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中国电机工程学报
2010年 30卷 12期
刊出日期 2010-04-25
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 郭焕 温家良 汤广福 郑健超
高压直流输电晶闸管阀关断的电压应力分析

高压直流输电晶闸管阀关断产生的电压应力是其电气特性研究的重要内容之一。对关断电压应力分析的原有电路模型作了改进，拓展了模型适用范围，推导出晶闸管阀关断电压应力分析的拉普拉斯解析方程，并对晶闸管阀换相关断的电压应力作了较为全面深入的分析，得到各种运行条件和各类电路参数变化时关断电压应力的变化情况，总结出了其中的关键因素。从计算和仿真结果来看，分析方法是可行的，并具有较高的精确度。
2010 Vol. 30 (12): 1-6 [摘要] ( 506 ) [HTML 1KB] [PDF 361KB] ( 390 )
7 张瑾 齐铂金
Z源三电平中点钳位逆变器中点电位平衡控制方法

针对Z源三电平中点钳位逆变器，分析直通状态对逆变器中线电流的影响，结果表明，直通状态的注入不会引起中点电位失衡，据此研究一种基于载波调制的中点电位平衡控制方法。该方法利用双调制波理论消除中点电位的低频振荡，但由于双调制波技术无法消除中点电位的直流偏移，故提出对直通占空比进行前馈补偿以抑制此类失衡。该补偿方式不会产生额外的开关动作，因此不会增加逆变器的开关损耗。仿真及实验结果均证实了所提出的中点电位平衡控制方法的有效性。
2010 Vol. 30 (12): 7-13 [摘要] ( 488 ) [HTML 1KB] [PDF 327KB] ( 331 )
14 姚玮 陈敏 牟善科 张军明 钱照明
基于反馈线性化的高性能逆变器数字控制方法
传统逆变器控制方法大多基于小信号原理，其频域模型并不能保证系统在大信号扰动下的稳定性。提出一种新型的基于逆变器大信号模型的反馈线性化控制策略，可改善逆变器在输入电压波动和输出负载扰动下的输出特性，并具有良好的电压和电流跟随特性。根据逆变器电路的大信号方程，分析提出数字控制器的线性化反馈结构及其参数设计方法。与传统控制结构相比，此控制策略在动态响应和稳态精度上更具优越性，并具有较强的鲁棒性。仿真与实验结果均验证了该策略的正确性和有效性。
2010 Vol. 30 (12): 14-19 [摘要] ( 424 ) [HTML 1KB] [PDF 566KB] ( 409 )
20 孙尧 粟梅 王辉 桂卫华
双级矩阵变换器的非线性分析及其补偿策略
分析双级矩阵变换器输出电压非线性根源与特征。鉴于它和双PWM变频器、传统矩阵变换器在结构和功能方面的相似性，对其非线性特征进行对比分析，发现双级矩阵变换器的非线性有其明显的独特性，如窄脉冲、器件电压降、滤波电容电压纹波等，这些问题与调制策略、工作机理、拓扑结构和运行状态等有关。为保证系统可靠运行，补偿非线性所带来的负面影响，提出一种修正调制算法，并给出基于变载波调制的非线性补偿策略，克服了已有算法在实现上的固有缺陷，提高了系统波形质量。在高调制系数区域内，性能改善尤为明显，运行可靠性也相应提高。实验结果证明了所提方案的正确性及可行性。
2010 Vol. 30 (12): 20-27 [摘要] ( 394 ) [HTML 1KB] [PDF 416KB] ( 326 )
28 何必 林桦 佘宏武 王兴伟 张晓锋
矩阵变换器输出波形畸变分析及改善方法
矩阵变换器在低频低调制比输出时输出波形畸变较为严重，目前还没有文献较全面地分析其原因和补偿方法。对影响矩阵变换器输出波形畸变的原因进行分析，认为输出波形畸变是由多种因素造成的，主要包括窄脉冲、换流延时和管压降等。针对影响输出波形畸变的主次要因素，提出相应的改进方法，提出直接时间补偿方法以抵消换流延时带来的波形畸变；在极低调制比输出时，对管压降进行前馈补偿。实验证明，采用本文所提出的方法，较好地解决了输出电压波形畸变的问题，提高了矩阵变换器的运行性能。
2010 Vol. 30 (12): 28-35 [摘要] ( 423 ) [HTML 1KB] [PDF 451KB] ( 351 )
36 马凡 马伟明 付立军 范学鑫 叶志浩 关涛
直流侧电流断续时不控整流器的动态大信号数学模型建立与验证

通过将带LC滤波的桥式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与占空比极小的Boost斩波器级联的系统，提出直流侧电流断续模式(discontinuous current mode，DCM)下不控整流器的一种大信号建模方法，并运用开关函数和谐波平衡原理，分别建立单相、三相桥式不控整流器DCM下的大信号数学模型，该模型具有非线性常微分代数方程组形式。通过与仿真模型进行对比，证明所常微分代数方程组形式。通过与仿真模型进行对比，证明所提出的建模方法是可行的，所建立的大信号数学模型能有效反映不控整流器源侧及负载侧的大扰动特性，且模型维数越高，计算结果越精确。
2010 Vol. 30 (12): 36-42 [摘要] ( 433 ) [HTML 1KB] [PDF 422KB] ( 346 )
43 许胜 赵剑锋 唐国庆
级联H桥型静止同步补偿器触发脉冲的快速生成方法

详细分析基于对称规则采样和不对称规则采样的正弦脉宽调制(sine pulse width modulation，SPWM)脉冲生成方法的特点，并介绍一种应用在级联H桥型变流装置中的载波相移正弦脉宽调制(carrier phase-shifted sine pulse width modulation，CPS-SPWM)脉冲生成时序，在此基础上，提出一种基于不对称规则采样的CPS-SPWM脉冲的快速生成方法。分析研究基于该方法的级联H桥型变流装置输出电压的基波特性。理论分析、仿真和实验结果表明，该方法相对基于对称规则采样的CPS-SPWM脉冲生成方法，既没有增加采样频率，也没有增加计算工作量。同时，装置输出电压的基波分量不仅延时缩小1半，仅滞后调制波1/4个载波周期，而且幅值有所提高，波形的不对称性也有所改善。
2010 Vol. 30 (12): 43-49 [摘要] ( 461 ) [HTML 1KB] [PDF 526KB] ( 350 )
50 陈娜 何湘宁 邓焰 沈燕群 江剑 熊妍
IGBT开关特性离线测试系统
介绍一套容量为1 200 V/150 A的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)开关特性离线测试系统。该测试系统包括器件开关特性的硬件测试平台和开关损耗建模软件平台两部分。硬件测试平台将计算机作为控制中心，根据用户在LabVIEW界面上选择的母线电压、集电极电流、门极电压、门极电阻以及温度等参数，通过RS232接口控制DSP完成开关特性测试，通过GPIB接口设置示波器，保存记录的波形。软件建模平台利用记录的电压、电流波形数据，采用3种平均模型(幂函数模型，幂函数与多项式结合的模型，神经网络模型)建立开关损耗模型。该系统实现了电力电子器件开关特性测量和损耗模型建立，方便用户预测工作范围内任一测试条件下的器件开关损耗。
2010 Vol. 30 (12): 50-55 [摘要] ( 447 ) [HTML 1KB] [PDF 470KB] ( 498 )
56 王宏佳 杨明 牛里 徐殿国
永磁交流伺服系统电流环带宽扩展研究
在数字控制交流伺服系统中，制约电流环带宽的因素主要包括功率器件的开关频率和A/D采样时间、计算处理、PWM占空比更新等数字控制延时。开关频率的提高会带来开关损耗的增加，因此，在不改变功率器件开关频率的前提下扩展电流环的带宽很有必要。在同步旋转坐标系下的电流解耦控制基础上，分析了永磁交流伺服系统中电流采样和占空比更新方式产生的延时对电流环带宽的影响，并提出了带宽扩展策略，在一个载波周期内实现定子电流的双次采样和PWM占空比双次更新。在保持开关频率不变的情况下，理论上可扩展电流环带宽1倍以上，从而可以大幅提高永磁交流伺服系统的动态性能，仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和方法的有效性。
2010 Vol. 30 (12): 56-62 [摘要] ( 470 ) [HTML 1KB] [PDF 517KB] ( 578 )
电机与电器
63 周盛强 赵淳生 黄卫清
旋转型行波超声电机接触界面的空间域分析
由行波的时空对应关系，可以在空间域分析旋转型行波超声电机稳定工作的某一时刻定、转子的接触状态。将此接触状态的求解转化为静态分析问题，采用ANSYS的三维点点接触单元建立有限元模型。给出该模型的约束和载荷的施加方式，以及预压力与间距之间的关系。由该模型可以得到各向接触力和定、转子的速度分布，还可以得到接触界面的动力输出特性。进一步计算接触界面对定子的模态力，分析其对定子的影响。空间域模型可以将预压力作为已知条件施加，这便于分析预压力对旋转型行波超声电机的影响。与实验对比表明，该模型在驱动频率和定子振幅一定的条件下得出的计算值与实验值在一定预压力附近较为接近。
2010 Vol. 30 (12): 63-68 [摘要] ( 432 ) [HTML 1KB] [PDF 381KB] ( 329 )
69 岳盛奏 王晓琳 邓智泉 廖启新
单绕组无轴承永磁薄片电机缺相运行特性分析
针对无轴承永磁薄片电机因绕组或功率开关故障导致电机无法正常工作的问题，以六相单绕组无轴承永磁薄片电机为例，提出定子电流重构原则的缺相故障控制方法。该方法以电机的悬浮力和转矩数学模型为基础，结合功率最优约束条件，给出了更具通用性的定子电流缺相控制模型。通过对缺相后剩余定子电流及其产生的悬浮力脉动进行分析，得到可保证电机稳定运行的缺相形式，即任意一相绕组相邻两相和相对两相绕组故障可实现缺相控制，而对于相隔一个定子齿的两相绕组故障及缺相绕组个数大于2的故障形式无法实现缺相控制。最后，在一台原理样机上实现了任意一相和相对两相故障的缺相控制。
2010 Vol. 30 (12): 69-75 [摘要] ( 392 ) [HTML 1KB] [PDF 639KB] ( 323 )
76 许伯强 宋佳伟 孙丽玲
变频供电异步电动机转子断条状态下变频器一次侧特征电流分析

异步电动机变频调速系统已经广泛应用于工业生产之中。实现变频调速异步电动机转子断条故障的诊断，对保障安全生产、提高生产效率有十分重要的意义。目前，已经提出的转子断条故障诊断方法多是针对定子电流信号做频谱分析。然而，在变频调速异步电动机运行过程中易于测取的多是开关柜二次侧电流信号，即供电电流(变频器输入侧电流)信号。该文分析了异步电动机转子断条故障特征分量穿越变频器对供电电流信号的影响，基于定子电流频谱分析方法，分别对定子电流(变频器输出侧电流)和供电电流做频谱分析。仿真和实验结果显示，在供电电流信号中存在转子断条故障特征分量，进而可以据此实现变频供电异步电动机转子断条故障诊断。
2010 Vol. 30 (12): 76-79 [摘要] ( 382 ) [HTML 1KB] [PDF 190KB] ( 320 )
80 刘星桥 胡建群 周丽
自抗扰控制器在三电机同步系统中的应用
在分析三电机同步控制系统数学模型的基础上，提出了基于自抗扰控制器的三电机同步控制系统。利用扩张状态观测器的双通道补偿作用，统一观测系统的总扰动以及速度张力之间的耦合影响并加以补偿，使控制对象被近似线性化和确定性化；对自抗扰控制器(active disturbance rejection controller，ADRC)进行了优化，在保证较快的动态响应的前提下减小算法计算量，增强控制器的实用性。结合S7-300 PLC构建实验平台，进行了解耦特性、跟踪性能和抗负载扰动能力的测试实验。实验证明，该控制系统实现了速度和张力的解耦控制；具备了较好的动静态性能及较强的抗干扰能力；具有较好的鲁棒性。
2010 Vol. 30 (12): 80-85 [摘要] ( 376 ) [HTML 1KB] [PDF 325KB] ( 359 )
86 安群涛 孙立志 刘超 孙力
无刷直流电机的磁链自控直接转矩控制
结合无刷直流电机的特点，在分析传统脉宽调制电流控制的基础上，针对现有直接转矩控制中磁链估算和给定困难等问题，提出无刷直流电机的磁链自控直接转矩控制方案。该方案采用转矩滞环单环控制，根据转矩环输出和磁极位置决定施加的电压矢量，以实现磁链的自控制，省掉了磁链闭环，简化了系统。同时，系统能够有效地抑制非理想反电势和低速时电流换相引起的转矩波动。为准确估算电机转矩，在两相静止坐标系下采用滑模观测器观测电机反电势，进而计算转矩。仿真和实验结果表明，磁链自控直接转矩控制系统具有良好的转矩动态响应和稳态性能。
2010 Vol. 30 (12): 86-92 [摘要] ( 485 ) [HTML 1KB] [PDF 380KB] ( 381 )
93 戈宝军 吕艳玲
能量变换器失磁动态仿真分析
能量变换器是一种能直接并网的新型高压发电机。给出了一种基于Matlab/Simulink的能量变换器失磁动态仿真方法。通过在DJ18-1同步发电机上进行失磁动态仿真与试验，验证了动态仿真方法的正确性。利用该仿真方法，对能量变换器和传统发电机的失磁动态过程进行对比研究。仿真结果得出，能量变换器失磁故障后，由失步运行过渡到稳态异步运行比传统发电机用时短，故障电流远小于传统发电机，为能量变换器的实际运行提供了可靠依据。
2010 Vol. 30 (12): 93-97 [摘要] ( 437 ) [HTML 1KB] [PDF 242KB] ( 300 )
98 范坚坚 吴建华
计及齿槽极间隔断Halbach型磁钢的PMSM气隙磁场解析分析

提出将分块式Halbach磁钢的单片磁钢角度与充磁夹角作为分析参数，并利用气隙复数磁导，获得基于这2个参数的计及定子齿槽的永磁同步电机气隙磁场解析模型；系统分析这2个参数对电机径向气隙磁密的影响，提出一种性能优于传统Halbach型磁钢的极间隔断Halbach型磁钢新方案；对比分析了任意定转子相对位置与不同定子槽口宽时，极间隔断Halbach与传统Halbach型磁钢对应的径向气隙磁密基波幅值与波形正弦性畸变率，验证了该极间隔断Halbach型磁钢的优越性；有限元分析验证了解析模型的正确性，并验证了解析模型参数分析结论的正确性。
2010 Vol. 30 (12): 98-105 [摘要] ( 390 ) [HTML 1KB] [PDF 390KB] ( 426 )
106 翟国富 王其亚 程贤科 陈志君
电磁继电器动态特性快速算法及其在优化中的应用

电磁系统是电磁继电器的重要组成部分。针对电磁系统计算速度与准确性相矛盾的问题，综合磁路法的快速性和有限元法的准确性优点，提出一种用于电磁继电器动态特性计算的算法。该算法能够实现电磁系统尺寸参数变化后的继电器动态特性快速计算。在与有限元法计算结果对比、验证该方法计算结果准确性的基础上，采用遗传算法，以电磁系统几何尺寸为优化变量，以增大吸合过程触点分断速度、减小触点闭合速度为目标，对电磁继电器动态特性进行优化，并给出了优化结果。
2010 Vol. 30 (12): 106-110 [摘要] ( 502 ) [HTML 1KB] [PDF 240KB] ( 301 )
111 许爱国 谢少军 刘小宝
串联电容器动态电压均衡技术研究
介绍一种基于DC-DC变换器的新型串联电容器组电压均衡电路。该电压均衡电路从超级电容器组汲取能量，并且将这部分能量传递至电压最低的超级电容器单元，最终实现所有超级电容器组单元的电压均衡。与现有的电压均衡策略相比，提出的电压均衡电路能够实现超级电容器组单元的自动均压，不需要庞大的电压检测电路和复杂的控制电路，而且功率变换器实现了零电压零电流开关，可实现高效率和小体积。还给出新型电压均衡电路的参数设计方法，分析其工作特性。实验结果证明了该均衡电路的优良的动态和稳态均压性能。
2010 Vol. 30 (12): 111-116 [摘要] ( 429 ) [HTML 1KB] [PDF 382KB] ( 407 )
电工理论与新技术
117 张卫东 邢悦 崔翔
电力线通信网络电磁辐射近场测量系统
为了解决低压高速电力线通信(power line communication，PLC)网络电磁辐射准确测量的问题，研制一套基于球形探头的近场电场测量系统。从理论上分析球形探头的场强变换原理，设计测量系统，并获得了变换因子的表达式。研究进一步提高测量系统灵敏度的方法，设计高输入阻抗的电压跟随电路。通过大量的试验进行验证，得到了测量系统在1~30 MHz频率范围内所能测量PLC网络电磁辐射场强的范围，研究表明，在现有PLC网络电磁辐射限值下，该近场电场测量系统能够满足测量要求。
2010 Vol. 30 (12): 117-121 [摘要] ( 476 ) [HTML 1KB] [PDF 314KB] ( 343 )
122 唐良瑞 左琪
基于超混沌系统的正交频分复用时频同步算法
针对低压电力线信道噪声干扰强、多径衰落严重，而传统同步算法保密性弱、小数倍载波频偏估计易受多径衰落影响的缺点，提出一种适合于低压电力线通信信道的正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)时频同步算法。将超混沌系统生成的混沌序列用于构造同步训练序列，提出新的定时偏差估计和小数倍频偏估计的算法，在延续循环移位的思想的基础上完成整数倍频偏估计。理论分析表明，混沌系统对初始值的敏感性与所提出的算法相结合，可极大地增强系统的保密性。仿真结果表明，所提出的定时偏差估计准确率高、频偏估计性能更优，能有效地对抗低压电力线通信信道的强噪声和多径衰落。
2010 Vol. 30 (12): 122-128 [摘要] ( 426 ) [HTML 1KB] [PDF 341KB] ( 322 )
 
 
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