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中国电机工程学报
2010年 30卷 9期
刊出日期 2010-03-25
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 邓夷 赵争鸣 袁立强 胡斯登 王雪松
适用于复杂电路分析的IGBT模型
推出一种适用于复杂电路仿真分析的绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)模型。模型分阶段模拟IGBT的开关瞬态过程，并采用曲线拟合的方式实现对IGBT稳态特性的建模。模型具有计算速度快、参数提取容易、物理概念明确的特点。描述模型的等效原理、构成和参数提取过程，并在PSIM软件包下建立其等效电路。以FF300R12ME3型IGBT为例给出了模型参数，并将模型应用于IGBT的开关特性分析、缓冲吸收电路设计以及IGBT的并联运行分析。仿真和实验结果对比证明了该模型的有效性。
2010 Vol. 30 (9): 1-7 [摘要] ( 707 ) [HTML 1KB] [PDF 289KB] ( 897 )
8 单任仲 尹忠东 肖湘宁 张扬
中压大功率负荷特性模拟装置的控制策略
提出一种新颖的三相并联型负荷特性模拟装置及其相应的主电路拓扑结构。该装置采用分相控制，其基波和谐波电流采用解耦控制，级联H桥模块采用三角载波移相控制，通过连接电抗器实现基波和谐波电流的注入及装置功率的调节。提出调节逆变器输出基波电压相角和幅值来调节注入系统的有功和无功功率，并给出装置有功和无功功率的数学表达式。分析装置在不同工况下的等效电路，得到系统电抗、基波连接电抗和谐波滤波电抗对装置注入电流精度的影响。对低频电流波动、电流谐波和功率因数调节分别进行仿真研究，仿真结果表明了主电路拓扑及控制策略对负荷特性模拟的可行性和有效性。
2010 Vol. 30 (9): 8-12 [摘要] ( 433 ) [HTML 1KB] [PDF 412KB] ( 358 )
13 倪喜军 赵剑锋 杨振宇 郑良广 孙仪
基于两电平线性输出的级联型逆变器过调制算法
应用于级联型逆变器的传统多电平空间矢量调制技术往往只考虑线性调制区的实现方法，在功率单元直流电压下降的情况下不能调整为过调制算法，然而在基波电压幅值不变的要求下，仍采用线性调制方法会出现零矢量作用时间为负数的不利情况，对现场运行不利。采用的错时相差两电平空间矢量脉宽过调制技术(space vector pulse width modulation，SVPWM)，利用错时相差技术将多电平SVPWM变为在每个采样点仅需控制某层功率单元左右桥臂矢量的两电平SVPWM，简化了矢量区域的判断时间；同时把相关的多电平过调制问题简化为两电平过调制算法。仿真和实验表明，该过调制算法在保证谐波含量比较小的前提下，可以使系统从线性工作状态平稳过渡到六阶梯波状态，且能保证基波电压的幅值随调制比线性输出，直至六阶梯波时的最大输出值，很适合于级联型逆变器的过调制运行。
2010 Vol. 30 (9): 13-19 [摘要] ( 426 ) [HTML 1KB] [PDF 332KB] ( 414 )
20 陈道炼 王国玲 段燕斌
差动正激直流变换器型高频环节逆变器
提出差动正激直流变换器型高频环节逆变器电路拓扑，并对该变换器的电路拓扑、瞬时电压控制策略、稳态原理特性、关键电路参数设计准则等进行了深入地分析研究。该逆变器是由2个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向功率流正激直流变换器以差动电路构成。理论分析和仿真结果表明，该变换器具有高频电气隔离、电路拓扑简洁、双向功率流、输出电压纹波小、负载适应能力强等优点。原理实验证实了这种逆变器的正确性与可行性，为实现新型逆变电源奠定了关键技术基础。
2010 Vol. 30 (9): 20-26 [摘要] ( 438 ) [HTML 1KB] [PDF 328KB] ( 398 )
27 刘鸿鹏 王卫 吴辉
光伏逆变器的调制方式分析与直流分量抑制
单相无变压器型全桥并网逆变器由于体积小、效率高、造价低，被广泛地应用于低功率光伏并网系统中。在双极性脉宽调制方式下，全桥逆变器的共模电压恒定，不产生共模电流。但此调制方式不能消除输出电流的直流分量。为此，提出一种新的控制算法来抑制直流分量的输出。该算法使用2个补偿环节分别抑制由于调制脉宽不对称和并网电流检测误差导致的直流分量，无需增加外围硬件电路，且所增加的环节只占用很少的控制芯片资源。实验结果证明了理论分析和算法的正确性。
2010 Vol. 30 (9): 27-32 [摘要] ( 483 ) [HTML 1KB] [PDF 239KB] ( 1077 )
33 王建华 钱祝旭 张方华 龚春英
带磁放大器调整多路输出直–直变换器环路互扰
带磁放大器后级调整多路输出直–直变换器采用峰值电流控制时，若采样原边电流控制，则磁放大器回路会被引入不规则脉动电流，使得主环路与磁放大器环路相互耦合，环路的相互作用会导致主辅路输出电压振荡。建立磁放大器环路及系统级小信号模型，分析环路互扰现象的机理，指出环路互扰现象实质上是负载交叉调整率恶化时的另一种表达方式，并基于交错输出阻抗分析提出相应解决方案，即通过提高主环路外环开环增益或采用斜坡补偿方式，能够有效解决环路互扰现象。
2010 Vol. 30 (9): 33-39 [摘要] ( 431 ) [HTML 1KB] [PDF 475KB] ( 362 )
40 马凡 马伟明 付立军 王刚 康军
直流侧电流断续时不控整流器的动态小信号数学模型建立与验证

为解决直流侧电流断续模式(discontinuous current mode，DCM)下不控整流器因扰动过程中直流脉波周期、导电角均可变而不易数学建模的问题，通过研究带LC滤波的m相桥式不控整流器DCM下的稳态模型，得出导电角和电源电压初始相角的非线性约束方程，提出一种将不控整流器近似为定直流脉波周期、定导电角的可控整流器的小信号建模方法，并运用开关函数法和谐波平衡原理，分别建立带LC滤波的单相、三相桥式不控整流器DCM下状态方程形式的小信号数学模型。通过与经实验验证的仿真模型进行对比，证明所提出的建模方法是有效的，所建立的小信号数学模型维数越高，计算结果越精确。
2010 Vol. 30 (9): 40-46 [摘要] ( 480 ) [HTML 1KB] [PDF 399KB] ( 385 )
47 李子欣 李耀华 王平 朱海滨 陈峻岭 谈龙成 刘丛伟
PWM整流器在静止坐标系下的准直接功率控制
关于三相电压型脉宽调制(pulse width modulation，PWM)整流器的控制方法一般采用两相旋转坐标系实施控制。一个主要原因是在同步旋转坐标系中电压、电流等变量在稳态时表现为直流信号，可以采用获得广泛应用的PI调节器达到稳态无静差控制。通过分析电压型PWM整流器的瞬时功率，在两相静止坐标系下提出一种新型的准直接功率控制策略。与传统的方法相比，省去了电网电压相位信息检测(如锁相环等)、电流环解耦控制以及旋转坐标变换，减少了检测环节误差带来的干扰以及参数不准确造成的解耦不彻底问题，提高了系统的稳定性，在两相静止坐标系下即可实现PWM整流器在电网侧单位功率因数运行。同时，对采用谐振控制器时，内外环控制器参数的设计进行理论分析并提出参数设计方法。计算机仿真与30 kVA三相PWM整流器上的实验结果表明，本文提出方法性能优良、动态响应迅速。
2010 Vol. 30 (9): 47-54 [摘要] ( 562 ) [HTML 1KB] [PDF 442KB] ( 545 )
电机与电器
55 石胜君 陈维山 刘军考 谢涛
大推力推挽纵振弯纵复合直线超声电机
提出一种大功率夹心式纵弯复合直线超声电机。电机定子主体结构由2个小端相连的指数形变幅杆组成，并在连接处设有驱动足。纵弯振动叠加并在驱动足处产生具有驱动作用的椭圆轨迹。在经典变幅杆理论和变幅杆弯振的传递矩阵分析法的基础上，利用有限差分法，分析各结构参数变化对纵弯谐振频率变化的灵敏度，选取敏感度最大的参数作为设计变量，将电机的纵弯频率简并至27.476 kHz。有限元仿真和阻抗特性测试结果与理论计算结果吻合。讨论分析了纵弯振动间的耦合作用并提出带耦合环节的等效电路模型拓扑结构，并利用单相驱动实验验证模型的正确性。电机样机的最大速度为1 280 mm/s，最大推力为45 N。
2010 Vol. 30 (9): 55-61 [摘要] ( 428 ) [HTML 1KB] [PDF 380KB] ( 363 )
62 胡锡幸 郭吉丰
3个行波定子的2自由度球形超声波电机
提出一种基于3个行波定子的2自由度球形行波型超声波电机，给出了其结构及其驱动原理，重点介绍行波定子自动对心的自适应结构及其螺旋弹簧，该种结构可使每一个行波定子能柔顺地压紧球转子，可克服由3个行波定子的加工及其安装误差对电机产生的影响，保证每个定转子接触圆周之间的预紧力比较均匀一致。同时，给出了该种2自由度球电机的机械特性计算公式，并以极小范数解为优化目标等手段，分析了此球电机的性能特点。研制的球电机样机球转子直径40 mm，堵转力矩达0.12 N×m，空载转速90 r/min，且各方向性能较一致。此球电机具有结构紧凑、安装方便和性能优越的特点，可用于机器人手腕、CCD云台控制等许多场合。
2010 Vol. 30 (9): 62-67 [摘要] ( 420 ) [HTML 1KB] [PDF 293KB] ( 325 )
68 时运来 赵淳生 黄卫清
一种轮式直线型超声电机
利用非统一截面梁在正交方向上的2个6阶弯曲振动模态作为工作模态，设计了一种新型直线超声电机，对其驱动机理进行详细的分析，推导出定子表面质点的运动轨迹。同时，对定子的夹持和预压力施加方案进行了设计。设计加工的电机定子直径为20 mm，长109 mm，重230 g。在驱动电压峰峰值为300 V，驱动频率为32 kHz时，电机最高速度达到433 mm/s，最大推力为18 N，推重比达到了7.9:1。
2010 Vol. 30 (9): 68-73 [摘要] ( 373 ) [HTML 1KB] [PDF 591KB] ( 331 )
74 盛义发 喻寿益 桂卫华 洪镇南
轨道车辆用永磁同步电机系统弱磁控制策略
内置式永磁同步电机可利用其磁阻效应来提高电机效率和改善调速特性，适宜用作轨道车辆的牵引电机。研究了轨道车辆用内置式永磁同步电机的弱磁控制，提出了利用电压极限椭圆的梯度下降法进行弱磁和电流参考值修正的新方法。该方法主要分为弱磁区域的确定和电流参考值的修正。弱磁区域由恒转矩曲线方向和电压极限椭圆递减方向之间的夹角大小来确定，电压极限椭圆递减方向信息通过梯度下降法计算得到。电流参考值的大小根据不同弱磁区域内弱磁方向和电压差值的幅度大小来确定。采用Matlab软件建立了系统仿真模型，针对100 kW的轨道车辆用永磁同步电动机开发了基于TMS320LF2407A DSP的弱磁控制系统实验平台。仿真和实验结果证明了该策略的有效性。
2010 Vol. 30 (9): 74-79 [摘要] ( 536 ) [HTML 1KB] [PDF 317KB] ( 541 )
80 刘颖 周波 方斯琛
基于新型扰动观测器的永磁同步电机滑模控制
相对于常规的PI控制方法，滑模变结构控制(sliding- mode variable structure control，SMC)能够有效地提高系统的鲁棒性和快速性，因而被应用于永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)的调速系统，但抖振现象的存在限制了其实际应用。在PMSM双闭环调速系统的设计中采用了SMC策略，并引入积分补偿和扰动观测器环节，防止系统产生稳态误差和固有的抖振现象。针对负载变化导致系统转动惯量不同的问题，结合离散模型参考自适应理论，提出一种能够在线辨识系统转动惯量的新型扰动观测器。运用dSPACE实时仿真系统进行实验验证。结果表明，所设计的控制器提高了系统的鲁棒性，具有较好的动、静态特性。
2010 Vol. 30 (9): 80-85 [摘要] ( 490 ) [HTML 1KB] [PDF 473KB] ( 495 )
86 罗玲 刘卫国 窦满峰 马瑞卿 解恩
稀土永磁无刷直流电动机绕组嵌放对磁势的影响
应用于航空航天领域的稀土永磁无刷直流电动机采用多重电枢绕组技术以提高可靠性。采用隔槽嵌放的双绕组电机系统成本高，结构复杂。该文给出双绕组的一种同槽嵌放方式，对双绕组稀土永磁无刷直流电动机在单绕组工作和双绕组工作时，同槽和隔槽嵌放方式的磁势进行了理论分析，结果表明，在磁路饱和的情况下，单绕组工作时同槽嵌放电枢磁势的去磁作用小，而双绕组工作时，隔槽嵌放的电枢磁势去磁作用小；同槽嵌放更适用于冷备份余度模式，隔槽嵌放则宜于热备份余度模式。对电枢磁场、空载磁场、负载磁场和机械特性进行了有限元仿真计算，并对隔槽嵌放样机的机械特性进行了测试，仿真和测试结果验证了理论分析的正确性。
2010 Vol. 30 (9): 86-91 [摘要] ( 456 ) [HTML 1KB] [PDF 339KB] ( 414 )
92 许小庆 权龙 王旭平
伺服比例阀用动圈式直线电机

为研制用于驱动大流量伺服比例阀先导级的高响应电–机械转换器，提出采用异型永久磁铁励磁的动圈式直线电机(moving coil linear motor，MCLA)结构方案，给出设计准则，采用有限元计算方法分析磁路特征，计算结果表明，采用异型永久磁铁较规则形状可提高驱动力7%以上。在此基础上，设计了驱动大流量伺服比例阀先导级的动圈式直线电机，并制造出样机，建立了测试系统，对样机的动静态特性进行试验测试，试验结果验证了设计计算的正确性，试验结果表明所研制的样机性能可以满足高响应大流量伺服比例阀先导级驱动要求。
2010 Vol. 30 (9): 92-96 [摘要] ( 398 ) [HTML 1KB] [PDF 356KB] ( 466 )
97 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网侧和转子侧变换器的协同控制

建立了不平衡电网电压下双馈感应发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)网侧变换器的数学模型，讨论了交流输入电抗对瞬时有功功率的影响，在此基础上，提出4种可供选择的网侧变换器协同控制目标。为了验证网侧、转子侧变换器协同控制策略的有效性，提出静止ab坐标系中比例-谐振控制器，使网侧变换器正、负序电流无需分解调节，并构建了DFIG网侧变换器的不平衡控制系统。仿真和实验研究结果表明，所提网侧、转子侧变换器协同控制策略可实现风电机组更为优化的不对称故障穿越(不间断)运行控制；所设计的网侧、转子侧变换器P-R电流控制方案不仅能够在稳态不平衡电网下提供精确的电流调节，而且在瞬态不平衡下体现优良的动态响应特性。
2010 Vol. 30 (9): 97-104 [摘要] ( 548 ) [HTML 1KB] [PDF 516KB] ( 488 )
105 王司博 韦统振 齐智平
超级电容器储能的节能系统研究
交流电机变频调速系统已经在工农业生产中得到了广泛的应用，但是大部分的变频调速系统采用了能耗制动的方式，造成了能量的巨大浪费。采用超级电容器储能的节能系统，能够在电机制动时回收制动能量，从而实现了能量的节约。提出一种基于规则的能量管理方法，根据变频调速系统中直流母线的电压来决定超级电容器储能的节能系统的工作状态。采用PSIM仿真软件分析超级电容器储能的节能系统在变频调速系统中的作用。实验中采用一个可编程控制的电机来代替实际的负载。仿真和实验结果都表明，超级电容器储能的节能系统能够在电机制动时回收制动能量，从而验证了这种节能方案的可行性和基于规则的能量管理方法的有效性。
2010 Vol. 30 (9): 105-110 [摘要] ( 477 ) [HTML 1KB] [PDF 312KB] ( 576 )
111 李江 李国庆 李筱婧
计及饱和环节的励磁系统吸引域研究
同步发电机励磁系统由于受到物理结构的限制，系统输入含有饱和环节(限幅环节)，具有非线性特征。研究发电机励磁系统在计及饱和环节情况下的吸引域，通过Schur补性质将吸引域的求解转化为线性矩阵不等式的求解问题，利用求得的正定矩阵可获得椭球吸引域的3维空间图形，对比多组最优励磁控制律所对应的椭球体位置、体积等信息分析控制律性能及权矩阵对椭球吸引域的影响等相关问题。为获得更大的吸引域，以n维椭球体体积为指标，对多组控制律进行评估和筛选。最后，研究励磁顶值和椭球吸引域体积之间的关系，拟合出两者间定量关系的近似表达式。算例研究表明，提出的方法简单、有效。
2010 Vol. 30 (9): 111-115 [摘要] ( 462 ) [HTML 1KB] [PDF 297KB] ( 356 )
电工理论与新技术
116 唐良瑞 张勤 崔维新 孙毅
基于超混沌的电力线直序扩频序列
提出一种新的超混沌系统，通过分析该系统的动力学特性，可知该系统的混沌吸引子不同于已发现的混沌吸引子，且该系统具有较高的李亚普诺夫指数，是一种新的超混沌系统。利用该系统产生的混沌序列生成扩频序列，理论分析表明，该扩频序列具有良好的平衡性、相关性及保密性能。将该扩频序列引入电力线直序扩频系统中，仿真结果表明所产生的扩频序列具有良好的抗多用户干扰的性能，且提高了系统的保密性能，适合于电力线直序扩频通信系统中。
2010 Vol. 30 (9): 116-122 [摘要] ( 370 ) [HTML 1KB] [PDF 307KB] ( 349 )
123 刘守豹 阮江军 张宇 杜志叶 黄道春
有限元–边界元耦合法在运动导体涡流场中的应用

基于A，f-A法和库伦规范，推导了导体区域和非导体区域的有限元方程及自由空间的边界元方程，通过引入交界面条件，实现了将边界元矩阵等效为有限元矩阵求解的有限元–边界元耦合法(finite element and boundary element coupling method，FE-BECM)。将FE-BECM应用于TEAM-7问题的计算，验证了该方法处理开域涡流问题的有效性。当FE-BECM应用于运动导体涡流场(moving conductor eddy current，MCEC)问题时，用有限元离散源电流区域和运动部件，用边界元离散自由空间并关联相互独立的有限元区域。该方法克服了常规有限元法使用1套网格处理运动问题所遇到的麻烦。使用有限元–边界元耦合法对单级线圈炮问题进行了计算，验证了算法处理运动导体涡流场问题的有效性。
2010 Vol. 30 (9): 123-128 [摘要] ( 529 ) [HTML 1KB] [PDF 579KB] ( 342 )
 
 
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