抢鲜看｜《电工技术学报》2023年第10期目次及摘要

电工理论

磁链法计算并联细导体段电流分配的误差分析

作者：傅实；崔翔；詹雍凡

摘要：能量法计算导体段电感的理论完备自洽,计算结果准确,但对全场域的积分复杂,计算效率低。磁链法只需对导体区域积分,计算简单,已广泛应用于导体段电感计算。但现有基于磁链法的电感计算方法因不满足电流连续性定律,计算结果存在误差,因此基于磁链法求得的电感用于计算并联导体段的电流分配也会导致误差,而现有文献尚未对其进行系统研究。该文首先针对工程中常见的电流单端注入单端流出的并联细导体段模型,推导磁链法计算并联支路电流的误差公式,揭示了误差电流正比于真实电流,且只与并联导体组的自感以及总电流注入、流出点的距离有关。该文的理论分析与计算修正了采用磁链法计算的并联细导体电流分配结果,在不降低计算速度的同时提高了计算的准确度,可为工程应用提供参考。

解析逆Preisach磁滞模型

作者：刘任；杜莹雪；李琳；唐波

摘要：如何在保证模拟精度的基础上,提升逆磁滞模型的计算速度一直以来是国际电磁场领域研究的热点问题。然而,现有所提逆磁滞模型难以兼顾精度与速度的双重要求。解析形式的逆磁滞模型具有较快的求解速度,如何提出高精度的此类模型是解决上述问题的关键所在。为此,该文利用课题组所提基于解析Everett函数推导而得的解析正Preisach磁滞模型,分别推导了初始磁化曲线、磁滞回线下降支与上升支的磁导率的解析表达式,继而利用差分法,推导得到了目前唯一一个解析的逆Preisach磁滞模型。通过对比仿真与实验结果,验证了所提解析逆Preisach磁滞模型的模拟精度,并在模拟精度与计算速度两方面将其与广泛应用的逆J-A磁滞模型进行对比,发现它的平均相对误差比逆J-A磁滞模型小10 %以上,且其计算速度约为逆J-A磁滞模型的2.67倍。

AZ31镁合金管件电磁吸引式成形动态特性研究

作者：熊奇；朱鑫辉；赵翔；范李平

摘要：镁合金作为目前工程应用中最轻质的金属结构材料之一,因其多种优良特性而广泛应用于轻量化设备制造中。然而,镁合金在室温下的塑性形变能力较差,传统加工工艺难以满足镁合金工件成形制造的需求。利用电磁力驱动金属材料发生高速变形的电磁成形技术可有效解决上述问题,其极高的应变速率能显著改善镁合金材料的成形性能,提升室温下的成形极限。然而,目前关于镁合金电磁成形的研究,大多使用驱动片与加热装置辅助,其工装较为复杂,且工件变形质量难以保证;辅助装置的添加也难以用于微小管件的成形。因此该文提出室温下的镁合金管件电磁吸引式成形方法,通过建立有限元仿真模型,在理论上验证了其成形方案的可行性;进一步分析了放电参数、电磁参数对管件运动状态的调控规律,阐明管件变形过程中工件的动态特性。上述结论可为线圈结构设计和放电参数设计提供指导。

不同分子量聚醚胺共混对环氧复合泡沫绝缘材料热性能及电气性能的影响分析

作者：刘贺晨；董鹏；周松松；刘云鹏；魏利伟等

摘要：环氧基复合泡沫（SF）具有轻质高绝缘的特点,电气和理化性能优异,作为芯体绝缘材料具有良好的应用前景。该文使用聚醚胺作为SF材料树脂基体的固化剂,研究不同分子量的聚醚胺共混对SF材料固化反应机理、热学性能、力学性能及电气性能的影响。研究结果显示,随着高分子量的聚醚胺（D-2000）添加量的逐渐增加,固化时的内部温度出现明显下降,固化反应的放热量逐渐减少。但是当D-2000添加量在30%~40%时材料的拉伸强度、断裂伸长率以及材料的电气性能均有不同程度的下降。结果表明,不同分子量的聚醚胺共混的SF体系可明显减轻热集中带来的烧芯现象,其中D-2000含量为20%时的SF材料综合性能优异,这为解决SF材料工艺生产问题和应用领域的扩展提供了新的思路。

电机及其系统

基于离散状态事件驱动的电励磁同步电机系统建模解算方法

作者：许涵；赵争鸣；施博辰；鞠佳禾；虞竹珺

摘要：微电网系统可以实现分布式电源、储能和负载的灵活接入,目前受到了广泛关注。建模仿真方法是微电网系统分析和设计的基础工具。但是,由于微电网系统往往含有多种直流、交流电源以及大量的电力电子装置,对系统进行准确解算耗时很长,仿真速度慢已成为系统分析设计的瓶颈问题之一。离散状态事件驱动（DSED）方法能够针对大规模电力电子变换器进行高效的解算,具备在微电网系统仿真中应用的潜力,但是由于建模解算均基于线性状态方程,该方法目前无法求解电励磁同步电机这一微电网系统中的非线性基本元件。该文提出了基于DSED方法的电励磁同步电机建模解算方法——状态变量接口解耦解算方法,使得DSED方法能够对包含电励磁同步电机的非线性微电网系统进行高效解算,从而提高仿真效率。在微电网系统算例研究中,与商业仿真软件相比,基于该文所提方法可以在相同精度下提高解算速度40余倍,从而可以为包含非线性旋转设备的大规模微电网系统准确高效的分析和设计提供仿真工具。

变频驱动下双斜槽转子感应电机径向电磁力特性分析

作者：鲍晓华；明帅；陈国玮；刘佶炜

摘要：针对变频驱动下双斜槽转子感应电机振动性能研究的不足,对变频驱动下双斜槽转子感应电机的径向电磁力展开研究。首先从变频器的输出谐波特性出发,采用解析法分析了气隙磁通密度成分,并通过分析各个磁通密度谐波的相互作用得到了径向电磁力的幅值、阶次、频率的表达式。然后采用分层有限元法结合二维快速傅里叶分解,得到了平均径向电磁力的时空分布频谱。通过不同供电方式与不同转子结构下气隙径向电磁力的对比,发现双斜槽转子结构能够有效地削弱由变频供电引入的部分高频附加径向电磁力。最后通过实验对比不同供电方式下电动叉车用双斜槽转子感应电机机壳表面的振动频谱,进而验证分析的正确性。

考虑部分通道故障的磁轴承系统动态承载力分析

作者：刘奇；苏振中；姜豪；吴超；晏明

摘要：通道故障后,磁轴承系统的动态承载力将发生变化,该文建立了考虑部分通道故障的磁轴承系统模型以分析该变化。首先以单自由度模型为例,分析由转子位移及通道电流计算系统动态承载力的方法。其次建立考虑动载荷、转子不平衡量以及故障通道电磁力变化的四自由度系统模型,并将单自由度系统承载力分析方法应用于该系统模型,从而得到四自由度系统动态承载力。然后分析通道故障后控制参数对系统动态承载力的影响。最后进行仿真与实验的对比。结果表明,故障前后转子最大位移幅值误差小于3.9%,验证了所建模型用于计算系统动态承载力的有效性。

基于改进迭代田口法的双余度永磁同步电机优化设计

作者：张玉峰；高文韬；史乔宁；孟庆品；杜光辉

摘要：针对双余度永磁同步电机（DRPMSM）的多目标优化设计问题,该文采用Pearson相关系数分析法,在参数敏感度分析的基础上,提出一种改进迭代田口法的多目标优化设计方法。该方法利用单余度模式下的田口法优化设计结果作为双余度模式下优化因子水平取值的依据,对优化因子的水平取值进行了优化选择。既考虑了各工作模式下的优化设计,又解决了不同水平值之间无法寻优的问题。以800W双余度永磁同步电机为例,利用有限元仿真,对比分析了优化前后的效率、转矩等关键性能参数,验证了所提优化方法的有效性。最后,制作了实验样机,实验测试结果与优化设计结果有较高的吻合度,证明该文所提出方法可有效解决多余度电机的多目标优化设计问题,拓宽了对于该类电机的优化设计思路。

考虑磁致伸缩逆效应的非晶合金开关磁阻电机减振方法

作者：贲彤；王进；陈龙；井立兵；闫荣格

摘要：非晶合金用于电机铁心可极大地提高电机效率,然而,其较大的磁致伸缩系数和极强的应力敏感性（即磁致伸缩逆效应）在增大铁心振动噪声的同时,限制电信号对铁心磁性能的精确控制能力。该文提出采用磁致伸缩逆效应对铁心磁化状态进行调制,以抑制非晶合金开关磁阻电机电磁振动的减振思路。首先,基于宏观热力学理论,建立考虑磁致伸缩及其逆效应的非晶合金材料力-磁耦合本构关系;其次,提出非晶合金开关磁阻电机的定子齿加压结构,并考虑静态预应力、脉动电磁应力对非晶合金磁特性的影响,构建开关磁阻电机力-磁双向动态耦合模型并求解;最后,计算应力作用前后定子铁心的磁通密度分布。通过实验与仿真对比发现,定子齿加压结构的径向电磁应力可减小44.5%,因此该减振方法具有可行性。

极端条件下基于特征层面信号融合的电励磁双凸极电机匝间短路故障诊断

作者：赵耀；沈翀；李东东；林顺富；杨帆

摘要：电励磁双凸极电机（WFDSM）具有结构简单、可靠性高等优点,适用于航空航天等环境恶劣领域。当发生小匝数短路故障时,由于其电流、振动等信号不会产生明显的变化,难以用传统的检测手段区分。因此,该文提出一种基于特征层面多源信号融合和改进神经网络的WFDSM匝间短路故障诊断方法,用于诊断极端环境下WFDSM早期匝间短路故障。首先,对电流信号进行经验模态分解,获得本征模态函数,同时对振动信号进行小波包变换,并对分解后的各个频段提取峭度和裕度特征,同时计算能量占比;然后,将上述特征矩阵处理后输入改进卷积神经网络训练模型中;最后,通过实验表明,采取特征融合的计算方法诊断准确率可达98%,较数据层面和结果层面的融合计算方法准确率有明显的提升,并且对极端运行环境下的噪声,该方法具有很强的抗干扰能力。

基于GAF-CapsNet的电机轴承故障诊断方法

作者：张辉；戈宝军；韩斌；赵丽娜

摘要：针对一维机械振动信号在输入卷积神经网络时无法充分提取相对位置关系的问题,提出一种基于格拉姆角场（GAF）和小尺寸卷积的胶囊网络的轴承故障诊断分类方法。利用GAF对采集到的振动信号进行编码,可以很容易地进行角度透视,从而识别出不同时间间隔内的时间相关性并产生相应特征图。胶囊网络对小尺寸图像相对位置比较敏感,特征提取具有优势,同时考虑到VGG网络优秀的特征提取能力,在结合胶囊网络和VGG网络的基础上,加入深度小尺寸卷积层。将GAF编码的振动图像输入到改进的CapsNet网络进行训练,组成GAF-CapsNet模型对轴承故障进行诊断。该模型在凯斯西储大学轴承数据集上进行试验,结果表明,格拉姆角和场（GADF）编码方式相比格拉姆角差场（GASF）编码效果差,效果较好的GADF-CapsNet有99.27%准确率,较差的GASF-CapsNet也有98.83%准确率,相较其他编码方式和卷积神经网络,该模型性能表现普遍比其他模型具有更高准确率。

基于热网络法的永磁电机温度在线估计

作者：师蔚；骆凯传；张舟云

摘要：将集总参数热网络（LPTN）模型应用于永磁电机温度在线估计能够预防电机因过温而造成的电机损坏,特别是降低永磁体的不可逆退磁风险,提高永磁电机使用的安全性。该文首先针对LPTN模型应用于温度估计过程中存在灰度模型的不确定性,对永磁电机LPTN模型进行比较,建立不同节点的低阶灰箱永磁电机LPTN模型。搭建永磁电机变工况温度实验平台,基于实验数据进行模型对比分析,得到用于永磁电机在线温度估计的最优节点数LPTN模型。同时为克服扩展卡尔曼滤波算法出现的滤波发散及热阻参数在变工况下非线性导致温度估计累积误差问题,利用加权多新息强跟踪扩展卡尔曼滤波（WMI-STEKF）算法对永磁电机LPTN模型进行在线参数辨识及温度估计,将温度估计误差降低至3℃,提高非线性系统在变工况条件下参数辨识过程的鲁棒性。最后,通过仿真和温度实验结果对比分析,证明该方法的正确性和准确性。

基于两相三桥臂开关功放的电磁悬浮系统差动位移估计

作者：张友军；于洁

摘要：自传感电磁悬浮系统利用线圈电感电流与定、动子间气隙的函数关系估计动子位移信息,减少位移传感器的使用,具有成本低、可靠性好和集成度高的优点。该文针对传统单线圈电流纹波变化率检测法估计误差大、易受干扰的问题,基于两相三桥臂开关功率放大器的差动电流控制,建立了两相线圈电流纹波变化率检测的差动位移估计方法,提高了自传感控制精度。首先,阐述了两相三桥臂拓扑的工作原理和电流纹波的特性,明确了差动控制下电流纹波变化率与动子位移的函数关系,给出自传感差动位移估计的实现方法。然后,结合实验分析了线路电阻、偏置电流和母线电压等参数对电流纹波变化率的影响。最后,在单自由度电磁悬浮平衡梁实验平台上开展了自传感动态悬浮控制实验,验证了所提方法的有效性。

永磁直线同步电机分数阶微分型边界层终端滑模控制

作者：赵鑫宇；王丽梅

摘要：针对永磁直线同步电机易受参数摄动、负载扰动等不确定因素的影响,该文提出一种分数阶微分型边界层非奇异快速终端滑模控制（FO-NFTSMC）策略。首先,采用NFTSMC方法来抑制不确定因素对系统的影响,保证了跟踪误差在有限时间快速收敛,避免了奇异性;其次,在系统不确定上界未知的情况下,将Riemann-Liouville分数阶微分定义和边界层技术结合,实现一种新的分数阶微分型边界层控制,不仅具有整数阶边界层的输出特性,还具备“大误差大增益,小误差小增益”的功能,化解了整数阶边界层控制中的“弱抖振”与“快收敛”之间的矛盾,使得系统全局快速收敛;最后,实验结果表明,该策略提高了系统的跟踪精度与响应速度,对负载扰动和参数变化具有很强的抑制能力,同时有效地削弱了抖振现象。

电力电子

基于谐振网络优化的双向LLC-DCX多模块并联系统均流优化研究

作者：李加明；任小永；周治成；张之梁；陈乾宏

摘要：近年来,双向LLC-DCX在电源系统中得到了越来越广泛的应用。为应对系统功率等级的提升,多模块并联成为实现系统扩容的重要方法。然而,均流性能是LLC谐振变换器并联系统的设计难点,各模块微小的谐振参数差异即可引起较大的电流不均衡。该文根据双向LLC谐振变换器的增益特性,定量分析双向LLC-DCX的并联特性,提出一种通过优化谐振网络参数提升并联均流性能的方法。最后,搭建一套三模块双向LLC-DCX并联系统样机,实验结果验证了所提方法的可行性和有效性。

一种提高级联H桥逆变器功率不平衡运行能力的控制策略

作者：李金玉；陈杰；龚春英；何清

摘要：在光伏逆变等以传递有功功率为主的应用场合,由于部分光伏模块光照被遮挡、老化等原因造成模块间功率不平衡较严重时,传统调制波注入策略控制的级联H桥并网逆变器会出现并网电流畸变的问题。传统调制波注入策略中不平衡模块的调制信号微调量为部分调制波,而该文提出由方波（与电流同相位）和共同调制波的部分差值量作为微调量,从而实现功率不平衡下的控制。该文所提方法除了具有谐波补偿法的优点（最高调制比达1.27）,同时还具有以下两个特点：①能够进一步提高功率较高模块的工作能力（所提方法不仅使高功率模块的调制波基波峰值可达到1.27,而且使此模块的基波电压和电流同相位,从而传输最大有功功率）;②能够克服谐波补偿法中的低功率模块因叠加过多反向谐波而部分区域过调制导致的并网电流畸变问题。仿真和实验验证了所提方法的有效性。

基于多元高斯分布异常检测模型的MMC子模块开路故障诊断方法

作者：杨贺雅；邢纹硕；向鑫；张伟；胡宏彬

摘要：模块化多电平换流器（MMC）的子模块开路故障隐蔽性强,可以及时有效地识别故障位置,防止故障蔓延影响其他组件,提高换流系统的可靠性。为了诊断子模块开路故障,该文提出一种基于多元高斯分布异常检测模型的故障检测方法。首先,分析子模块开路故障特性,选择子模块电容电压作为故障检测的关键指标,并提取子模块电容电压的12个特征量组成特征向量用于故障诊断。然后,根据多元高斯分布特性,提出基于多元高斯分布的异常检测模型构建方法,并基于此模型提出子模块开路故障诊断策略,可在故障样本偏少致使样本不均衡时,实现高准确率、高效率的故障诊断。最后,通过仿真和实验验证了所提出的MMC子模块开路故障诊断方法的有效性。

高电压与放电

变压器油中气泡杂质相局部放电特性研究综述

作者：张宁；刘士利；郝建；陈厚合

摘要：变压器油道中的悬浮气泡受电磁场、温度场和流场的综合作用,呈现出极其复杂的形态演变、运动规律和放电过程,严重威胁变压器油的绝缘性能,因此研究变压器油中气泡放电机制具有重要意义。目前,国内外学者已在该领域取得了大量的研究成果,该文重点回顾了相关研究人员近二十年对含气泡变压器油局部放电特性的探索,以研究手段为主线,分别从理论分析、仿真模拟及试验测试三个角度对现有成果进行了系统地梳理和论述,研究内容涵盖气泡放电机理与模型、动力学行为及放电试验特性等,但总体来看，含气泡变压器油绝缘失效机制的研究仍面临诸多科学问题与挑战。在此基础上,该文结合分子模拟、多物理场耦合及数字孪生等理论和技术展望了含气泡变压器油绝缘性能的潜在研究方向。

弓网滑动电接触电磁热力耦合效应研究进展

作者：陈忠华；李兵红；陈明阳；平宇；郭凤仪

摘要：为电力机车提供牵引动力的受电弓滑板与接触网导线是典型的滑动电接触摩擦副,二者在工作中存在电、磁、热、力多场耦合效应,复杂的多场耦合作用将影响弓网的受流质量和摩擦磨损性能,开展电气化铁路弓网接触多物理场耦合效应研究,对降低弓网运行维护成本,提高受电弓滑板和接触网导线使用寿命等具有重要意义。该文重点归纳总结了近些年来弓网系统在电、磁、热、力多场效应下的相关研究进展。结合列车实际运行工况,综述了弓网接触电阻、电弧、接触温度、电磁力和压力载荷等因素对弓网载流摩擦磨损性能的影响规律,针对多物理场作用下研究中存在的问题与不足,提出进一步研究和完善的意见。在此基础上,从提高弓网滑动电接触性能、保障列车安全稳定运行角度,采用弓网接触电阻、燃弧率及接触温度对电接触性能的评价进行阐述和探讨,以期对弓网电接触行为进行合理预测与评估,为进一步研究弓网滑动电接触多场耦合效应提供参考。

直流应力下主动式微粒抑制方法的动态配合研究

作者：王健；平安；常亚楠；胡智莹；李庆民

摘要：直流气体绝缘输电线路（GIL）中自由金属微粒的活性较之交流GIL中更为活跃,对直流GIL的技术发展以及应用带来了严峻的挑战。目前,将各种抑制微粒手段进行主动式动态配合设计是未来发展的趋势。该文搭建直流GIL金属微粒主动式抑制的动态配合实验平台,并结合有限元仿真,从陷阱捕获率的角度优化了驱赶电极与陷阱间的位置配合;同时提出直流老练优化程序,最终获得主动式微粒抑制的动态配合有效方案。研究结果表明,当驱赶电极与陷阱间的距离为18mm时,陷阱捕获率可高达70%;该文优化后的直流老练程序较传统程序可使陷阱捕获性能提升50%以上;最后通过实验验证了驱赶电极的有效性,且通过大量实验发现,高压电极布置驱赶电极后,陷阱捕获率可提高50%以上。因此,该文结果对提升直流GIL抑制金属微粒的能力具有一定的参考价值。

低压交流串联故障电弧辨识方法

作者：何志鹏；李伟林；邓云坤；赵虎

摘要：故障电弧是影响配电网络安全可靠运行的主要问题之一,研制故障电弧保护开关能够有效降低因故障电弧引发的电气火灾事故,从而保障配电网络安全可靠运行。但故障电弧辨识因线路负载、燃弧条件等原因而存在一定复杂性,该文在分析电弧燃烧特点的基础上介绍了一种多特征融合的故障电弧辨识方法。首先,借助高速相机在微小时间尺度内分析了燃弧特性,电弧不稳定性影响回路电流谐波含量;然后,从时域、频域和信号无序度三个方面分析了回路电流在线路正常和发生电弧故障时的差异,并提取了电流平均值、谐波幅值、小波能量熵三个特征量,结合各种负载特征变化的共同点确定了线路正常与故障的特征量阈值范围;最后,通过制作样机对故障电弧辨识方法的有效性和稳定性进行了验证。结果表明,所述方法在实际工程应用中的平均辨识准确率为90%,满足工程应用中的准确性和稳定性要求。

具备故障电流限制能力的多端口直流断路器

作者：李浩；裴翔羽；李泽文；周万迪；李弸智

摘要：混合式直流断路器是实现柔性直流电网故障电流快速阻断的重要装备。然而,目前每条直流线路两端均需配备一台价格昂贵的二端口混合式直流断路器,这严重限制了其在未来新型电力系统中的规模化应用。该文提出一种具备故障电流限制能力的多端口直流断路器,在实现故障双向阻断的基础上,与常规方案相比故障电流峰值下降了38.0%、避雷器能量耗散应力下降了61.21%。更为重要的是,所提断路器完成直流母线故障隔离后,与故障母线相连的健全直流线路仍可以进行正常功率传输,最大程度地保障了柔性直流电网的健全和持续可靠运行。首先,分析了直流断路器在故障工况下的故障电流阻断原理,并对各个动作过程进行了理论推导;然后,揭示了电容和电感参数对断路器限流性能的影响机理,确定了限流单元的元件选型方法;最后,基于PSCAD/EMTDC对所提具备故障电流限制能力的多端口直流断路器进行了仿真分析,结果表明,所提多端口直流断路器具有较强的有效性和适应性。

基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集器

作者：高凯；彭晗；王劭菁；徐鹏；陈永等

摘要：为了改善单共振点振动能量收集器频率范围窄,对环境中随机分布的宽频率范围振动能量收集功率低的问题,该文提出一种基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集器。首先,在阐述振动能量收集器基本原理的基础上,分析了弯曲横梁弹簧结构特性以及关键参数对于共振频率的影响规律。在此基础上,提出一种基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集装置,详细讨论了其结构的基本原理和运动模式,并对不同弹簧组合形成的收集器进行了仿真分析。最后,制作了样机进行实验,得到不同的非对称弹簧下的输出特性,其中1mm厚度的非对称弹簧结构在67Hz、115Hz的振动激励下输出功率分别达到1.36mW和0.16mW,收集频率范围提高一倍。

“占坑式辩护”，侵犯了谁？

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