抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第14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
基于PSO-Powell混合算法的软磁复合材料二维矢量磁滞特性模拟
作者：赵小军；徐华伟；刘小娜；李永建；杜振斌
摘要：针对经典矢量Preisach模型仅能模拟各向同性磁滞特性的缺陷,提出改进的矢量磁滞模型。通过引入幅值与方向角的关联参数改善磁场强度的曲线形态,使模型能够考虑软磁材料的各向异性特征。利用矢量磁特性实验平台对软磁复合材料（SMC）在二维旋转磁化激励下的磁特性进行测量,根据测量的极限磁滞回线,分别构造标量和矢量Everett函数。提出基于粒子群（PSO）和Powell方向加速的组合优化策略,显著改善PSO的局部寻优能力,提高计算效率和精度,进而实现矢量Preisach磁滞模型的高效参数辨识。矢量磁滞特性的仿真结果与测量结果相吻合,验证了该文所提改进矢量磁滞模型及其参数辨识方法的有效性。
基于双向电磁力加载的管件电磁翻边理论与实验
作者：张望；王于東；李彦涛；杨新森；邱立
摘要：为克服传统单一径向电磁力翻边过程中翻边角度难以达到90°的缺陷,该文提出一种基于轴-径双向电磁力加载模式的电磁翻边系统来改善管件的翻边效果。仿真数据表明,与仅有径向线圈的电磁翻边系统相比,双向电磁力翻边系统中引入的强轴向电磁力在很大程度上增强了材料的轴向流动,进而提升了翻边角。此外,基于特定的铝管（AA6061-O）进行了对比实验,验证了该电磁翻边方法的有效性。实验结果表明,相同条件下基于双向电磁力加载管件电磁翻边方法的翻边角度是传统单线圈翻边模式下的3倍。显然,电磁力施加方式的改进能有效地解决管件电磁翻边存在的问题,促进电磁成形技术在工业上的广泛应用。
不可逆电穿孔多因素动态电导率模型的研究与分析
作者：唐潇；姚陈果；郑爽；刘红梅；董守龙
摘要：不可逆电穿孔肿瘤治疗技术以其独特的非热、可控及微创等特点引起学者的广泛关注。运用准确的术前仿真模型预估消融疗效是实现精准治疗的重要手段,其中组织电导率动态变化的数值表达是准确描述组织内部电场分布的关键。该文在传统电导率模型仅考虑脉冲电场强度及温度影响的基础上,以马铃薯组织为研究对象,运用平行板电极对该组织的电导率进行测量,表征不可逆电穿孔多脉冲累积作用下组织电导率的动态发展规律,并建立随脉冲电场强度、脉冲数目及温度变化的多因素电导率模型。基于建立的数值模型,在针电极施加500V、700V及1 000V电压下,流经组织的电流模拟值与实验实测值相对误差平均值低于4%,远小于传统电导率模型与实验电流的误差,验证了模型的准确性。因此,该文提出的电导率多因素模型能够更加准确地描述多脉冲作用下的组织状态变化,为不可逆电穿孔肿瘤术前精准治疗计划的制定奠定理论基础。
电机及其系统
多电机同步运动控制技术综述
作者：叶宇豪；彭飞；黄允凯
摘要：多电机同步控制的系统在工业和生产中得到大量的运用,其控制结构与控制策略极大地影响着生产的质量与效率。针对不同的实际应用场景,学者们提出了诸多具体的同步控制方案,对双电机乃至多电机集群系统同步控制的响应速度、同步精度与鲁棒性等方面的研究已成为热点。该文参阅近年来国内外学者对同步控制做出的大量研究,综述典型的同步控制方法,包括交叉耦合、相邻耦合、偏差耦合等控制结构,在仿真的基础上对比三者性能指标的差异,整理基于各个控制结构的控制策略与优化完善,归纳出目前主要面临的研究难点与现有解决方案,最后对多电机同步运动控制技术的发展给出总结与展望。
两极永磁电机静态内外磁场研究
作者：饶凡；吴旭升；高嵬；李达
摘要：考虑永磁电机对环境磁场影响,对静止时两极平行充磁的永磁电机进行理论建模,提出永磁电机内外各个域（转轴、永磁体、气隙、定子铁心、环境）的磁场理论模型,分析磁场分布规律,并利用有限元和实验进行验证。对永磁电机环境磁场分析、地磁测量设备的磁场补偿、外部漏磁优化具有一定的参考意义。
不同转子极数下磁场解耦型双定子开关磁阻电机的研究
作者：闫文举；陈昊；马小平；程鹤
摘要：开关磁阻电机具有可靠性高、成本较低、高效平台较宽等优点,但其转矩脉动大、功率密度低的固有缺点严重限制了其在电动汽车领域的应用推广。为了解决上述问题,该文提出一种磁场解耦型双定子开关磁阻电机新结构,内外定子均采用U型分块结构,通过优化内外定子磁场的极性分布,使内外定子磁场解耦;在此基础上,通过转子内外齿错开一定机械角度降低转矩脉动。首先介绍新型电机的工作原理及其设计方法;然后综合比较两种不同转子极数下的静、动态运行性能;最后试制一台4相16/18/16结构的样机,通过实验验证其工作原理的实际可行性和两种电机性能比较的正确性,为新型电机在电动汽车驱动系统领域的推广应用奠定一定的理论基础。
基于结构参数分级优化的电机电磁噪声抑制
作者：罗玉涛；卢若皓
摘要：通过优化结构参数以抑制车用驱动电机电磁噪声的关键问题在于不降低电机输出性能时,如何对繁多的结构参数进行有序、高效和有效的优化。对此,以影响电磁噪声与输出性能的径向电磁力与电磁转矩模型为优化目标,通过基于多项式拟合的关键系数对结构参数进行敏感性分析、筛选与分级。在此基础上综合多目标遗传算法、响应面法以及下降单纯形法对结构参数进行分级优化并对优化结果的全局性进行验证。在相同优化环境下,优化的效果、效率与方法适应性相较于单级优化均有所改善。结构声学仿真表明,分级优化后电磁噪声强度得到抑制且声品质得以改善。
基于PID型代价函数的永磁同步电机模型预测电流控制
作者：陈卓易；屈稳太
摘要：有限集模型预测控制（FCS-MPC）存在控制性能依赖于模型参数准确度的问题。为此,在永磁同步电机FCS-MPC电流控制场合,提出一种比例-积分-微分（PID）型代价函数,包括用以消除稳态电流误差的积分误差代价和具有降低电流方均根误差功能的微分误差代价。在PID型代价函数概念中,可将传统的给定跟踪型代价函数归类为比例误差代价。实验结果证明,采用PID型代价函数的FCS-MPC,能在较大参数变化范围将平均控制误差降为零,并抑制电流纹波,降低FCS-MPC对模型参数的依赖性,同时保留FCS-MPC动态响应快的优点。
新型盘式横向磁通永磁无刷电机的结构原理及设计优化
作者：张文晶；徐衍亮；李树才
摘要：伺服电机是工业机器人的执行驱动装置,目前普遍采用表贴式永磁同步电机,但是该类型电机的轴向绕组端部以及较高质量的转子无法进一步满足工业机器人小型化以及高动态性的要求。该文提出一种应用于工业机器人的新型盘式横向磁通永磁无刷电机（DTFM）,通过节省绕组轴向端部以及结合工业机器人的具体要求对电机内部空间进行合理设计,可以有效减小电机体积;另外,电机转子采用小体积、低质量的盘式结构可以提升电机的动态性能。首先,给出这一新型DTFM的结构和原理;其次,对DTFM的功率方程及主要尺寸进行理论推导,得到该种电机的初步设计方案,基于此,分析电机的结构参数变化对电机性能的影响;再次,提出一种新型优化方法——神经网络与多目标粒子群算法相结合的优化策略,对该种电机进行优化设计研究;最后,设计制作DTFM样机进行实验,验证电机性能的优越性。
基于多耦合特性的整体支撑式超高速微型永磁电机设计
作者：高起兴；王晓琳；顾聪；刘思豪；李定华
摘要：基于超高速微型永磁电机（UHSMPMM）受多物理场特性制约的问题,该文对超高速微型永磁电机支撑系统、电磁（热）设计、结构强度及动力学等方面进行综合设计研究。首先,结合超高速微型永磁电机的工作特性及微型转子结构特点设计整体式支撑系统及电机整机架构;其次,研究高频条件下的电磁-损耗-温升特性,其中重点分析温升特性对转子结构强度的影响,并给出基于温度场耦合下的超高速转子结构强度关键参数的优化方法;再次,探究整体支撑系统中转子临界转速的影响因素及变化规律;最后,依据多耦合特性分析及优化结果,研制一台550 000(r/min)/ 110W原理样机,并对样机进行实验测试。结果显示,该样机实现了稳定运行,从而证明了所提设计方法的有效性。
电力电子
基于模式切换的舰船逆变器并网策略
作者：卜乐平；欧阳继能；王黎明；刘小虎
摘要：随着舰船综合电力系统的发展,可通过舰船动力调度中心控制逆变器和船舶辅助发电机并网,以保证舰船低压设备的供电。在舰船综合电力系统的逆变器、交流发电机并网过程中,为确保舰船低压电网在电源切换过程中的稳定性,该文提出逆变器控制模式切换与辅助发电机同期并网相结合的控制策略,通过能量管理系统对逆变器、发电机进行控制,解决了船用逆变器与辅助发电机并网过程的稳定控制与功率分配问题。通过11样机物理实验,验证了该控制策略的有效性与可靠性。
基于控制载波自由度的级联H桥逆变器改进型PWM技术
作者：叶满园；任威；李宋；魏麒文；宋桂智
摘要：随着级联H桥（CHB）多电平逆变器输出电压与功率等级的增加,提高载波移相脉宽调制（CPS-PWM）策略下直流侧电压利用率以及改善低调制度时谐波性能比较差的问题具有重要的意义。通过对正弦波脉宽调制（SPWM）以及梯形波脉宽调制（TPWM）原理及输出电压特性的分析,该文提出一种基于控制载波自由度的改进型CPS-PWM策略,该策略基于移相载波自由度,通过周期性的循环改变三角载波的排列方式,利用改进的多载波代替原CPS-SPWM中的三角形载波进行调制,从而可以显著地提高输出电压的直流电压利用率;又能在实现各级联单元功率均衡的条件下,降低输出电压总畸变率,有效地改善低调制度时的谐波性能,且各单元开关频率和损耗相同,同时各开关管工作应力也相同,因此提高了系统的可靠性。该文给出改进型CPS-PWM策略输出电压基波幅值和功率均衡分析,同时列举三种策略并进行比较,并对该文所提策略进行仿真与实验的验证。
交错控制双输入Boost变换器的能量传输模式及输出纹波电压分析
作者：皇金锋；韩梦祺
摘要：多输入Boost变换器较传统并联方式工作的Boost变换器而言,具有体积小、成本低、增益高、控制方式灵活等优点,因此在新能源联合分布式发电系统中具有广阔的应用前景。但由于多输入Boost变换器存在多个输入电压及功率开关管,导致其供能模式及输出纹波电压较传统Boost变换器要复杂得多。为给多输入Boost变换器的分析和设计提供正确的理论指导,该文对采用交错控制的双输入Boost变换器供能模式及输出纹波电压进行深入研究。研究结果发现,电感L1存在完全电感供能模式（CISM）、不完全电感供能模式（IISM）和断续导电模式（DCM）三种供能模式;电感L2存在连续导电模式（CCM）和DCM两种供能模式。推导出各供能模式的临界电感,得到各供能模式的输出纹波电压解析式,据此给出双输入Boost变换器参数设计方法。实验结果验证了该理论分析的正确性。
高电压与放电
基于Levene检验的航空交流串联电弧故障检测
作者：崔芮华；佟德栓
摘要：航空电弧故障直接影响着航空飞行的安全,这一问题越来越受到重视,其中,交流串联电弧故障更隐蔽,造成的危害更大。该文基于航空115V/400Hz交流系统开展串联电弧故障模拟实验,并对检测方法进行了研究,鉴于目前统计学方法的局限性,提出用Levene检验对实验电流信号进行分析并提取特征量。Levene检验是分析两组及以上数据的方差齐性,从而找到正常和电弧故障情况的明显差异,与常见统计学方法峭度、偏态指标和相关系数利用粒子群算法优化的支持向量机进行识别准确率测试。结果表明,该方法的效率高于其他三种,并采用测试负载验证了其有效性。由此,在识别航空串联电弧故障时,Levene检验方法有较好的实时性和适用性,易于设定阈值,具有重要的工程应用价值。
一种快速储能式直流限流器拓扑的电气参数分析
作者：陈鹤冲；袁佳歆；许顺凯；陈凡；张哲维
摘要：传统饱和铁心型故障限流器在开断时反向过电压较高,而耗能型故障限流器承受故障电流时间长、发热大和成本高,因此该文提出一种快速储能式直流限流器拓扑,具有过电压小、响应快及能量二次利用等优点。首先,分析该快速储能式限流器的拓扑结构和工作原理,即通过磁耦合的方式引入辅助支路,从而实现快速吸收故障能量的目的;其次,建立该限流器的电路模型,给出主要电气参数设计方法;然后,通过磁路有限元与电路仿真相结合,对关键电气参数进行优化计算;最后,进行全过程工况仿真,得到限流器的暂态电压和电流波形,并通过与解析解计算结果和不同类型直流限流器仿真结果的对比。验证了该文所提出限流器的可行性和有效性。
操作冲击电压下C4F7N/CO2混合气体252kV GIL间隙及沿面放电特性
作者：郑忠波；陈楠；李志闯；李强；丁卫东
摘要：C4F7N/CO2混合气体作为有望在高电压等级气体绝缘输电管道（GIL）中替代SF6的环保绝缘气体被广泛研究。在高电压等级下,操作冲击电压下的介质绝缘特性成为绝缘配合中无法忽略的重要因素,然而现阶段操作冲击电压下C4F7N/CO2混合气体中间隙击穿和沿面闪络特性研究很少。该文通过实验研究操作冲击电压下C4F7N摩尔百分比为5%、9%、13%的C4F7N/CO2混合气体中252kV GIL中间隙和沿面放电特性,并与0.5MPa SF6中的实验结果进行对比。结果表明,放电电压随压强及混合气体C4F7N摩尔百分比升高而上升;放电存在盆式绝缘子凹面侧间隙-沿面闪络和间隙击穿两种形式;0.5MPa 13%C4F7N/87%CO2、0.6MPa 9%C4F7N/91%CO2混合气体下沿面绝缘强度达到0.5MPa下SF6绝缘强度的87%以上,而0.7MPa 9%C4F7N/91%CO2混合气体下沿面绝缘强度已超过0.5MPa下SF6的绝缘强度。
正温度系数材料调控绝缘直流电场分布
作者：周文俊；滕陈源；周远翔；张灵；张云霄
摘要：绝缘材料电阻率负温度系数（NTC）效应造成直流电场畸变,增大了高压直流设备的设计难度。为了弱化电阻率对温度的依赖,该文制备正温度系数（PTC）电阻率的陶瓷材料掺杂的环氧树脂复合材料（质量分数为0~35%）,并测试热导率、电阻率-温度特性和直流击穿场强,仿真温度梯度下绝缘内部电场和温度分布。结果表明,高掺杂比例时的电场优化效果较好;质量分数为20%掺杂的环氧树脂复合材料的热导率提高66%,径向温差减小55%;电阻率负温度效应弱化,电导活化能下降了35%;最大畸变电场降低了58%,而直流击穿场强仅下降16%。分析认为,填料的PTC效应优化了环氧树脂复合材料的电阻率-温度特性,降低了热点温度,协同抑制电场畸变。正温度系数材料可改善温度梯度下绝缘内部的直流电场分布,相关复合材料在输电设备中具有应用可能性。
绝缘子表面三维覆冰特性的影响因素
作者：高晋；郭思华；韩兴波；蒋兴良；张琦
摘要：覆冰可极大程度降低绝缘子绝缘性能,严重威胁输电线路的稳定运行。开展绝缘子覆冰特性研究并建立绝缘子覆冰增长数值计算模型是解决绝缘子覆冰闪络问题的基础。为研究自然条件下绝缘子覆冰增长的发展规律和其影响因素,该文从环境参数出发分析绝缘子表面水滴碰撞、冻结、水膜流动等过程,对比不同覆冰类型增长过程的差异性,并基于流体力学和热力学基本理论建立绝缘子三维覆冰数值计算模型。在此基础上,以绝缘子LXY-120为例,对不同环境条件下绝缘子覆冰类型及增长特性进行仿真计算,并在雪峰山对两种不同类型的绝缘子进行了自然覆冰试验,将测量得到的绝缘子覆冰质量、最大覆冰厚度和仿真结果进行了对比,结果表明,不同环境条件下,绝缘子表面覆冰类型、发展过程、覆冰面积、速率等均有差异。此外,绝缘子伞裙结构会影响覆冰增长。复合绝缘子FXBW-220因为伞裙直径更小、厚度更薄,且具有多伞裙结构,其覆冰增长速率大于普通玻璃绝缘子LXY-300。自然条件下,覆冰可很快连通复合绝缘子伞裙间隙。
高压直流电缆附件XLPE/SIR材料特性及界面电荷积聚对电场分布的影响
作者：李国倡；王家兴；魏艳慧；张升；雷清泉
摘要：双层绝缘介质界面电荷积聚是导致高压直流电缆附件界面放电的重要原因。该文测量分析交联聚乙烯（XLPE）和硅橡胶（SIR）两种介质的介电性能、电导特性和导热特性;通过建立高压直流附件电-热仿真模型,研究不同温度下XLPE/SIR界面电荷积聚特性及局部电场畸变引起的附件内部电场变化规律。实验结果表明,室温下SIR的电导率略高于XLPE材料,随着温度的升高,XLPE的电导率增加较为明显,而SIR的电导率增加则相对缓慢,高温下两种介质电导率不匹配是导致界面电荷积聚的重要原因。室温下XLPE/SIR界面积聚负电荷面密度约为3.42×10-4C/m2,这部分电荷会增强电缆主绝缘电场,削弱应力锥根部电场畸变,主绝缘电场增加约36%,应力锥根部电场畸变下降约62%。当温度超过约36℃时,XLPE/SIR界面开始积聚正电荷,随着温度的升高,开始出现极性反转现象,造成应力锥根部局部电场畸变加重,70℃时最大畸变电场达到12kV/mm。
计及环境对流随机性的功率器件结-环境热网络模型
作者：姜鑫；应展烽；万萌；钟震
摘要：结-环境热网络模型可结合环境温度估计功率器件结温变化,是评估器件散热能力与剩余寿命的重要基础。然而,传统结-环境热网络模型一般假设器件在稳定环境下工作,忽略了环境对流随机性对器件的影响,难以有效反映结温的变化特性。为此,该文提出一种计及环境对流随机性的结-环境热网络模型。该模型首先利用器件历史损耗和温度数据,得到散热器与环境之间的对流热阻样本;再通过小波包变换和马尔可夫链方法,实现对流热阻的随机模拟;最后在指定的电流和环境温度下,模拟器件结温的随机变化。为了验证模型有效性,以功率MOSFET为对象,设计功率器件的随机对流实验平台。实验结果表明,该文所提模型可有效地描述器件结温在随机对流作用下的不确定性变化,能够为器件热安全评估与寿命预测方法发展提供更加真实有效的数据支撑。