抢鲜看｜《电工技术学报》2023年第2期目次及摘要

电工理论

集磁器对电磁成形驱动线圈发热影响及机理

作者：熊奇；李青山；李哲；赵翔；李彦昕

摘要：在电磁成形的过程中,驱动线圈的发热是影响线圈使用寿命和放电频次的关键因素;集磁器作为一种常用的电磁成形辅助工具,目前被广泛用于改善电磁场的分布,提高工件的成形质量。然而,集磁器的引入也会影响等效电路中的等效电感参数,从而改变线圈中的电流,进而影响线圈的发热。故该文提出使用集磁器作为降低管件电磁胀形中驱动线圈发热的措施;通过理论分析和仿真模拟分析了有/无集磁器的两种方案中线圈的发热和管件的成形效果变化,以及集磁器上的温度变化。结果表明,在内径49.6mm、外径68mm、4×10匝的线圈胀形过程中,通过引入集磁器辅助,在放电电压为10.5kV时,线圈上的焦耳热减少了12.32%,最高温度降低了3.42℃,工件的最大成形深度提升至约为原来的2.76倍;进一步的分析则表明,集磁器的引入降低了等效电路中的电感和电压,使得线圈电流具有更陡的下降沿,衰减速度变快的同时减小了电流峰值,从而让线圈的热量损耗更小。该方法成本较低,容易实现,且对于线圈发热问题具有明显的优化效果,对提高电磁成驱动线圈的使用寿命和放电频次具有重要意义。

基于毫米波雷达的电动汽车无线充电运动异物检测与跟踪

作者：田勇；杨昊；胡超；田劲东

摘要：电动汽车无线充电系统的一次线圈和二次线圈之间存在大空间气隙以及高强度磁场,可能对进入充电区域的生物体造成电磁伤害。因此,系统需要配备可靠、灵敏的生物体检测装置,以便在生物体侵入保护区域时及时降低或关闭充电功率。该文研究一种基于77GHz毫米波雷达并结合卡尔曼滤波和数据关联算法的运动异物检测方法,首先通过调频连续波雷达测量运动异物的速度、距离和角度;其次融合卡尔曼滤波、目标聚类和数据关联算法实现多目标运动异物的轨迹跟踪。仿真和实验结果表明,该方法能够高精度地测量运动异物的位置和速度,并具备相邻多目标检测和跟踪能力。

多模块电感型脉冲源系统的分析与优化

作者：孙浩；于歆杰；李臻；李蓓；刘至真

摘要：由于电感储能型脉冲源单模块的能级受限,无法达到电磁发射的能量要求,需进行多模块协同工作的研究。而电感型脉冲源元件参数众多,工作过程复杂,且多模块运行中存在串扰,给系统设计带来很大的挑战。该文基于Meat Grinder with SECT电路,探究了多模块电感型脉冲源的工作过程,经过磁路和电路的等效处理之后,将多模块系统的运行简化为单模块问题。基于此,建立了详细的多模块脉冲源系统的解算方法,可以利用最底层的几何和电气参数,计算出脉冲源系统的性能指标。使用遗传算法对系统参数进行大规模优化,得到储能密度最高的多模块电感型脉冲源系统的参数,使用8个分立的脉冲源模块,并联、同步为负载放电,可以实现4.58MJ/m3的储能密度和158kA的电流输出。

电机及其系统

基于频域拟合的无轴承永磁薄片电机径向悬浮力建模分析

作者：王晓琳；石滕瑞；鲍旭聪

摘要：在无轴承永磁薄片电机系统中,永磁转子因失去轴承支承容易发生偏心位移,为控制转子在几何中心稳定悬浮,径向悬浮力精确建模是无轴承系统高性能可靠运行的关键基础。针对大气隙无轴承永磁薄片电机因转子偏心程度大而引起的径向悬浮力模型非线性误差问题,该文提出一种基于频域拟合的径向悬浮力精确建模方法,将非线性分量转化为相应函数补偿至径向悬浮力模型中,从而提高了模型精确度。首先,对推导一般径向悬浮力模型过程中出现的多个误差因素及其影响进行系统分析;在此基础上,提出频域拟合方法重构径向悬浮力模型,并分析其非线性特性;最后,将解析模型与有限元仿真所得到的可控径向悬浮力、偏心磁拉力进行深入对比分析,验证了该解析模型的正确性与精确性。

12/14磁悬浮开关磁阻电机悬浮力全周期模型构建

作者：杨帆；袁野；祝贵；孙玉坤；孟凡斌等

摘要：12/14磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统磁通与多个转子齿铰链,导致悬浮系统的等效磁路在整个转子位置周期内具有变结构特征,需要提出新的建模方法,揭示全位置周期内的悬浮力动态变化特性。针对上述问题,该文基于有限元模型开展了12/14磁悬浮开关磁阻电机悬浮力电磁特性分析,明晰了转子位置动态变化下的悬浮系统磁通铰链规律。利用麦克斯韦应力法“区域性”建模优势,提出“主-边磁路并行解析”策略,构建了考虑磁通多齿铰链的全周期悬浮力数学模型。通过有限元分析的方法验证了模型优良特性。开展实验研究,结果表明,建立的悬浮力模型可以有效揭示12/14磁悬浮开关磁阻电机独特本体结构下的悬浮力特性,实现稳定悬浮,进一步验证了所提建模方法的可行性。该方法可以推广至一类具有悬浮系统磁通多齿铰链特征的磁悬浮开关磁阻电机建模研究中。

输电线不同类型短路对同步调相机转子损耗及温升的影响

作者：许国瑞；胡沛东；李志强；刘文茂；李伟力

摘要：同步调相机可为特高压直流换流站提供无功功率,以保持系统电压稳定,防止直流换相失败。交流系统发生短路导致系统电压降低时,调相机会向系统提供大量无功功率。然而,高无功大电流会导致调相机转子损耗和发热增加。为了研究调相机承受系统短路故障的能力,该文将调相机的电磁场、温度场模型与电网模型耦合,计算了输电线路发生单相、两相和三相短路故障时,调相机转子槽楔和铁心的损耗分布,揭示了各部分损耗密度随转子径向深度的变化规律;在此基础上计算了三种短路故障下调相机转子的温度分布,获得了转子最大温升出现的位置;在考虑转子最高容许温度的条件下,揭示了调相机短路持续时间与短路故障类型之间的关系。该研究为提高调相机在系统故障情况下的工作能力提供了理论依据。

交轴电流计算与电容储能反馈的双三相永磁同步发电机系统稳压控制

作者：郝亮；赵文祥；吉敬华；许德志；王玉雪

摘要：双三相永磁同步发电机（DTP-PMSG）具有容错率高、低压大功率等特点,适用于受输出电压、空间体积限制的高端装备领域。常规的母线电压控制方法在负载快速变化时,存在电压恢复时间长、电压波动大的缺点。该文提出基于交轴电流计算与电容储能反馈相结合的稳压控制策略。建立脉冲宽度调制（PWM）整流器能量和功率交换数学模型,推导交轴电流内环给定的计算表达式,设计电压外环并分析物理意义。该方法既能缩短电压恢复时间,又可以降低电压波动幅值。仿真和实验结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。

开关磁阻电机无电流传感器控制方法

作者：方成辉；陈昊；Galina Demidova；Alecksey Anuchin；Yassen Gorbounov

摘要：电流传感器的使用会增加系统的成本和噪声干扰,降低系统的可靠性。而对于开关磁阻电机系统,缺少电流信号难以保证良好的控制性能。针对该问题,提出一种无电流传感器控制方法。该方法采用速度、加速度双闭环控制,因此反馈量均由位置传感器得到。首先,从两个方面分析了所提出控制方法的可行性：①证明了该方法的收敛性;②证明了在稳态下加速度和电磁转矩的近似线性关系,并依此分析了加速度控制和转矩控制的等效性。根据电机的磁链特性,对加速度环,提出具有三个滞环边界的滞环控制方法。兼顾电机效率和转矩脉动,合理地选择了开通角、关断角。实验电机为12/8开关磁阻电机。分别采用电压斩波控制方法、直接转矩控制方法和所提出的控制方法运行电机,对其电流、电磁转矩和转速波形进行了比较。结果表明,在控制效果上,所提出的控制方法与直接转矩控制方法相当,优于电压斩波控制方法。除此之外,电流与电磁转矩呈复杂的非线性关系,直接转矩控制方法需要进行电流和电磁转矩的换算。而由于加速度与电磁转矩的近似线性关系,所提控制方法无需计算电磁转矩,因此计算量更小。

一种基于双位置观测器的永磁同步电机低速无位置传感器控制方法

作者：王菁；颜建虎；季国东；单梁；应展烽

摘要：为了实现永磁同步电机低速段无位置传感器控制系统对转子位置的快速跟踪和对转速信号的低噪声估计,该文提出了一种基于锁相环与滑模观测器的双位置观测器控制方法。该方法利用两组坐标变换实现了高频信号注入过程与磁场定向控制的解耦,通过改变滑模观测器增益与转速环闭环带宽的方式实现稳态时低噪声、暂态时低延迟的信号估计。控制器参数基于闭环带宽进行设计,避免了低通滤波器的使用,从而简化了控制系统。针对带宽切换过程,该文提出了一种切换策略,利用转速环与滑模观测器中的积分环节,实现了平滑的带宽切换。最后通过实验验证了所提方法的有效性。

基于改进的离散域二阶滑模观测器的内置式永磁同步电机无位置传感器控制

作者：王琛琛；苟立峰；周明磊；游小杰；董士帆

摘要：滑模观测器由于对系统不确定性具有良好的鲁棒性,逐渐应用于永磁同步电机无位置传感器控制中,但是在实际应用中滑模观测器的抖振现象会严重影响系统控制性能。该文提出一种用于内置式永磁同步电机无位置传感器控制的改进的二阶滑模观测器,采用基于Super-twisting算法的二阶滑模观测器,不同于常规的通过滑模观测器估算得到反电动势分量的方法,该方法基于内模控制原理引入二阶广义积分器,通过滑模观测器估算得到反电动势误差分量,再经过二阶广义积分器得到估算的反电动势分量,能够在保证估算准确性的同时很好地抑制系统抖振。同时,为了消除数字实现过程中的离散化误差和估算反电动势分量的耦合项,提高估算的准确性,重新构建了基于扩展反电动势的离散域数学模型,并基于该模型设计了改进的离散域Super-twisting滑模观测器。最终将估算得到的扩展反电动势分量用于估算转子位置和转速。通过实验对该文提出方法的有效性进行了验证。

基于滑模观测器误差补偿的永磁同步电机无位置传感器控制策略

作者：梅三冠；卢闻州；樊启高；黄文涛；项柏潭

摘要：转子位置精度对于永磁同步电机无位置传感器控制至关重要。基于滑模观测器的转子位置估计方法因对参数敏感性低、鲁棒性强的优势得到了广泛的研究和应用。针对滑模观测器估计相位延迟导致的位置信号不准确问题,提出一种基于误差补偿的永磁同步电机无位置传感器控制策略。首先,详细分析了滑模观测器的位置误差产生机理,利用一阶滤波器设计了相位延迟补偿方法,以提高位置估计精度;然后,通过临界饱和切换函数改进滑模观测器收敛性能;最后,通过实验验证了所提方法的可行性。实验结果表明,所提方法的位置估计误差较传统方法减少了89.64%。

基于扰动观测器的永磁直线电机高阶非奇异快速终端滑模控制

作者：方馨；王丽梅；张康

摘要：针对永磁直线同步电机运行时存在模型不确定性、负载扰动、参数摄动等匹配/不匹配扰动等问题,该文提出一种基于扰动观测器的高阶非奇异快速终端滑模控制策略。利用非线性扰动观测器观测匹配/不匹配扰动,降低系统对多重扰动的保守性。此外,设计高阶非奇异快速终端滑模控制器,增强系统的鲁棒性,并将反馈电流引入滑模面,实现电机位置、速度和电流的整体控制,以提高位置跟踪系统的动态性能和稳态性能。基于李雅普诺夫稳定性理论,分析证明了闭环系统的稳定性和收敛性。最后,通过实验验证了所提控制方法的可行性,能够有效提高系统的跟踪精度和鲁棒性。

基于转子磁链观测器的五相容错PMSM开路故障下的无位置传感器控制

作者：周华伟；叶晨；陈铖；张多；陈前

摘要：五相容错永磁同步电机（PMSM）开路故障模型的不对称性,影响了其无位置运行性能。该文提出一种基于转子磁链观测器的无位置控制策略。首先,该策略在容错模型基础上,构建基于指数趋近律的滑模观测器（SMO）以获取反电动势信号;其次,为抑制所观测反电动势中直流偏置、低频和高频谐波对转子位置观测精度的影响,设计一种改进型二阶广义积分器（ISOGI）,并将其和SMO级联构成转子磁链观测器;然后,采用锁相环技术从转子磁链中提取转子位置信息;最后,将该转子磁链观测器和容错控制策略相结合。实验结果表明,该策略提高了转子位置观测精度,实现了PMSM开路故障下的无位置高性能运行。

参考跟踪和扰动抑制解耦的双三相永磁同步电机容错控制策略

作者：宋战锋；毛丰羽；崔严谨；贾依林

摘要：双三相永磁同步电机发生断相故障时,转速及电流中将会出现明显的周期性扰动。为了解决这一问题,该文提出了一种容错控制器,该控制器包含基于主控制器的参考值跟踪环路和基于重复控制器的周期性扰动抑制环路。所提出的容错控制器不仅可以实现对周期性扰动的闭环抑制,有效降低断相故障后系统中的转速脉动和谐波电流,还能够实现系统参考值追踪与周期性扰动抑制之间的解耦,避免重复控制器对暂态性能的影响。将所提出的控制器分别应用于驱动系统的转速环和电流环中,实验结果表明,与传统策略相比,该容错控制策略不仅能够有效抑制周期性扰动,还拥有更快更平稳的暂态跟踪响应。

双三相永磁同步电机缺相容错运行虚拟矢量间接修正方法及其在直接转矩控制中应用

作者：周长攀；刘海峰；景国秀；刘坛；孙向东

摘要：正常双三相电机直接转矩控制运行需要对基本电压矢量进行修正,采用修正后的虚拟矢量进行直接转矩控制可以抑制谐波电流。双三相电机缺一相故障直接转矩控制时,需要对电压矢量重新进行修正。该文给出了双三相电机缺一相故障情况下的电压矢量分布,提出一种双三相电机缺一相运行时虚拟矢量的间接修正方法,并且使虚拟矢量的幅值达到最大。构建双三相电机缺一相容错直接转矩控制策略,其定子磁链分区和开关表的选取规则与双三相电机正常运行时一致,其差别只是缺一相运行时十二个虚拟矢量的幅值有所减少,因此比较易于实现。实验结果验证了所提方法的正确性和可行性。

电力电子

三相桥式逆变电路电流检测方法综述

作者：申永鹏；刘迪；梁伟华；郭磊磊；王延峰

摘要：可靠、精确的电流检测是三相桥式逆变电路控制和保护策略的关键。针对三相桥式逆变电路电流检测问题,该文首先分析霍尔、磁通门和分流器三种电流传感器的工作原理,比较三者检测特性及优缺点。然后从高端电流检测、低端电流检测和复合电流检测三个方面对多电流传感器方法进行的综述分析;从脉宽调制波形调整、电压矢量合成和状态观测三个方面对直流母线单电流传感器电流检测方法进行分析;从中间桥臂耦合、上下桥臂耦合和多支路耦合三个方面对多位置耦合电流检测方法进行分析;从固有误差和采样误差两个方面对电流检测误差的产生机理及解决方法进行分析。最后对三相桥式逆变电路以及相关电力电子电路变换器电流检测方法的发展趋势进行展望。

多相堆叠交错并联制氢变换器控制策略与特性分析

作者：张理；韩民晓；范溢文

摘要：制氢变换器的效率和输出纹波等指标在氢能应用中至关重要。多相交错并联Buck变换器（MPIBC）输出纹波的减小需要以增加并联支路、开关频率和滤波电感为代价,这将导致成本和损耗的提高。为此该文提出多相堆叠交错并联Buck变换器（MPSIBC）,MPSIBC在MPIBC基础上增加纹波补偿并联支路。补偿支路采用具有补偿特性的PWM控制,输出交流电流与MPIBC输出电流纹波波形互补。MPSIBC利用输出补偿思想使得变换器输出纹波的消除不依赖开关频率等因素。该文从理论上对MPSIBC拓扑和纹波补偿原理进行了分析,并通过PSIM仿真和实验进行了验证,结果表明MPSIBC具有显著纹波抑制效果的同时可有效降低开关频率和滤波电感。

基于不对称正负反馈效应的PQ功率控制并网逆变器稳定性分析

作者：涂春鸣；邹凯星；高家元；肖凡；葛平娟

摘要：针对弱电网下PQ功率控制并网逆变器的稳定性问题,该文通过构建有功/无功环的小信号控制框图,首次揭示弱电网下PQ功率控制是一种不对称控制的本质,即无功环控制器会在有功和无功控制环中形成不对称的正负反馈环路。同时,基于PQ功率环小信号控制框图的不对称现象,揭示有功/无功环控制器参数变化对并网逆变器稳定性影响存在差异性的机理,指出无功环控制器参数变化对并网系统稳定性的影响程度要明显强于有功环控制器参数变化。在此基础上,借助有功与无功环小信号控制框图中的正负反馈效应,分析并网逆变器稳定性随无功环控制器参数增加而出现先增强后减弱的“拐点”现象。最后,通过仿真与实验验证了该文理论分析的正确性。

一种三相对称系统快速谐波检测算法

作者：叶宗彬；侯波；张延澳；秦嘉盛；张旭隆

摘要：有源电力滤波器（APF）在谐波治理方面有着广泛应用,其谐波补偿性能在很大程度上取决于谐波检测环节的性能。为了提升谐波检测速度,该文提出一种基于滑窗离散傅里叶变换（SDFT）的快速谐波检测算法。相较于传统滑窗离散傅里叶算法存在一个基波周期延时,该文提出的快速谐波检测算法利用三相系统的对称性,替换传统滑窗离散傅里叶变换谐波检测算法的梳状滤波器构成环节,能在1/6个基波周期内实现谐波的有效检测,降低检测延迟。该文首先分析传统滑窗离散傅里叶变换谐波检测算法的优缺点;其次推导所提出的快速谐波检测算法的Z域表达式并分析其特点;最后通过仿真及小功率缩比有源电力滤波器样机实验平台验证了所提出的快速谐波检测算法的有效性。

基于插入无源二端口网络的噪声源阻抗提取方法研究

作者：彭金融；毛行奎；崔文玲；董纪清；张艺明

摘要：为了使电磁干扰（EMI）滤波器设计达到预期的插入损耗（IL）,实现良好噪声抑制效果,需要考虑噪声源阻抗的影响。电压插入损耗法仅能获得噪声源阻抗幅值的范围,且无法求解相位。针对上述问题,在不增加实验设备的前提下,提出基于插入无源二端口网络的噪声源阻抗提取方法。该方法通过在被测设备（EUT）与线性阻抗稳定网络（LISN）之间插入3个不同的无源二端口网络,建立关于噪声源阻抗实部和虚部的二元二次方程组,再结合EMI测试频段范围内实验测量的有效频点噪声电流,以实现噪声源阻抗幅值和相位的精确计算。以一台工业照明LED驱动电源为测试对象,对该方法的有效性和适用性进行了验证。实验结果表明,相较于电压插入损耗法,所提方法能够准确地提取全频段（9kHz~30MHz）噪声源阻抗幅值的精确值,并且能够得到噪声源阻抗相位,从而可以预测EMI噪声电流,为设计性能优良的EMI滤波器提供精确理论基础。

高电压与放电

正极性先导起始与发展过程中的等离子体特征

作者：彭长志；董旭柱；赵彦普；李志军；郑宇

摘要：先导放电通道由等离子体构成,先导的注入电荷和先导头部温度是用于判断正极性先导起始的关键物理参数。为了获取先导起始的条件及先导发展过程的等离子体特性,该文利用等离子体模型对先导放电通道进行了仿真研究。首先通过10m户外长空气间隙放电综合观测平台,获取了不同冲击电压下的先导放电电流、电压及光学数据。随后利用实测电流数据作为等离子体模型输入,仿真得到了放电通道的温度、等离子体密度、电导率等参数的演变特性。实验及模拟结果表明,先导起始前的触发温度随电压上升率的下降呈现明显的下降趋势。此外,10m空气间隙下,先导起始所需要的临界电荷可低至0.66μC。先导发展过程中的通道温度相对稳定,维持在4000K左右,电子的产生主要源于热电离,放电通道电导率在1~10S/m范围内波动。

谐波电流对换流变压器绕组损耗及温度分布特性的影响

作者：谭又博；余小玲；臧英；王昊天；李军浩

摘要：针对谐波电流引起的换流变压器绕组局部过热、绝缘老化加速的问题,该文对现有绕组温度计算模型进行了改进,并采用电磁-热-流多物理场耦合的方法定量分析了谐波电流对绕组损耗和温度分布特性的影响规律。结果表明,采用该文提出的计算模型,绕组热点和平均温度与实测结果的误差分别为0.4%和2.9%,辐向油道内油流质量流量和线饼温度的分布规律与参考文献十分吻合。基波工况下,受涡流效应的影响,绕组端部附近2~3个线饼以及辐向内侧线饼单元的损耗明显较大。相比于基波工况,谐波电流不仅使各线饼的损耗增大,同时加剧了端部和辐向内侧线饼单元的涡流效应,使端部和辐向内侧线饼单元损耗显著增大,导致绕组温度沿辐向分布不均匀,热点集中在绕组辐向内侧,热点和平均温度分别升高了8.6℃和3.5℃。

基于多反馈参量的交流接触器自适应吸持控制策略

作者：刘向军；杨程；周煜源

摘要：交流接触器的吸持大多通过单一控制线圈电流或电压实现,因此无法兼顾可靠吸持和节能运行的要求,该文对交流接触器不可靠吸持特性进行理论分析、建模仿真和实验测试,得到动、静铁心分离过程中线圈感应电动势的变化规律,并以此为基础,提出一种基于多反馈参量的交流接触器自适应吸持控制策略。以交流接触器正常运行中的触头电流、线圈电流以及不可靠吸持发生时线圈的感应电动势为反馈参量,通过对参量的监测并根据不同的工作状态输出相应的控制信号,使接触器即使处于较低的吸持电压下,依然具备较高的吸持稳定性。基于该策略,设计了控制模块并进行实验验证。结果表明,利用该控制策略可以有效实现接触器的节能运行与可靠吸持,减小吸持能耗并提高交流接触器的工作稳定性。

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