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中国电机工程学报
2009年 29卷 24期
刊出日期 2009-08-25
电力电子与电力传动
电机与电器
电工理论与新技术
 
电力电子与电力传动
1 单任仲 尹忠东 肖湘宁
电压源型快速动态无功补偿器
提出一种新颖电压源型连续可调无功功率补偿器的控制策略，采用正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)电压源型逆变器(voltage source converter，VSC)直接调节补偿电抗上的电压，实现补偿器的连续可调感性无功功率输出。该补偿器克服了传统晶闸管控制电抗器(thyristor controlled reactor，TCR)的谐波问题，并且逆变器的最大工作容量仅为补偿容量的25%。结合晶闸管投切电容器(thyristor switched capacitor，TSC)可大大降低动态无功补偿部分的容量，并实现无功功率的连续双向调节。建立基于Matlab/Simulink的系统仿真模型，对控制策略进行仿真研究。最后设计制作高性能数字控制器，通过实验验证提出的控制策略是有效可行的。
2009 Vol. 29 (24): 1-5 [摘要] ( 866 ) [HTML KB] [PDF 330KB] ( 233 )
6 尹忠刚 钟彦儒 刘静
三相两桥臂三电平脉宽调制整流器双单输入单输出模型及控制策略
系统分析三相两桥臂三电平中性点箝位脉宽调制(pulse width modulation，PWM)整流器的数学模型和工作模式，提出一种基于a-b 静止参考坐标系的双单输入单输出模型，在两相静止坐标系中将三相两桥臂三电平PWM整流器简化为2个与传统单相升压变换器类似的电路结构。根据空间矢量调制理论，分析各开关信号由两相静止坐标系到三相静止坐标系变换时的控制策略。该模型简化了对PWM整流器的分析，并且易于数字实现。仿真和实验结果验证了三相两桥臂三电平PWM整流器及其双单输入单输出控制策略的有效性。
2009 Vol. 29 (24): 6-12 [摘要] ( 660 ) [HTML KB] [PDF 520KB] ( 225 )
13 伍家驹 纪海燕 杉本英彦
三维状态变量可视化及其在逆变器设计中的应用

为改进基于非对称T型低通滤波器的电压源逆变器的设计，提出一种三维状态变量的时域可视化方法。首先用状态矩阵推出状态转移方程，然后将脉宽调制(pulse width modulation，PWM)波的频谱表达式代入，借助Matlab画出三维空间的状态轨迹及其平面投影。介绍通过正负反馈来抑制系统极点变化的控制策略，以空载时控制对象来设计基于内部模型原理的电压调节器的方法。提供三维状态空间轨迹、程序框图和实验结果。该方法可供有3个状态变量的控制系统设计时参考。
2009 Vol. 29 (24): 13-19 [摘要] ( 612 ) [HTML 1KB] [PDF 364KB] ( 377 )
20 康劲松 张烨
多电平变流器在风力发电系统中的应用
对多电平变流器中的中点电位不平衡机理进行分析，提出一种能有效抑制中点电位偏移的控制算法。利用Matlab/Simulink仿真软件构建了风力机模型、多电平PWM整流器模型、具有抑制中点电位不平衡控制的多电平逆变器模式，建立了完整的背靠背直驱型风力发电系统。通过仿真分析，验证了所提出抑制中点电位偏移控制策略的实用性和可行性，多电平变流器中点电位偏移问题被有效抑制，并且在低开关频率条件下，具有输出谐波含量低、输出波形好的特性，适合应用于高压大功率风力发电系统。
2009 Vol. 29 (24): 20-25 [摘要] ( 730 ) [HTML KB] [PDF 353KB] ( 355 )
26 朱国荣 康勇 段善旭 余蜜 李勋 彭力
逆变式切割电源的极点配置双闭环控制
在分析现有逆变式切割电源控制系统的缺点的基础上，提出基于极点配置的双闭环控制应用于大功率逆变式切割电源中的移相全桥零电压开关(phase shift full bridge zero voltage switched，PS-FB-ZVS)变换器。首先介绍PS-FB-ZVS变换器的小信号模型，然后分析基于极点配置理论的双闭环控制系统，进行逆变式切割电源的参数整定，最后通过仿真和实验证明：电流内环稳态和动态性能良好；具有电压外环的控制系统不仅获得恒定的空载电压，而且减小了空载损耗，使变压器不易饱和，降低了输出整流管电压应力；切割电源的这种双环控制系统克服了在起弧时2个并联环不停地切换而不容易转移成大弧的缺点，实现了无缝切换，具有响应速度快、超调不大、稳态误差小的优点，并且对外部干扰具有极强的鲁棒性。
2009 Vol. 29 (24): 26-31 [摘要] ( 714 ) [HTML KB] [PDF 530KB] ( 351 )
32 于玮 徐德鸿
基于虚拟阻抗的不间断电源并联系统均流控制
不间断电源(uninterrupeted power system，UPS)并联系统中逆变器直流母线电压不一致，IGBT导通压降分散性，PWM控制死区时间不同，滤波电感的等效内阻抗不同都可能造成并联系统UPS之间产生环流，降低UPS并联系统的均流特性和稳定性。为解决该问题，在电压电流双闭环之外引入虚拟电阻环节，虚拟阻抗的加入可减小UPS逆变器参数不同造成的输出内阻抗差异，提高均流控制精度。详细介绍了虚拟阻抗对UPS并联系统均流特性的影响。两台单套功率40 kVA的三相四线UPS并联系统实验证明，运用该均流控制方法可大大提高系统的均流特性和稳定性。
2009 Vol. 29 (24): 32-39 [摘要] ( 652 ) [HTML KB] [PDF 574KB] ( 331 )
40 唐健 邹旭东 佘煦 邹云屏
三相四线制三电平三桥臂有源滤波器中点平衡控制策略

中点平衡问题是三相四线制三电平三桥臂有源电力滤波器(active power filter, APF)的一个固有问题，目前在矢量调制中尚无完善的控制理论完全解决此问题。该文通过对各种电流电压状态下每个三维空间矢量对直流中点电位的影响进行分析，提出了“中点控制度”(neutral-point control grades，NPCG)的概念，并给出了NPCG的计算公式；基于NPCG，在a-b-0坐标系下提出一种基于坐标平移原理的新型“三维矢量优化选择调制策略”(optimized 3D space vector modulation，O3DSVM)，该调制策略能优化选择NPCG值较高的矢量以合成目标矢量，从而达到最大程度控制直流中点电位偏移的目的。仿真分析验证了中点控制度理论及O3DSVM调制策略的正确性和可行性，采用该策略的APF不但中点电位得到了有效控制，且补偿效果良好。
2009 Vol. 29 (24): 40-48 [摘要] ( 728 ) [HTML 1KB] [PDF 892KB] ( 447 )
电机与电器
49 王波 戴吉岩 郭吉丰 魏燕定
一种新结构的双向直线运动驻波型超声波电机

研究了一种新结构的双向运动直线超声波电机。该种直线超声波电机由一块在两端部开槽、形成2个薄弱环节的板构成。通过有限元分析可知，调整薄弱环节和两端部的尺寸，在板中间可以形成2个波长几乎相等的驻波模态，其中一个是正弦振型，一个是余弦振型；通过粘贴8片PZT4压电陶瓷在板的中部来激励这2种振动模态。依照该原理，设计制造并研究了长60 mm、宽10 mm的新型双向直线运动超声波电机。该直线超声波电机在一个方向上最大速度220 mm/s，最大出力1.764 N，在另一个方向上最大速度270 mm/s，最大出力1.96 N，且达到了0.2 mm以下的分辨率。
2009 Vol. 29 (24): 49-55 [摘要] ( 586 ) [HTML 1KB] [PDF 464KB] ( 372 )
56 姚志远 杨东 赵淳生
杆结构直线超声电机的结构设计和功率流分析
针对杆截面的突变会降低振动波传输效率的问题，提出基于连续变截面兰杰文振子的设计方法。讨论杆截面的突变对振动波传播的影响，研究连续变截面杆的振动放大系数和功率流特性，并给出连续变截面杆的轮廓函数。最后设计了具有连续变截面振子的直线电机，该电机最大推力为 21.4 N，最大速度为235 mm/s，推重比为25(驱动电压峰峰值为300 V)。试验研究了电机的速度–频率、速度–相位差、速度–电压之间的规律，结果表明该电机具有良好的输出特性。
2009 Vol. 29 (24): 56-60 [摘要] ( 602 ) [HTML KB] [PDF 272KB] ( 265 )
61 戴卫力 严仰光
混合励磁双凸极发电机的电枢反应

阐述混合励磁双凸极发电机(hybrid excitation doubly salient generator，HEDSG)的结构，建立了并列结构HEDSG的数学模型。利用有限元分析软件Ansoft对电机永磁 (electro-magnetic，PM)和电励磁(electro-magnetic，EM)部分的电磁参数采用先分别计算、后叠加合成的分析方法, 对并列结构HEDSG空载时不同励磁电流下的电感、电势与发电机整流输出电压进行了仿真计算与分析，并结合实验得出了发电机的空载特性。在此基础上，通过对PM和EM部分磁链和电势的仿真计算，对发电机负载下的电枢反应进行了深入分析，从中得出了并列结构HEDSG具有PM与EM双发电、单PM发电以及PM发电/EM电动这3种工作模态，同时结合电枢反应分析求解了不同工作模态之间的边界条件。最后，对并列结构HEDSG的空载特性以及电枢反应的特点进行了归纳总结。
2009 Vol. 29 (24): 61-66 [摘要] ( 653 ) [HTML 1KB] [PDF 526KB] ( 397 )
67 龚宇 余创 邹国棠 江建中 刘新华
新型双凸极永磁记忆电机的特性分析

将记忆电机的概念运用到双凸极电机设计中，提出一种新型的双凸极永磁记忆电机。由于该电机中采用了具有高剩磁、低矫顽力的铝镍钴，使得在几乎不产生额外损耗的情况下就可以方便地实现在线调磁，从而实现真正意义上的弱磁。同时，该双凸极永磁电机的结构特点决定了电枢反应几乎不会影响永磁体的磁化状态，保证了永磁体工作点的稳定性。该文提出一种简化磁滞模型与常规有限元时步法结合的方法，计算分析了电机各项性能，并与样机的试验结果进行比较，验证了该电机的设计思想与分析方法。
2009 Vol. 29 (24): 67-72 [摘要] ( 662 ) [HTML 1KB] [PDF 453KB] ( 350 )
73 康锦萍 刘晓芳 罗应立 李志强 张国兰
不同容量汽轮发电机负载非线性特性的对比研究
在以往研究300 MW汽轮发电机非线性特性的基础上，以常用的4种汽轮发电机为例，采用有限元方法，研究不同容量汽轮发电机负载非线性特性的共同特点。揭示了不同运行条件下4种汽轮发电机的负载非线性特性均与各自空载特性存在显著差别，而出现这种差别的原因在于大型汽轮发电机在负载运行时普遍存在铁磁饱和与磁场畸变非线性。研究结果可为建立电力系统非正常运行条件下发电机的非线性模型提供重要参考。通过2种机组的有限元计算结果与运行数据对比，证明结论的有效性。
2009 Vol. 29 (24): 73-77 [摘要] ( 707 ) [HTML KB] [PDF 378KB] ( 223 )
78 梁艳萍 张建涛 索文旭 赵博 胡刚
双屏蔽复合转子电机涡流损耗分析

充分考虑定、转子屏蔽套及斜槽实心转子效应，建立求解双屏蔽复合转子电动机的三维非线性涡流场数学模型。通过对电机进行三维实体建模，并采用基于、电磁位对的三维有限元法对双屏蔽复合转子电机的起动及负载等工况进行分析计算，得到了不同工况下定、转子屏蔽套及复合转子部分涡流分布，定量分析了斜槽影响，探讨了屏蔽套材料电磁特性对转子涡流损耗的影响，为工程设计提供了理论依据。
2009 Vol. 29 (24): 78-83 [摘要] ( 613 ) [HTML 1KB] [PDF 473KB] ( 346 )
84 王艳武 杨立 孙丰瑞
异步电动机定子绕组匝间短路三维温度场计算与分析
对异步电动机定子建立三维传热模型，通过有限元法对其温度场进行计算并与实验结果进行对比。在此基础上，利用该模型对定子绕组发生不同程度的局部短路故障时定子的温度场进行了研究。结果表明，电机在运行过程中即使发生匝间短路时，温升限值也有可能达不到该电机温升等级B级的75 ℃，因此单纯通过国标规定的温升限值和温度极值来判断电机状态是不够准确的；随着短路程度的变化，绕组温度场的分布规律相应也发生了变化，机壳表面温升也相应变化；不同的短路位置导致绕组温度场分布规律也有所不同，因此通过温度场的变化可以在短路故障的初期进行判断；通过温度场的变化规律及温升进行联合评估，可以区分判断出定子绕组槽内匝间局部短路、端部匝间局部短路和整槽绕组的短路故障。
2009 Vol. 29 (24): 84-90 [摘要] ( 735 ) [HTML KB] [PDF 788KB] ( 255 )
91 刘卫国 宋受俊 Uwe Schafer
无位置传感器开关磁阻电机初始位置检测方法

以开关磁阻电机(switched reluctance machine，SRM)的非线性模型为仿真平台，给出一种用于检测SRM转子初始角位置的新方法，向电机各相注入一定幅值的方波电压，利用相电流峰值及其与转子角位置之间的解析关系式求出转子的初始角位置，从而实现转子处于任何位置时的快速无反转起动。同时，对该位置检测方法的鲁棒性进行了研究，得到了预估相的选取原则。以一台三相6/4极SRM为对象进行了相关实验，实验结果验证了该位置检测方法的可行性及预估相选取原则的正确性。
2009 Vol. 29 (24): 91-97 [摘要] ( 734 ) [HTML 1KB] [PDF 370KB] ( 351 )
98 苏健勇 李铁才 杨贵杰
基于四阶混合滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制
提出一种以电流和磁链为观测对象的表贴式永磁同步电机(surface permanent magnet synchronous motor，SPMSM)的四阶混合滑模观测器。以实际电流与观测电流之差构成滑模面，并将等效信号与反馈矩阵相乘后输入到磁链观测方程，当滑模运动发生后磁链观测误差渐进收敛到零。给出磁链观测值的暂态响应，着重分析速度估计误差对磁链观测结果幅值和相位的影响，并以此为基础进行反馈矩阵的计算。根据磁链观测结果采用跟踪型算法进行位置和速度的计算。仿真和实验结果表明，该观测器可准确地观测磁链，并有效消除滑模观测器抖振的影响，位置和速度算法稳态精度高，跟踪速度快。
2009 Vol. 29 (24): 98-103 [摘要] ( 712 ) [HTML KB] [PDF 379KB] ( 260 )
电工理论与新技术
104 闫荣格 杨庆新 杨文荣 侯淑萍 高少杰 颜威利
超磁致伸缩加速度传感器

稀土铁超磁致伸缩材料具有磁致伸缩逆效应，以此为基础的加速度传感器具有过载能力强、测量范围广、能在恶劣环境下工作、寿命长等一系列优异性能，在重工业、化学等工业领域的自动化控制系统中有着广泛的应用前景。为了有效地设计和优化超磁致伸缩加速度传感器，该文根据能量变分原理，建立了超磁致伸缩材料Tb-Dy-Fe制作的加速度传感器的磁–机械强耦合模型，应用该模型采用自编有限元软件，计算了传感器空气隙中的磁感应强度和施加加速度的关系，并测试了施加加速度从20~150 m/s2范围内传感器空气隙中的磁感应强度，发现计算结果与实验结果符合较好，相对误差小于9%，满足工程需要。表明建立的超磁致伸缩加速度传感器的磁–机械强耦合有限元模型是有效的，能够反映超磁致伸缩加速度传感器的输入输出关系。
2009 Vol. 29 (24): 104-109 [摘要] ( 548 ) [HTML 1KB] [PDF 226KB] ( 341 )
110 田拥胜 孙岩桦 虞烈
涡流对电磁轴承开关功放纹波电流的影响
对于实心结构的电磁轴承，线圈中的高频纹波电流会在轴承的定子和转子铁心中感应出较强的涡流，同时由于涡流的集肤效应，在接近材料表面的区域会出现磁饱和现象，这会对电磁轴承线圈中的纹波电流产生影响。该文采用电磁场有限元方法建立推力磁轴承有限元模型，并通过瞬态分析的方法计算磁轴承在工作过程中的涡流及线圈中的纹波电流。结果表明，轴承中的涡流会大大影响线圈纹波电流的波形和幅值，且磁饱和、开关频率和电源电压都对纹波电流有一定影响。最后通过实验验证了分析结果的正确。
2009 Vol. 29 (24): 110-114 [摘要] ( 564 ) [HTML KB] [PDF 288KB] ( 229 )
115 梅磊 邓智泉 赵旭升 王晓刚 王晓琳
基于磁通量计算的混合型轴向–径向磁悬浮轴承参数设计
混合型轴向–径向磁悬浮轴承集轴向磁悬浮轴承与径向磁悬浮轴承于一体，应用于磁悬浮系统可降低系统功耗，减小体积与重量，但其结构及内部磁场分布复杂，参数设计的难度较大。该文提出一种基于磁通量计算的参数设计方法，计算出要达到设计承载力所需的偏置磁场与控制磁场的磁通量，建立起软磁材料内部磁场磁通密度与软磁材料结构参数之间的函数关系，从而计算出软磁材料的结构参数值，使其内部磁场磁通密度不超过其磁化曲线线性区间。利用有限元仿真验证了该设计方法的合理性与正确性。给出了转速为20 000 r/min时转轴的轴向与径向位移及磁悬浮轴承控制电流的波形。实验结果表明，基于所提方法设计出的混合型轴向–径向磁悬浮轴承具有良好的悬浮特性。
2009 Vol. 29 (24): 115-121 [摘要] ( 592 ) [HTML KB] [PDF 529KB] ( 242 )
122 牟宪民 刘凤春 王建赜 纪延超
EU正交铁心可控电抗器

传统的正交铁心可控电抗器通过控制在正交铁心上的直流偏磁磁场间接控制交流磁场，铁心工作在饱和区，因此其工作电流中含有谐波。该文提出一种基于EU正交铁心的单相和三相正交可控电抗器。由于特殊的磁路结构，单相EU正交铁心可控电抗器输出电流中的谐波得到了降低，三相EU可控电抗器的输出电流中3次谐波成分很低。使用三维非线性磁阻模型建立了EU正交铁心的仿真模型进行仿真研究，并分别制作了单相和三相EU正交铁心可控电抗器样机进行实验。仿真分析和实验结果均验证了新型EU正交铁心可控电抗器的谐波含量较传统正交铁心可控电抗器低的特点。
2009 Vol. 29 (24): 122-126 [摘要] ( 572 ) [HTML 1KB] [PDF 280KB] ( 339 )
 
 
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