抢鲜看｜《电工技术学报》2022年第2期目次及摘要

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《电工技术学报》是中国电工技术学会主办的电气工程领域综合性学术期刊，报道基础理论研究、工程应用等方面具有国际和国内领先水平的学术及科研成果。中国工程院院士马伟明任《学报》编委会主任，兼《学报》主编。

电工理论

环氧/POSS复合电介质介电与热学性能

作者：李鹏新；崔浩喆；邢照亮；郭宁；闵道敏

摘要：研究缩水甘油基-笼型聚倍半硅氧烷（G-POSS）对环氧树脂（EP）介电性能与热学性能的影响和作用机理。实验制备G-POSS质量分数在0%、0.5%、1%、2%、3%和5%的环氧/POSS复合电介质试样。测试和研究G-POSS质量分数对环氧/POSS复合电介质相对介电常数、交流击穿场强、玻璃化转变温度等的影响。当G-POSS质量分数较低时,环氧/POSS复合电介质性能随G-POSS质量分数增加而不断提高;在G-POSS质量分数达到2%时,复合电介质各项性能均得到较大程度的提升;当继续增加G-POSS质量分数时,环氧/POSS复合电介质的性能开始下降,甚至劣于纯环氧试样。分析认为,G-POSS与环氧基体间形成的大量交联网状结构对环氧/POSS复合电介质性能的影响巨大。

基于R-L型分数阶导数与损耗统计理论的铁磁材料高频损耗计算方法

作者：陈彬；秦小彬；万妮娜；唐波

摘要：传统损耗统计理论对铁磁材料的高频损耗预测误差较大且存在过高估算的问题。为此,该文首先考虑高频条件下磁通密度不均匀分布对磁滞损耗的影响,提出基于有限单元剖分法的磁滞损耗计算方法。然后基于R-L型分数阶导数对传统损耗统计理论中的涡流场和涡流损耗计算式进行改进,并引入量子遗传算法对分数阶导数模型中阻尼系数和导数阶次进行全局寻优。在上述磁滞损耗、涡流损耗模型以及参数提取方法的基础上,提出适用于宽频率、宽磁通密度范围的改进型损耗统计方法。最后采用爱泼斯坦方圈测量了3% Si-Fe超薄取向硅钢片在10Hz~10kHz频率范围的损耗,将理论计算值与实验测量值进行对比,结果表明,所提方法在整个频段内的最大平均相对误差为9.14%,最小平均相对误差为2.13%,相比于传统损耗理论,损耗预测精度大大提高,验证了该文方法的有效性。

XLPE/SiO2纳米复合材料长期直流老化特征寿命恶化分析

作者：雷伟群；刘冠芳；耿涛；乌江；郑晓泉 等

摘要：为了研究纳米SiO2改性后的交联聚乙烯（XLPE）在直流电场下的长期老化规律,该文对纯XLPE和XLPE/SiO2纳米复合材料的老化性能进行对比研究。首先在不同直流电压下分别对两种材料进行老化实验,发现XLPE/SiO2纳米复合材料在电场较高时的确具有较纯XLPE更优异的耐电特性,但随着施加直流电场的降低,XLPE/SiO2纳米复合材料的特征寿命与纯XLPE的越来越接近,直到该文测试的最低直流电场强度115kV/mm（特征寿命1000h以上）,XLPE/SiO2纳米复合材料的特征寿命已低于纯XLPE。对比分析XLPE/SiO2纳米复合材料和纯XLPE老化数据显示,纳米复合材料的寿命指数低于纯XLPE。该文直流老化研究结果表明,尽管XLPE/SiO2纳米复合材料的短期电性能指标优于纯XLPE,但长期直流老化性能会比纯XLPE差。

电机及其系统

永磁同步电机匝间短路故障温度场分析

作者：谢颖；胡圣明；陈鹏；马泽新

摘要：匝间短路是一种常见的电机绕组故障,会导致定子绕组电流增大、电机局部过热,长期在这种环境下运行,温度升高使得电机性能下降,造成经济损失。该文以一台3kW永磁同步电机为例,研究匝间短路故障对永磁同步电机各部件温度的影响。基于电机参数建立三维等效热模型,绝缘材料被等效为绝缘层,将机壳沿轴向分段,根据风速在机壳表面施加不同边界条件,考虑永磁体涡流损耗和接线盒散热的影响,利用有限元方法分别计算正常和匝间短路故障情况下的电机温度场分布。通过对电机绕组重新下线,合理设计并搭建实验平台,测得永磁同步电机关键位置点的温度,将匝间短路故障前后的温升数据进行比较分析,得到故障前后电机温度分布的变化规律以及局部过热位置,同时为诊断和预防匝间短路故障提供依据。

基于虚拟电压注入的闭环磁链观测器的感应电机无速度传感器矢量控制系统

作者：王震宇；孙伟；蒋栋

摘要：多年来,感应电机无速度传感器矢量控制系统在低同步转速区域的不稳定问题一直没有得到解决。该不稳定问题由系统状态变量不能观、极点分布不稳定以及电机参数鲁棒性弱共同导致。当且仅当三个问题被同时解决时,低同步转速区域的不稳定问题才能够得到解决。该文以经典的闭环磁链观测器为基础,采用虚拟电压注入法改进其低速稳定性。与传统高频/低频信号注入法不同,虚拟电压注入法不在电机中注入信号,而是在观测器中注入虚拟电压。虚拟电压注入能同时解决系统状态变量能观性、极点分布稳定性和电机参数鲁棒性问题,最终实现系统在低同步转速区域的稳定运行。

基于自适应滤波器在线解耦的磁场增强型永磁电机无位置传感器控制

作者：阙鸿杰；全力；张丽；徐磊；朱孝勇

摘要：针对磁场增强型永磁电机在零低速无位置传感器控制时,突出的次级凸极性谐波影响,以及位置观测振荡问题,该文提出一种基于自适应滤波器（ANF）在线解耦的无位置传感器控制算法。分析传统高频注入位置观测中转速及转子位置振荡的机理,以及多重凸极性耦合对高频信号注入观测的影响。在此基础上,构建自适应滤波器,对于特定次谐波进行在线解耦,消除了谐波影响,降低了次级凸极性影响,提高了磁场增强型电机无位置传感器控制驱动系统的低速位置估算精度。最后,建立磁场增强型电机新型无位置传感器矢量控制调速系统,实验结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。

稳态性能改善的双三相永磁电机直接转矩控制

作者：黄林森；赵文祥；吉敬华；薛瑞

摘要：传统直接转矩控制的双三相永磁电机存在电流谐波含量高、磁链脉动和转矩脉动大的缺点。为改善双三相永磁电机稳态性能,该文提出虚拟电压矢量集的新型占空比调制直接转矩控制。首先,电压矢量集由传统的12个基本电压矢量拓展到24个虚拟电压矢量,通过虚拟电压矢量实现对谐波平面的控制,减小谐波电流;再通过增加矢量个数减小磁链的控制误差,达到降低磁链脉动的目的。其次,分别定义用于动态工况和稳态工况的开关表及占空比的计算方法,稳态工况的开关表和占空比计算可减小稳态时的转矩脉动,动态工况的开关表和占空比计算用于保证系统的动态响应。最后,通过实验验证所提控制算法的可行性。

采用无差拍电流跟踪的五相梯形反电动势永磁电机开路容错控制

作者：陈前；夏雨航；赵文祥；刘国海

摘要：在开路故障下,为了利用五相梯形反电动势永磁电机的3次谐波反电动势,需注入3次谐波电流。此时,静止坐标系下的容错参考电流为交流量,传统比例积分控制器由于带宽的限制,难以准确跟踪交流容错电流,维持系统的平稳运行。为此,该文提出采用无差拍电流跟踪的新型容错控制策略。首先,根据故障后转矩脉动为零的原则获取故障后的容错参考电流,使电机在故障情况下仍能输出平滑的转矩;其次,以欧拉离散的方法构建单相开路、两相开路故障状态下电机的离散模型,利用无差拍方法追踪交变的容错参考电流,为载波脉宽调制提供准确的参考电压;最后,构建驱动实验平台,实验验证所提控制策略的有效性。

电力电子

CLTLC多谐振变换器的磁集成方法

作者：王议锋；刘瑞欣；韩富强；孟准

摘要：基于印制电路板（PCB）绕组及平面变压器技术,提出一种仅包含单一磁件的磁集成设计方案,可有效解决多谐振变换器中磁性元件数量过多的问题,并将其成功应用到CLTLC多谐振变换器中。该变换器的所有磁性元件,包括两个谐振电感和两个高频变压器,都可集成到EIE型磁心结构中。为实现变压器励磁电感和漏感的解耦控制,利用矩阵变压器思想和绕组不均匀分布设计,在磁心的中柱引入一定气隙,可得到一种新型E型磁心结构。另外,基于该结构,建立变压器的磁阻模型,从数学角度对所提磁集成方案进行论证。同时,给出最终的磁集成设计方案。最后,建立一台额定功率为1kW的CLTLC多谐振变换器样机,并进行了相关实验。实验结果验证了所提磁集成设计方案的可行性和有效性,变换器的最大效率可达96.45%。

附加LC的正反激组合变换器辅助电感最佳工作模态及LC参数优化设计

作者：刘树林；王航杰；胡传义；张海亮；王斌

摘要：为减小正反激组合变换器的输出电压纹波,提出一种附加LC的正反激组合变换器。依据附加LC的电压电流波形,分析所提出正反激组合变换器的工作原理及能量传输过程,得出使得辅助电感电流不发生倒流且确保正激电感和辅助电感的叠加电流纹波最小的最佳工作模态。分析工作于最佳工作模态下的输出纹波电压,指出其随辅助电感的减小而减小;在给定输入电压和负载变化范围内,推导出正激电感分别工作于连续导电模式（CCM）和不连续导电模式（DCM）时使得辅助电感电流不发生倒流的临界条件,据此提出一种辅助电感和电容的优化设计方法。实例及实验结果验证了理论分析的正确性及所提出优化设计方法的可行性。

燃料电池用交错并联型Boost变换器参数综合设计方法

作者：马小勇；王议锋；王萍；孟准

摘要：以燃料电池用交错并联型Boost变换器为研究对象,该文提出一种兼顾效率与功率密度的参数综合设计方法。首先对比单支路运行和多支路交错运行的电压及电流纹波,引入纹波抑制比量化交错并联对纹波的影响,从而建立变换器整体纹波要求与支路参数的对应关系,以此为基础进行参数设计。在参数设计过程中,以开关频率fs、电感电流纹波ΔIL以及电感磁心半径r为自变量,进行损耗建模和无源器件体积建模。以变换器损耗小于设定值为约束条件,以无源元件体积和最小为目标,优选最佳参数。在此基础上,进行电容取值和电感设计,进而实现兼顾效率和功率密度的设计目标。最后,通过仿真及搭建40kW实验样机,验证了理论分析的正确性和参数设计方法的可行性。

一种混合模块型直流变压器冗余设计及控制策略

作者：张航；李子欣；高范强；赵聪；徐飞

摘要：针对移相-谐振双有源桥（PS-SRDAB）混合型直流变压器（DCT）,该文提出一种热备用冗余设计及其控制策略。为提高该类DCT内部谐振双有源桥（SRDAB）单元运行可靠性,将所备用的移相双有源桥（PSDAB）与其并联连接。在正常运行时,SRDAB与备用PSDAB单元同时工作,并通过控制高压侧电容电压实现两类模块内部传输能量配比。若SRDAB出现如过电流、过电压、过温等故障,对其进行闭锁后热备用PSDAB将承担模块全部功率。该文分析采用冗余设计时混合模块化直流变压器（HMDCT）的工作原理及运行特性,建立系统动态小信号模型,同时研究在采用传统电压闭环控制策略时的运行稳定性。利用所搭建的实验原理样机验证了所提出的冗余设计及控制策略的有效性。

支撑电容可分离的直流变压器短路故障电流限流控制方法

作者：卓超然；张笑天；张雄；杨旭

摘要：直流配电系统因线路阻抗低,线路短路故障时电流上升率高,会造成电流限流困难及线路设备二次恢复运行速度慢等问题。该文针对直流配电网中目前存在问题进行分析,提出一种主动控制实现的电力电子变压器短路电流限流新方法。通过对电力电子变压器电路拓扑的改进,并辅以相应的输出电流主动控制方法,实现在发生直流短路故障时切除变压器内部的支撑电容,使该储能元件中的能量不再对线路产生冲击大电流。同时,该方法可对电流实现快速跟踪控制,以满足新能源发电设备实现低电压穿越时的电流控制需要。最后通过仿真和硬件在环实验验证了该文所提方法的正确性。

基于相电流瞬时频率估计的永磁直驱风电变流器开路故障诊断

作者：许水清；陶松兵；何怡刚；柴毅

摘要：为了提高永磁直驱式风电变流器的稳定性和可靠性,该文针对风电变流器功率管单管和双管故障,提出一种基于相电流瞬时频率估计的开路故障诊断方法。该方法首先提出一种基于加权滑动Hilbert变换的相电流瞬时频率估计方法,然后通过归一化的相电流瞬时频率残差来构造新的故障检测变量检测故障的发生;其次提出基于改进相电流均值法的多功率管开路故障定位方法实现故障功率管的定位。该文提出的故障诊断方法能够同时实现机侧和网侧的21种开路故障诊断,且避免增加额外的传感器,无需使用Park矢量变换和大量故障样本,故障特征更为显著、鲁棒性强。实验结果验证了所提故障诊断算法的有效性和鲁棒性。

多电飞机用燃料电池-蓄电池-超级电容混合供电系统的高可靠动态功率分配技术

作者：宋清超；陈家伟；蔡坤城；陈杰

摘要：供电可靠性作为评价多电飞机电力系统性能的关键指标,关乎飞行安全,其重要性不容忽视。针对多电飞机用燃料电池-蓄电池-超级电容混合供电系统动态功率分配技术存在的成本高、可靠性低、灵活性差等弊端,该文基于改进混合下垂控制方法,提出一种高可靠的分散式动态功率分配策略,实现脉动负荷功率在供电单元间优化分配、储能单元荷电状态调节和再生能量回收。在某一供电单元因故障而退出系统后,该策略仍能实现负荷功率在其余供电单元间的动态分配,确保关键负荷的供电。最后通过实验验证了所提方法的有效性和可行性。

高电压与放电

放电电压对镁-铝磁脉冲焊接中金属射流及结合界面的影响

作者：周言；李成祥；杜建；王现民；姚陈果

摘要：近年来,磁脉冲焊接技术凭借其在异种金属焊接中的独特优势展现出广阔的应用前景。放电电压是磁脉冲焊接过程中重要的电气参数,而金属射流可清理工件表面的污秽和氧化层,促进金属的冶金结合。为探究放电电压对金属射流及结合界面的影响,该文对放电电压与金属射流特征、结合界面形貌之间的内在联系进行理论分析,并建立镁-铝磁脉冲焊接综合实验观测平台,捕捉到完整的金属射流轨迹。结果显示,当放电电压从13kV提高到16kV时,碰撞速度从403.12m/s提高到了498.49m/s,对碰撞角度无明显影响;金属射流持续时间从31.02μs增加到47.94μs,且射流强度也逐渐增强。金相显微镜测试结果表明,放电电压为14kV、15kV、16kV时,镁-铝结合界面呈现波纹界面,且波幅不断增大,结合区域宽度分别为1.27mm、1.35mm、1.77mm。放电电压通过碰撞速度、碰撞点速度、碰撞压力及碰撞后剩余能量改变金属射流特征及结合界面形貌从而影响焊接效果。该文可为深入研究磁脉冲焊接机理、提高焊接效果提供有力参考。

缺陷对交流1100kV GIL三支柱绝缘子电场分布影响的仿真

作者：刘鹏；吴泽华；朱思佳；徐家忠；刘庆东 等

摘要：缺陷及导电微粒会严重畸变气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）用三支柱绝缘子的电场分布,甚至引发击穿、放电故障。该文分析特高压（UHV）GIL内可能存在的缺陷及来源,应用有限元仿真软件COMSOL研究了界面缺陷、内部气泡和导电颗粒对三支柱绝缘子电场分布的影响。结果表明,嵌件界面剥离和中心导体气隙对绝缘子电场分布有着相似的影响规律,其延伸长度越长,缺陷宽度越窄,则绝缘子表面最大电场强度越高。内部气泡对电场分布的影响与尺寸基本无关,但与其位置相关,越靠近金属嵌件对电场的影响越严重。附着导电颗粒会显著增强周围电场,其尺寸越大、电场畸变的范围越大,但对最大电场强度值影响较小;悬浮导电颗粒的尺寸越大,距离三支柱绝缘子表面的垂直距离越小,在三支柱绝缘子表面引发的电场畸变越严重;电场强度最大值随着导电颗粒靠近绝缘子腹部中心而增大。此外,所研究的几类缺陷中,附着导电颗粒对三支柱绝缘的危害最大,其次为界面缺陷。

油流速度对含气泡变压器油击穿特性的影响

作者：张永泽；唐炬；潘成；骆欣瑜；姚雨杭

摘要：变压器油中不可避免地存在气泡,使其绝缘性能大幅下降。由于强迫油循环或温差热对流的作用,变压器内部的绝缘油始终处于流动状态,油道中的气泡会随油流而运动,目前流动状态下含气泡变压器油的击穿机理尚不清楚。为了探究油流速度对含气泡变压器油击穿过程的影响,该文搭建流动变压器油循环装置及放电观测平台,开展大量不同流速条件下的击穿实验,同步采集放电信号、外施电压信号及击穿影像。结果表明,根据预击穿阶段气泡行为的差异,击穿类型可以分为三类;流动状态下含气泡变压器油的工频击穿电压始终高于静止状态,随着油流速度的增大,击穿电压呈先上升后基本保持稳定的趋势;油流速度通过改变气泡破裂所形成微气泡群的排布以及气泡“尖端”的发展方向对击穿电压有影响。

考虑初始接触压力的滑动电接触界面磁扩散模型

作者：张嘉炜；鲁军勇；谭赛；张永胜；李白

摘要：该文提出一种考虑初始接触压力的磁扩散模型分析电磁轨道发射装置中的磁感应强度、电流密度、焦耳热、电磁力分布、趋肤深度随时间的演变。该模型分析枢轨接触状态对接触面导电特性造成的差异,从而得到不规则电枢形状、驱动电流波形条件下的多场分布。计算结果表明,过盈量为1mm时,实际接触区域处于理论接触区域的中段,而电流初始聚集在实际接触区域的枢尾一端,随后向电枢头部移动。分析其他四种接触电导分布情况发现,在实际接触区域由压力造成的导电性能差异不会主导电流的分布。电流由于趋肤效应,在轴向距离电枢越近的导轨趋肤深度越浅,模型计算结果与理论公式比较误差较小,且斜坡电流的趋肤效应比阶跃电流更明显。该研究可以为电枢转捩、趋肤效应、电枢结构优化提供研究方向,为三维多场计算奠定基础。

紧凑化正交可控电抗器电感调节特性

作者：袁佳歆；陈凡；柯焰明；郑先锋；张朝阳

摘要：正交可控电抗器具有谐波含量低、电感变化较为线性的优点,在电能治理等领域有广泛的应用前景。针对传统正交可控电抗器电感可调范围小和空间占地多等问题,该文提出“十字型”和“丰字型”两种紧凑化正交可控电抗器。首先,通过电磁理论分析,建立紧凑化正交可控电抗器的电路磁路模型;其次,建立有限元仿真模型并得到其电感调节特性;最后,研制两台220V正交可控电抗器样机,并搭建实验平台进行电感调节特性测试。仿真和实验结果表明,相较于传统模型,在相同材料用量的情况下,该文所提出的“十字型”正交电抗器拓扑空间占用减小了53.7%、电感调节范围增大了1倍,“丰字型”拓扑则将电感调节范围增大了1.93倍。此外,正交拓扑还实现了控制绕组和工作绕组的解耦。

计及作动器时滞的高速铁路受电弓最优控制

作者：谢松霖；张静；宋宝林；刘志刚；高仕斌

摘要：随着列车运行速度的提高,受电弓与接触网系统之间的耦合振动加剧,导致接触力波动加大,恶化高速列车的受流质量,影响了高速列车的安全稳定运行。受电弓的主动控制能够降低接触力的波动,保证高速列车的稳定受流,但在受电弓主动控制中,存在作动器时滞的问题。针对该问题,提出一种考虑作动器时滞的控制策略来降低接触力的波动。采用鲁棒自适应无迹卡尔曼滤波的估计方法,获取噪声时变环境下的受电弓状态信息;将弓网接触力、受电弓弓头加速度和弓头位移作为测量状态,构建控制性能输出函数;引入估计器,分析作动器时滞问题,设计最优控制器;采用非线性受电弓-接触网模型,验证了控制器的有效性和受电弓参数摄动下的鲁棒性。研究结果表明,即使受电弓存在作动器时滞问题,设计的控制器也能显著降低接触力的波动;并且在受电弓参数摄动的影响下,控制器能够保证良好的鲁棒性。

基于响应面法的交流接触器弹簧系统优化设计方法

作者：唐昭晖；许志红

摘要：交流接触器是一种频繁操作的开关电器,其运动过程中的吸反力配合直接影响可靠性和性能指标,良好的吸反力配合能减少触头弹跳、提高分断特性。在此过程中,交流接触器的弹簧系统发挥着关键作用。针对交流接触器弹簧系统的多目标优化问题,提出一种动态过程的电磁-机械耦合仿真方法和弹簧实体仿真方法,在此基础上引入基于灰色关联法和响应曲面法的综合优化方法,建立触头弹跳时间、触头刚分速度、触头闭合速度、铁心闭合速度与触头弹簧自由高度、触头弹簧有效圈数、反力弹簧自由高度和反力弹簧有效圈数的二阶预测模型,对弹簧系统进行优化设计。实验结果表明,该优化方法获得的弹簧系统参数能有效减小触头弹跳时间,降低触头及铁心的闭合时间,提高触头分断速度,对于提高交流接触器的工作性能具有积极意义。

基于Wiener过程电子式漏电断路器的剩余寿命预测

作者：刘帼巾；李想；王泽；岳承浩

摘要：对高可靠性、长寿命的电子式漏电断路器建立基于Wiener过程的剩余寿命预测模型并对其进行可靠性预测。首先对电子式漏电断路器进行以温度为加速应力、剩余动作电流值为退化特征量的恒定应力加速退化试验,根据试验数据描述其性能退化轨迹,分析性能退化规律;然后对加速退化试验数据进行正态分布检验,验证其符合Wiener过程,利用极大似然估计的方法,对剩余寿命预测模型进行参数估计,预测出漏电断路器的剩余寿命;将漏电断路器初始时刻的剩余寿命作为伪失效寿命,外推出漏电断路器在正常应力下的使用寿命大约为2085天。

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