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中国电机工程学报
2009年 29卷 30期
刊出日期 2009-10-25
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 丁冠军 丁明 汤广福 贺之渊
新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略

通过深入分析一种新型电压源换流器(voltage source converter，VSC)，即模块化多电平VSC的本质工作机制，从换流器桥臂功率脉动与能量脉动角度，结合子模块电压纹波系数，对其子模块电容参数进行合理设计；并针对其关键的各子模块电容电压均衡问题，提出一种切实、可行的均压策略，有效确保了各子模块电容电压处在相同的等级范围，各功率半导体器件承受相同的应力；同时也给出一种简单且有效的子模块电容预充电策略，与传统通过交流系统为电容充电方式所不同的是，此预充电策略控制灵活，无需采用抑制冲击电流的限流电阻，并且可以使VSC具有一定的“黑启动”能力。通过仿真较好地验证了上述各种策略。
2009 Vol. 29 (30): 1-6 [摘要] ( 631 ) [HTML 1KB] [PDF 306KB] ( 404 )
7 刘钊 刘邦银 段善旭 康勇 史晏军 陈仲伟
链式静止同步补偿器的直流电容电压平衡控制

针对链式静止同步补偿器中直流电容电压平衡的问题，在分层控制架构的基础上，提出基于有功电压矢量叠加的平衡控制方法。上层通过解耦控制完成三相链接总的有功和无功控制；下层采用所提出的平衡控制，在上层输出的控制量上叠加一个与输出电流方向平行的有功电压矢量对同相链节间的有功进行分配，实现直流电容电压平衡控制。对直流电容电压平衡控制进行矢量分析，得到其稳定工作区域以及所提控制方法的物理意义和调控范围。研制了一台三相36个链节的物理样机，并在样机上进行了实验验证，证明了所提控制方法的有效性和可行性。
2009 Vol. 29 (30): 7-12 [摘要] ( 541 ) [HTML 1KB] [PDF 319KB] ( 512 )
13 王勤 姚志垒 黄勇 肖岚 阮新波
推挽正激三电平直流变换器及其控制策略
燃料电池输出电压变化范围很宽，使直流变换器的整流二极管选取极为困难。提出了一种适合于燃料电池的低压宽范围输入、高压输出场合的推挽正激三电平直流变换器。与常规的三电平直流变换器拓扑控制不同的是，该变换器的控制策略使整流电路输出电压为先低电平、后高电平的三电平波形，有效降低了整流二极管上的电压应力，同时减小了输出滤波器的体积和重量。分析该变换器的工作模态，讨论以0.5占空比工作的2个开关管实现零电压开通的条件，并对输出滤波器的设计进行分析。通过一个1 kW的原理样机验证了该变换器及其控制策略的可行性。
2009 Vol. 29 (30): 13-19 [摘要] ( 568 ) [HTML 1KB] [PDF 650KB] ( 482 )
20 蔡巍 张晓锋 乔鸣忠 朱鹏
H桥型三电平IGCT逆变电路工况分析与实验验证
在简要介绍五相H桥型三电平逆变电路结构的基础上，结合逆导型集成门极换流晶闸管(intergrated gate commutated thyristors，IGCT)器件的开关特性与移相空间矢量调制策略，给出逆变电路的静态工况。在动态工况的分析中，考虑到H桥型结构的独立性与对称性，将多相逆变电路简化为单相单桥臂电路展开讨论。根据功率器件的切换顺序与负载电流的方向，单相单桥臂逆变电路的动态切换过程可划分为4种情况分析，对电流临近换向时特殊状态下的工况切换进行说明。单相动态工况的分析可直接应用于多相H桥逆变系统之中。实验结果证明了理论的正确性。
2009 Vol. 29 (30): 20-27 [摘要] ( 501 ) [HTML 1KB] [PDF 611KB] ( 400 )
28 汤雨 谢少军 张超华
改进型Z源逆变器
Z源逆变器能实现升降压变换的功能，同时桥臂不需要死区时间，变换器可靠性高。但传统Z源逆变器中Z源电容电压高于输入电压，同时启动时存在严重的启动冲击，导致变换器体积及重量大、可靠性低。该文提出一种改进的Z源逆变器拓扑。与现有的Z源逆变器拓扑相比，新型拓扑可大大减小Z网络电容电压应力，具有内在的抑制启动冲击电流的能力，从而可使用低压电容以减小系统的体积和成本、增加可靠性。为避免变换器的启动冲击，提出该变换器软启动策略。在理论研究的基础上，基于简单升压控制下的仿真和实验结果验证新型拓扑的优点。
2009 Vol. 29 (30): 28-34 [摘要] ( 500 ) [HTML 1KB] [PDF 340KB] ( 430 )
35 周熙炜 刘卫国
空间电压矢量合成的新型选择谐波消去技术

阐述选择谐波消去脉宽调制技术(selected harmonic elimination pulse width modulation，SHEPWM)的基本原理，系统地总结其特点和发展现状。对基于规则采样的SHEPWM技术进行分析，并提出一种基于空间电压矢量的选择谐波消去技术(space vector SHEPWM，SV- SHEPWM)新方法，推导出所选用基本矢量的作用时间。该方法采用基本空间电压矢量来完成SHEPWM的生成，避开了逆变器的开关角非线性超越方程组的求解问题。选择不同的谐波消去次数与输出电压频率，进行Matlab仿真和数字信号处理器(digital signal processor，DSP)实验，仿真和实验波形与理论分析相同，验证了方法的可行性。
2009 Vol. 29 (30): 35-41 [摘要] ( 479 ) [HTML 1KB] [PDF 439KB] ( 390 )
42 张朝阳 张春熹 王夏霄 马宗峰 刘晴晴
数字闭环全光纤电流互感器信号处理方法
介绍了全光纤电流互感器(all fiber-optic current sensor，A-FOCS)的工作原理。针对输出信号特点，应用方波调制提高系统响应灵敏度，相关解调提取相位信息。在此基础上，引入阶梯波反馈技术，在2束相干偏振光间叠加一个与法拉第(Faraday)相移大小相等、方向相反的非互易相位差，实现闭环检测。提出三倍频方波调制方法，提高检测速度、增大闭环系统检测带宽。测试结果表明，闭环系统在-40~+60 ℃范围内标度因数变化小于±0.25%，接近IEC标准0.2 s级(±0.2%)；系统带宽大于6 kHz；分辨能力小于0.5 A。试验结果证明了信号处理方法的正确性。
2009 Vol. 29 (30): 42-46 [摘要] ( 419 ) [HTML 1KB] [PDF 300KB] ( 477 )
电机与电器
47 程树康 宫海龙 柴凤 高宏伟
永磁轮毂电机齿槽转矩研究
针对永磁电机中非理想因素对齿槽转矩的影响，基于能量法和傅里叶级数解析方法给出了齿槽转矩的一般表达形式，并分析了理想及非理想条件下齿槽转矩的谐波成分。对一台12槽10极内置径向式永磁同步轮毂电机，应用有限元分析方法研究其在理想条件下以及存在定子椭圆和永磁体偏移的条件下的齿槽转矩。研究结果表明，在非理想条件下齿槽转矩发生明显改变，其中定子椭圆引起的低次谐波影响最大。提出了一种由步进电机、转矩传感器等元件组成的齿槽转矩测试系统。对样机的齿槽转矩进行实验研究，实验结果与计算结果趋势一致，表明了理论分析的正确性。
2009 Vol. 29 (30): 47-51 [摘要] ( 480 ) [HTML 1KB] [PDF 311KB] ( 595 )
52 孙宜标 闫峰 刘春芳
基于μ理论的永磁直线同步电机鲁棒重复控制
永磁直线同步电机(permanent-magnet linear synchronous motor，PMLSM)伺服系统具有高速、高响应和直接驱动等优点，但其端部效应引起的与位移相关的周期性推力波动、摩擦力及参数变化等不确定性降低了系统的伺服性能。为了削弱周期性扰动及参数变化不确定性的影响，将重复控制和结构奇异值理论(m理论)相结合，利用线性分式变换(linear fractional transformation，LFT)将鲁棒重复控制问题转换成H∞最优控制问题，采用D-K迭代法设计鲁棒重复控制器(robust repetitive controller，RRC)，实现系统的稳定性和鲁棒性，提高系统的跟踪特性。仿真结果表明，该控制方案有效抑制了PMLSM伺服系统的周期性扰动及不确定性，提高了系统的鲁棒性和跟踪特性。
2009 Vol. 29 (30): 52-57 [摘要] ( 582 ) [HTML 1KB] [PDF 671KB] ( 451 )
58 文建平 曹秉刚
无速度传感器的内嵌式永磁同步电机自抗扰控制调速系统

自抗扰控制(active disturbance rejection control，ADRC)理论综合了经典调节理论和现代控制理论的优势，不依赖于系统的精确数学模型。利用此优点，该文提出了无速度传感器内嵌式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor，IPMSM)的转速电流ADRC综合控制策略。采用ADRC设计了IPMSM的速度控制器和电流控制器。在速度控制器中，将外部负载扰动和内部模型扰动作为系统的未知扰动，在电流控制器中将包含转速的乘积项作为模型不确定性部分，分别利用ADRC进行观测和补偿。利用电流控制器中的扩张状态观测量，对电机的转子位置和转速进行估计。仿真结果表明，系统具有很好的鲁棒性和较好的控制效率，并且在基速以下的一定范围内，能对转子位置进行较准确的估计。
2009 Vol. 29 (30): 58-62 [摘要] ( 499 ) [HTML 1KB] [PDF 240KB] ( 412 )
63 晁晖 李志强 罗应立 刘晓芳 赵海森
同步电机场路耦合端点量迭代新算法

利用稳态有限元法研究同步发电机非线性特征问题时，不可避免会遇到端点量的迭代。传统的端点量迭代法与磁场非线性迭代之间存在一种复杂的嵌套关系，这使得端点量迭代效率较低且大功角稳态工况下收敛困难。为此，以汽轮发电机为例，建立了包含磁场方程与外部电路方程的场路耦合非线性方程组。利用牛拉法对方程组求解，实现了磁场非线性迭代和端点量迭代的统一，使迭代次数大幅减少。实例计算表明，场路耦合端点量迭代法能改善大功角稳态工况下算法的收敛性，并使计算时间缩短了80%以上。
2009 Vol. 29 (30): 63-69 [摘要] ( 531 ) [HTML 1KB] [PDF 391KB] ( 311 )
70 沈磊 吴建华
基于统计能量分析的开关磁阻电机中高频振动预测方法

利用有限元法和边界元法对开关磁阻电机的振动进行分析预测时，往往只能在低频( f < 2 kHz)下得到满意的结果，而中高频振动是分析电机振动不可忽视的一部分。该文使用统计能量分析法对开关磁阻电机的中高频振动进行预测：建立了开关磁阻电机的统计能量分析模型，利用实验的方法测量内部损耗因子及耦合损耗因子，推导开关磁阻电机振动输入功率的计算方法，分析并预测电机的中高频振动。最后将预测数据和实验数据进行比较，验证了统计能量分析法对开关磁阻电机中高频振动预测的可行性和有效性。
2009 Vol. 29 (30): 70-75 [摘要] ( 525 ) [HTML 1KB] [PDF 307KB] ( 352 )
76 王道涵 王秀和 张冉
磁通切换型磁阻电机系统的非线性仿真模型
磁通切换型磁阻电机(flux switching motor，FSM)是近年来出现的一种新型双凸极无刷电机，独特的结构和工作原理使其建模与动态仿真成为难点。为了较准确地研究其电磁特性，基于傅里叶级数和数值拟合的方法，构造了FSM的高阶连续非线性电感函数，据此建立了整个FSM系统的数字仿真模型，分析了其动态特性；设计了一台2.2 kW、8/4极结构FSM样机，进行了实验研究，实验和仿真结果对比表明：所建立的非线性模型能够较好地反映FSM系统的实际工作特性，为该电机的设计、性能分析以及控制策略等提供了参考。
2009 Vol. 29 (30): 76-83 [摘要] ( 429 ) [HTML 1KB] [PDF 650KB] ( 378 )
84 卜文绍 万山明 黄声华 刘文胜
无轴承电机的通用可控磁悬浮力解析模型

为解析研究无轴承电机的基础理论和共性规律，给出二极悬浮控制四极无轴承电机电感矩阵解析模型，然后根据虚位移原理推导了无轴承电机通用静向(即沿静止坐标向)可控磁悬浮力的解析模型，该模型既适用于凸极型转子结构无轴承电机，又适用于圆柱型转子结构无轴承电机。通过在该通用解析模型中设置不同的极弧宽度参数，衍生出无轴承同步磁阻电机、表面式永磁无轴承电机和无轴承异步电机的可控磁悬浮力解析模型。针对无轴承异步电机进行了可控磁悬浮静力实验和分析，应用实例验证了推导出的通用可控磁悬浮力解析模型的有效性和正确性。
2009 Vol. 29 (30): 84-89 [摘要] ( 514 ) [HTML 1KB] [PDF 245KB] ( 337 )
90 周丹 祝长生
采用磁通观测器的主动电磁轴承用功率放大器
功率放大器作为主动电磁轴承中的关键环节，其控制方式和控制性能对主动电磁轴承的性能有着极大的影响。目前使用较多的是电流控制型功率放大器，但其存在着电流与电磁力的关系依赖材料的电磁特性、负的开环刚度等问题。在分析磁通控制型功率放大器的工作原理和结构的基础上，提出了一种基于磁通观测器的磁通控制型功率放大器。利用磁通控制型功率放大器的状态方程，建立了线性化的数学模型。根据该数学模型，得到了磁通控制型功率放大器的力增益和开环刚度，并与电流控制型功率放大器进行比较分析。在一个单自由度磁悬浮悬梁实验系统上对磁通控制型功率放大器的可行性和理论分析结果进行了验证。
2009 Vol. 29 (30): 90-97 [摘要] ( 546 ) [HTML 1KB] [PDF 397KB] ( 357 )
98 王迎发 夏长亮 陈炜
基于模糊规则的无刷直流电机起动策略
在无刷直流电机的各种无位置传感器控制方法中，反电势法凭借其简单、实用等优点得到了广泛应用，但当电机静止或转速很低时，反电势过零点不易检测，无法实现电机自起动，因此需要一种控制策略实现电机的可靠起动。提出一种基于模糊规则的无刷直流电机起动策略：以一定频率导通绕组换相，并检测换相时绕组电流；根据电流响应和换相时刻的关系，通过模糊规则判定相对于当前换相指令的电机转子位置；最后对换相指令进行在线调整，避免电机起动过程中失步现象的发生。
2009 Vol. 29 (30): 98-103 [摘要] ( 547 ) [HTML 1KB] [PDF 479KB] ( 433 )
104 周力任 吴广宁 罗杨 曹开江
变频电机用电磁线击穿机制实验研究
变频牵引电机定子绝缘用电磁线的失效是导致电机绝缘破坏的主要原因。该文以JD117变频牵引电机绝缘用电磁线为试验对象，进行了电击穿、热击穿和电树枝化击穿试验，结合扫描电镜和能谱分析研究了相应的击穿机制。试验结果表明，击穿点主体都是位于电磁线试样棱角和绝缘接缝处。电击穿过程中，炭化的程度非常大，介质发生了剧烈的化学反应。热击穿过程中，击穿主体外围温度很高，介质碳化严重；击穿主体内部炭化程度相对来说不是很大。发生的反应相对电击穿比较缓慢。电树枝化的击穿时间较长，电磁线试样的寿命为11 h，经能谱分析测得铝元素含量最多。
2009 Vol. 29 (30): 104-109 [摘要] ( 444 ) [HTML 1KB] [PDF 764KB] ( 347 )
电工理论与新技术
110 潘启军 张怀亮 张向明 李毅 赵治华 唐健
三相同步发电机相复励励磁系统的高频电磁干扰

相复励励磁系统是现代同步发电机的核心组成部分。该文根据端口等效原理和差、共模电路，得到斩波器的差、共模干扰源的计算方法，然后基于整流桥的连续导通模式给出其差、共模干扰源的计算公式，从而建立了三相同步发电机相复励励磁系统的干扰源模型。推导了三相变压器的差、共模模型，给出了电机绕组的高频模型，得到了干扰耦合通道的参数提取方法。在此基础上，提出了三相同步发电机相复励励磁系统的高频差模与共模模型，得到了系统总电磁干扰的计算方法。针对某型相复励三相同步发电机进行了实验，证明了理论分析方法的正确性。
2009 Vol. 29 (30): 110-115 [摘要] ( 510 ) [HTML 1KB] [PDF 589KB] ( 406 )
116 刘杰 赵志斌 崔翔
应用时域积分方程法分析复杂细线导体瞬态响应
应用时域积分方程法(time domain integral equation，TDIE)分析细线导体的瞬态响应，将矩量法与时间步进算法相结合，提出了一种新的TDIE求解方法。该方法以导体段的轴向电流为变量，选用分段线性函数为基函数，采用分域匹配法构造线性方程组，形成一个不随时间变化的系数矩阵，从而避免了时间步进过程中的矩阵求逆运算，极大地提高了运算效率。选用分域匹配法，空间步长可以适当加大，与常用的点匹配法相比，采用更少的分段数，就可以获得同样高的计算精度。此外，作为一种直接时域方法，该方法可以在充分完善地考虑集中参数源和负载的基础上高效快速分析复杂结构导体的瞬态早时响应。将该文计算方法与频域矩量法和多导体传输线方法针对同一个算例进行计算，结果均一致，从而验证了该文方法的正确性。最后，应用所提方法分析了变电站内开关操作时，母线上的瞬态电磁响应。
2009 Vol. 29 (30): 116-122 [摘要] ( 452 ) [HTML 1KB] [PDF 279KB] ( 365 )
123 王淑娟 康磊 李智超 翟国富
电磁超声换能器三维有限元分析及优化设计
电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer，EMAT)设计理论的不足严重限制了电磁超声检测技术的进一步发展。为了从根本上解决该问题，对用于铝板表面检测的电磁超声表面波换能器进行了三维有限元建模和仿真分析，发现换能器的几何参数对EMAT的换能效率具有重要影响。为此，在所建模型基础上，利用正交试验设计方法选取了影响换能效率的关键参数，确定EMAT设计的基本准则，并依次对EMAT线圈和永磁体进行了优化设计。实验表明，优化后的电磁超声信号幅值增长为优化前的2.99倍，在三维有限元模型基础上利用正交试验设计方法能够有效地对EMAT进行优化设计。
2009 Vol. 29 (30): 123-128 [摘要] ( 529 ) [HTML 1KB] [PDF 546KB] ( 378 )
 
 
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