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中国电机工程学报
2010年 30卷 6期
刊出日期 2010-02-25
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 安群涛 孙力 赵克 刘超 于丽娜
基于开关函数模型的逆变器开路故障诊断方法
逆变器的安全性和可靠性直接关系到电机驱动系统的正常运行。在研究逆变器在正常和故障状态下开关函数模型的基础上，提出一种功率管开路故障快速简易诊断方法。该方法根据故障和正常态器件承受电压的不同，采用简单的硬件电路来诊断和定位器件的开路故障。为保障诊断的有效性和可靠性，提出采用开关信号上升沿延时的方法来避免因IGBT开通和关断延迟造成的误诊断，并给出延时时间的确定方法。在搭建的感应电机变频调速(variable voltage and variable frequency，VVVF)控制和永磁同步电动机矢量控制系统中进行实验验证，实验结果表明，所提故障诊断方法能有效诊断逆变器单管和桥臂的开路故障。
2010 Vol. 30 (6): 1-6 [摘要] ( 508 ) [HTML 1KB] [PDF 371KB] ( 433 )
7 方天治 阮新波
输入均压结合输出同角度控制策略下ISOS逆变器系统的环路设计

输入串联输出串联(input-series and output-series，ISOS)逆变器系统的控制目标是在实现输入均压的同时，控制输出电压的幅值和相位都相等从而实现输出均压。在已有的输入均压结合输出同角度的三环控制策略的基础上，对系统的控制环，即输入均压环和输出电压环之间的解耦关系进行分析，并在此基础上分别对它们进行具体的参数设计，以使系统具有良好的稳态和动态性能。仿真及实验结果验证了环路间的解耦关系及参数设计的合理性与有效性。
2010 Vol. 30 (6): 7-14 [摘要] ( 320 ) [HTML 1KB] [PDF 600KB] ( 350 )
15 周宇飞 姜丹丹 黄家成 陈军宁
DC-DC变换器中负载阻抗特性及其对稳定性的影响

作为开关电源的核心部分，DC-DC变换器在实际应用中可能带有电感性的阻抗负载，这将对系统的稳定性产生影响。基于稳定设计的考虑，考察变换器对阻抗负载中寄生电感分量的容忍度，得到对应电路稳定的电感分量阈值，并对电路负载的阻抗效应进行综合分析。建立包含负载电感分量在内的变换器高维模型，并构造电路的离散迭代映射，通过计算平衡点附近的特征根，来分析当寄生电感分量变化时系统状态的演化过程及对电路稳定性的影响。相关的电路精确仿真、理论分析和电路实验均证明，阻抗负载存在一个对应系统不稳定的电感分量区间，而电路参数将对该区间的范围存在一定的影响。
2010 Vol. 30 (6): 15-21 [摘要] ( 410 ) [HTML 1KB] [PDF 388KB] ( 454 )
22 张国荣 齐国虎 苏建徽 丁明 陈林 张晓安
并联型有源电力滤波器输出电感选择的新方法
并联型有源电力滤波器(active power filter，APF)交流侧输出电感是连接APF与电网的桥梁，直接影响补偿电流的动态性能，对有源滤波器的补偿特性起着决定性作用。针对电压源并联型有源电力滤波器电感注入电路的拓扑，提出一种严格的基于谐波电流分析的并联型APF输出电感值确定方法。它能根据补偿目的的不同准确计算出最优的电感值。通过对电力系统中广泛存在的非线性整流负载的仿真，验证了该方法的正确性和可行性。
2010 Vol. 30 (6): 22-27 [摘要] ( 363 ) [HTML 1KB] [PDF 456KB] ( 424 )
28 许爱国 谢少军
阶梯波合成整流器及其闭环控制策略
研究一种阶梯波合成整流器，该整流器具有开关频率低、输出电流谐波含量小、滤波器体积小以及输入功率因数和输出直流电压可调节等优点，非常适合大功率应用场合。由于开关频率较低，传统的高频脉宽调制(pulse width modulation，PWM)整流器的闭环设计方法不能用于瞬时值闭环控制器设计，为实现阶梯波合成整流器的瞬时值闭环控制，该文对其进行了详细地数学建模和分析。在系统的带宽范围内，把高阶滤波器等效为一阶电感滤波器，并采用相位补偿措施降低PWM调制环节延时给系统带来的影响。在简化模型的基础上，设计瞬时值反馈闭环控制器。通过参数优化设计，可以获得优良的系统动态响应性能。仿真和试验结果验证该控制器的性能。
2010 Vol. 30 (6): 28-33 [摘要] ( 336 ) [HTML 1KB] [PDF 407KB] ( 362 )
34 魏晓云 孙辉 徐凤阁 马千
矢量电流控制的电压源换流器式高压直流输电系统动态特性分析

通常在交流系统故障时，公共耦合点电压不仅幅值会发生变化，同时还伴随着相角跳变。基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC，建立了电压源换流器式高压直流输电(voltage source converter-high voltage direct current transmission，VSC-HVDC)模型及电流矢量控制器(vector current controller，VCC)、双矢量电流控制器(dual vector current controller，DVCC)模型，分别就对称三相短路故障、不对称两相短路故障及不同相位跳变角情况进行仿真分析。研究了系统故障条件下，对VSC-HVDC分别采用VCC、DVCC时的系统动态特性。结果表明，DVCC能更好地抑制直流电压的2倍频振荡，但其动态特性比VCC差，且对相角跳变更敏感，可能会弱化VSC-HVDC应有的技术优势。
2010 Vol. 30 (6): 34-40 [摘要] ( 365 ) [HTML 1KB] [PDF 392KB] ( 386 )
电机与电器
41 王东 吴新振 马伟明 郭云珺 陈俊全
非正弦供电十五相感应电机定子漏抗计算
为获得非正弦供电十五相感应电机基波和3次谐波等值电路中的定子漏抗参数，提出了基波和3次谐波定子槽漏抗、谐波漏抗和端部漏抗的分析方法并进行了计算。从槽比漏磁导公式出发求出了基波与3次谐波下的定子槽漏抗。考虑了十五相感应电机定子绕组基波电流与3次谐波电流产生磁势之不同特点，由各自谐波比漏磁导求出相应的谐波漏抗。通过引入气隙电流和镜像电流，用数值法计算线圈间端部电感作为求取基波和3次谐波端部漏抗的基础。分析计算表明，定子整距集中绕组的3次谐波槽漏抗为基波槽漏抗的3倍，但对谐波漏抗和端部漏抗无此比例关系成立。在基波电压下对十五相感应电机样机进行了堵转实验，短路电抗实测值与定转子漏抗计算值相互吻合，间接验证了该文所用计算方法的正确性。
2010 Vol. 30 (6): 41-47 [摘要] ( 401 ) [HTML 1KB] [PDF 373KB] ( 348 )
48 胡家兵 贺益康 王宏胜 LIE Xu
不平衡电网电压下双馈感应发电机转子侧变换器的比例–谐振电流控制策略

为了研究不平衡电网电压条件下双馈感应风力发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)系统增强运行能力的有效控制策略，提出了网侧、转子侧变换器的比例–谐振电流控制方案以及两者之间的协同控制策略。针对电网电压不平衡条件下DFIG转子侧变换器，提出了一种在两相定子静止a b坐标系中实施的比例–谐振(proportional-resonant，P-R)电流控制方案，以实现对DFIG转子电流无需正、负相序分解的统一调节。采用正序d+ 轴电网电压定向简化了各种增强运行能力控制目标下的转子正、负序电流指令值算法，设计了相应的DFIG不平衡控制策略。实验研究表明，这种P-R电流控制方案能够实现转子侧变换器选定控制目标，具备优良的动态调节性能，可增强不平衡电网电压故障下DFIG风力发电机系统的不间断运行能力。
2010 Vol. 30 (6): 48-56 [摘要] ( 444 ) [HTML 1KB] [PDF 532KB] ( 464 )
57 王晶鑫 姜建国
基于磁场定向的矩阵变换器驱动感应电机变结构直接转矩控制

提出一种新型的基于磁场定向的矩阵变换器驱动感应电机直接转矩控制方法，将滑模变结构控制策略引入矩阵变换器驱动感应电机直接转矩控制中，以代替传统方法中的转矩和磁链滞环比较器，并结合矩阵变换器空间矢量调制方法，实现矩阵变换器开关频率恒定。实验结果表明，通过使用转矩和定子磁链2个滑模变结构控制器并结合矩阵变换器直接空间矢量调制，既可以保留传统矩阵变换器驱动感应电机直接转矩控制转矩快速响应的特点，又可以保证开关频率恒定和减小转矩脉动，有效地改善了系统的动静态性能。
2010 Vol. 30 (6): 57-62 [摘要] ( 330 ) [HTML 1KB] [PDF 357KB] ( 308 )
63 路义萍 陈朋飞 李俊亭 张辛 邓海燕 韩家德
某新型空冷汽轮发电机转子通风方式的流场分析
某空冷汽轮发电机转子冷却风道采用了新型通风方式。为得到该新型通风方式流场特性，建立了该汽轮发电机转子半轴向段单槽通风道整体结构模型；依据计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)原理，采用有限体积法，计算得到转子端部、轴向及副槽通风道内速度、压力与流量分布特点；利用单节距副槽三维温度场模型计算转子温升，计算结果与实验数据相符，验证了模拟计算的准确性。结果表明，弧段风道流动阻力由风扇压头克服，副槽风道流动阻力由旋转科氏力克服，该新型通风方式有利于减小轴向温差。
2010 Vol. 30 (6): 63-68 [摘要] ( 390 ) [HTML 1KB] [PDF 609KB] ( 360 )
69 霍菲阳 李勇 李伟力 杨雪峰
大型空冷汽轮发电机定子通风结构优化方案的计算与分析

随着空冷汽轮发电机容量增加，其组件的可靠性依赖于冷却系统散热能力。合理的优化发电机定子通风结构，可以提高传热介质的利用率，降低电机温升。在200 MW空冷汽轮发电机定子实验研究数据和大量相关工作基础上，提出了2种方案对电机定子结构进行优化：方案1，保持电机总尺寸、损耗和通风沟数量的不变，改变铁心厚度；方案2，保持电机总尺寸和损耗不变，增加通风沟的数量同时减小通风沟尺寸。根据计算流体力学原理，应用有限体积法求解定子各径向风沟内空气的紊流流动等三维离散方程组，研究了通风沟尺寸结构等几何量变化对整个电机温度场和流体介质的利用率的影响。研究结果表明，优化后的2种结构能使流体带走更多的电机内产生的热量，使计算出电机的稳态温升比实际结构计算出的温升最大下降9.13 ℃。
2010 Vol. 30 (6): 69-75 [摘要] ( 493 ) [HTML 1KB] [PDF 421KB] ( 349 )
76 胡笳 罗应立 刘晓芳 王红宇
汽轮发电机小扰动特性及静态稳定性的时步有限元分析

为了研究阻尼绕组和磁场饱和对汽轮发电机小扰动特性及静态稳定性的影响，分别采用经典派克(Park)方程模型与时步有限元(time-stepping finite element method，T-S FEM)模型，对发电机不同工况下发生的小扰动进行仿真计算。在此基础上，结合小信号分析法与普罗尼(Prony)方法，对比分析了不同模型下发电机小扰动过程的动态特性以及系统静态稳定性等相关问题。结果表明，在不考虑阻尼绕组与磁场饱和的情况下，2种模型所得的小扰动特性基本一致，而当计及阻尼绕组或磁场饱和作用时则差别显著；采用派克方程模型计算所得的静态稳定极限功角比时步有限元模型的计算结果偏大。研究结果为系统仿真分析提供了合理参考。
2010 Vol. 30 (6): 76-82 [摘要] ( 354 ) [HTML 1KB] [PDF 357KB] ( 333 )
83 张健滔 朱华 赵淳生
行波型杆式超声电机模态频率调节
加工好的兰杰文振子型杆式超声电机其两相弯振模态频率往往会不一致，这将会影响电机的效率、输出性能以及运行的稳定性。针对该问题，提出一种在电机定子装配好的状态下对其模态频率进行调节的方法。通过定子的动力学方程和K. A. Stetson结构摄动理论，求解出修改后定子的模态频率，找到了调节两相模态频率的方法。对定子进行有限元分析，找到了定子修改的合适位置，并分析了在这些位置上进行定子修改对两相模态频率的影响。制作了定子样机，对修改前后的定子模态频率进行了测试，两相弯振模态频率之差由原来的170 Hz调整到70 Hz，达到了工程上的要求。从试验上验证了该文的理论和有限元分析结果。
2010 Vol. 30 (6): 83-87 [摘要] ( 371 ) [HTML 1KB] [PDF 329KB] ( 328 )
88 王丽梅 金抚颖 孙宜标
基于等效误差法的直线电机XY平台二阶滑模控制
对于直线电机驱动XY平台，系统动态的非线性、系统不确定性因素以及曲线轨迹的轮廓误差模型相对复杂等问题影响其轮廓加工精度。采用适用于多轴非线性运动系统轮廓控制的等效误差法，建立可用于一般曲线跟踪且容易计算的XY平台等效误差非线性模型。运用二阶滑模控制方法进行轮廓控制器的设计，通过连续控制量使滑模面及其时间导数在有限时间内趋近于零，削弱抖振的同时抑制不确定性因素对系统性能的影响，使直线电机XY平台达到高加工精度要求。理论推导与仿真结果表明，所设计控制系统能有效提高XY平台的轮廓加工精度。
2010 Vol. 30 (6): 88-92 [摘要] ( 411 ) [HTML 1KB] [PDF 797KB] ( 393 )
93 蒋科坚 祝长生
基于在线识别对转速不敏感的主动电磁轴承转子系统不平衡振动控制

提出一种基于振动识别的主动电磁轴承转子系统不平衡补偿控制方法。该方法的最大特点是能够不依赖控制对象的传递函数，在线识别出转子等效不平衡质量的大小和位置，然后根据识别结果计算出精确的控制信号，迫使转子绕其几何轴旋转。当转子转速变化时，尽管不平衡力随之变化，但不平衡质量的大小和相位特性不会改变，因此无需重新识别不平衡量，大大提高了在变转速情况下对转子不平衡的控制性能，同时减轻了控制器的计算负担。对算法的控制效果进行了实验测试，结果表明提出的对转速不敏感的基于振动识别的主动电磁轴承转子系统不平衡补偿控制方法对不平衡振动的抑制取得了很好的效果，并在转速变化情况下能大幅减少重新识别不平衡量的次数。
2010 Vol. 30 (6): 93-99 [摘要] ( 357 ) [HTML 1KB] [PDF 484KB] ( 368 )
100 王巍 郭宏 邢伟 李艳明 王大彧
电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机控制系统

设计了应用于直接驱动作动器(direct drive actuator，DDA)的电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机控制系统。为了解决DDA系统存在的小角度响应和系统稳定性这2个关键问题，在位置环加电流环的双闭环结构中引入了基于转速调节的电流限幅，位置环采用了适应小偏差输入的变结构PID控制算法。通过基于转速调节的电流限幅有效的提高了系统的稳定性，位置环采用的变结构PID控制算法保证了小角度响应的精度。同时，采用该控制方法后，系统具有较高的频响特性，在运行过程中能够实现余度平稳切换。DDA平台的实验结果充分验证了所设计的电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机控制系统的有效性。
2010 Vol. 30 (6): 100-104 [摘要] ( 386 ) [HTML 1KB] [PDF 331KB] ( 380 )
105 刘承军 邹继斌
感应同步器的部分元等效电路模型
输出电势的数学模型是分析感应同步器误差及进行绕组优化设计的理论基础。传统的数学模型未考虑激磁绕组邻近效应引起的电流分布不均对输出电势的影响，从而会在高频下带来较大的谐波电势计算误差。建立了基于部分元等效电路方法的输出电势数学模型，研究激磁绕组的电流分布特性，计算了激磁绕组在不同工作频率、不同结构参数下感应绕组的输出电势，分析其位置函数的谐波成分，并提出消除谐波电势的途径。最后通过实验验证了模型的准确性。
2010 Vol. 30 (6): 105-111 [摘要] ( 296 ) [HTML 1KB] [PDF 537KB] ( 303 )
电工理论与新技术
112 孙海峰 崔翔 齐磊
基于黑箱理论与传统等效电路的无源元件建模方法

电力电子装置中开关器件在开通和关断过程中会形成宽频带的电磁干扰，如何建立相关器件的宽频等效电路模型尤为重要。提出一种将黑箱理论与传统等效电路相结合的宽频电路建模方法。该方法对测量所得阻抗与传统等效电路所得阻抗进行求差运算获取黑箱模型阻抗，通过矢量匹配方法对该阻抗进行有理函数逼近，应用阻抗综合理论建立等效电路。基于该方法，分别建立了高压直流输电换流阀组件内的水冷电阻、阳极电抗器以及电容器的宽频等效电路。结果表明，该方法既保留了传统等效电路参数的意义，又考虑了高频情况下器件的频变效应，能够应用于电力电子系统内无源元件的宽频建模。
2010 Vol. 30 (6): 112-116 [摘要] ( 377 ) [HTML 1KB] [PDF 872KB] ( 357 )
117 张新建 谭丹 叶齐政
电流变液颗粒间局部电场分析及相互作用力计算
电流变(electrorheological，ER)液可用于直接驱动电动机、离合器、无级变速、机械装置的电控等领域，如何准确计算电流变液体成链过程中的颗粒间相互作用成为研究热点。介绍了计算电流变液中多颗粒间局部电场及相互作用力的新模型—偏心电偶极子模型，分析了偏心电偶极子模型的理论基础，研究将其用于计算电流变液体中多颗粒间局部电场及相互作用力的方法。将颗粒间局部电场计算结果与点电偶极子及有限元方法的计算结果进行对比。通过比较可知，偏心电偶极子模型计算结果与有限元计算结果最为接近，优于点电偶极子模型。同时给出用于计算三颗粒间局部电场及相互作用力的公式，并与同等条件下的两颗粒间相互作用力进行对比，结果表明，在一定条件下两颗粒的相互作用力高于三颗粒的相互作用力，这说明颗粒在聚集成链的过程中初期的相互作用力可能要高于后期。
2010 Vol. 30 (6): 117-122 [摘要] ( 383 ) [HTML 1KB] [PDF 323KB] ( 335 )
123 翟小社 耿英三 王建华 宋政湘 张国钢
电快速瞬变脉冲群抗扰度试验发生器的建模
为了在设计的早期阶段，以仿真的方式预测电子产品在电快速瞬变脉冲群(electrical fast transient/burst，EFT/B)抗扰度试验中的性能，需要建立干扰源发生器及标准耦合装置的仿真模型。为适应EFT/B抗扰度试验标准的修订和补充，提出一种系统化的EFT/B发生器等效电路的建模方法。首先，基于对发生器充放电物理过程的分析，提出开路条件(1 kW)下发生器输出波形的解析表达式，且表达式系数可根据仪器厂商的校准波形加以确定；其次，基于该解析式并采用阶跃函数激励，得到脉冲形成网络的传递函数，并分别采用恒电阻法及参数化电网络综合法得到脉冲形成网络的等效电路；最后，对等效电路各元件参数进行归一化处理，并根据发生器在匹配条件下(50 W)的校准波形确定归一化系数。将EFT/B发生器的等效电路模型与标准容性耦合夹电路模型进行连接仿真，通过仿真与测量结果的对照验证了所提方法的合理性。
2010 Vol. 30 (6): 123-128 [摘要] ( 348 ) [HTML 1KB] [PDF 445KB] ( 424 )
 
 
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