的交互作用会引发中间直流环节电压振荡。所提振荡抑制方法利用虚拟电阻等效增加了负载侧输入阻抗,使得系统开环增益满足禁区稳定判据,可提升系统的稳定裕度。最后,通过仿真和实验验证了该文分析的正确性和所提控制方法的有效性。

低容值半桥型模块化多电平变换器直流故障辅助清除策略

作者：樊强；俞永杰；夏嘉航；赵成勇；许建中

摘要：通过谐波电流注入方式可有效减小子模块电容容值,进而降低模块化多电平变换器（MMC）的体积和质量,实现MMC的轻型化。该文通过对低容值半桥MMC直流故障工况特性的理论分析,指出在其他参数不变的情况下,低电容容值下的子模块电容存在放电速度快的现象,可导致故障清除过程中子模块低压闭锁问题。从等电荷角度出发,提出一种基于低容值半桥MMC的直流故障辅助清除策略。通过在MMC故障清除过程中根据电容比调整相投入子模块总数,可有效减小MMC子模块电容的放电量并实现系统的快速恢复。基于PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建仿真程序,通过仿真和实验验证了低容值MMC故障辅助清除策略的有效性。

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