三电平辅助变流器寿命优化控制

辅助变流系统是动车组车辆上关键的电气组成部分,主要为空调机组、风机、照明等交流负载提供稳定的三相电源。结温是影响动车组三电平辅助变流器IGBT(Insulated-gate Bipolar Transistor)模块寿命的主要因素。为了提高动车组三电平中点钳位(Neutral-Point Clamped,NPC)型辅助变流器寿命,提出一种降低结温的模型预测电流控制(Model Predictive Current Control,MPCC)策略。首先,考虑传统MPCC在每个采样周期需要代入27个电压矢量循环计算,计算量较大,因此将三电平基本电压矢量划分在间隔60°的6个扇区中,通过计算电压矢量在两相静止坐标下的相角,进而判断参考电压矢量所处扇区,将备选矢量数目从27缩减至10,减少了计算量;其次,传统MPCC直接应用于动车组辅助变流器会使IGBT模块的结温较高,老化速度加快,对变流器安全稳定运行产生不可预测的损害,本文对IGBT模块的开关损耗和导通损耗进行近似等效,得到了和集射极电压、集电极电流相关的功率损耗因子。通过预测每相电流的方向,进而预测IGBT模块的开关和导通情况,动态加入功率损耗因子,并在代价函数中约束每相IGBT及其续流二极管(Free Wheeling Diode,FWD)的功率损耗,使得最优电压矢量在降低功率损耗的同时保证一定的控制性能。通过仿真与实验验证,本文所提方法相比传统MPCC策略降低了功率器件的结温,提高了变流器寿命。

核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路时转子涡流损耗研究

为研究核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路时转子涡流损耗特性,推导了核电半速汽轮发电机空载运行时励磁绕组匝间短路故障下,定子分数次谐波环流产生的合成磁动势表达式,分析合成磁动势相对于转子的转速,揭示了转子表面产生涡流的原因以及涡流的频率特性。结合涡流损耗计算方法,以一台核电半速汽轮发电机为例进行了仿真验证。在此基础上,对核电半速汽轮发电机励磁绕组不同位置发生相同程度匝间短路,以及励磁绕组发生不同程度匝间短路过程进行了仿真,计算了转子各阻尼条及槽楔中的涡流及涡流损耗,揭示了励磁绕组匝间短路时影响转子阻尼条及槽楔中涡流和涡流损耗的因素。为核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障时,分析转子发热的影响因素提供了理论基础。

超磁致伸缩力传感执行器磁路优化设计与分析

以超磁致伸缩力传感执行器为研究对象,基于磁致伸缩与涡流损耗理论,应用COMSOL有限元软件进行磁场分析,系统地研究了导磁体参数对磁通密度与涡流的影响规律。为增大磁通密度、减小涡流损耗,以超磁致伸缩棒中轴线上磁通密度均匀度为评价标准,优化了导磁体参数,并将导磁体分区绝缘。静、动态磁场下与未优化时实验结果进行对比,结果表明:静磁场中优化后的磁通密度均值提升了0.0161T,均匀度提升了4.5%;动态磁场中,分区绝缘可有效减少涡流损耗,优化后的力传感器灵敏度提升了5.76%。

混合级联特高压直流功率损失计算方法研究

混合级联特高压直流(UHVDC)在降低直流换相失败风险的同时提升了直流输电的灵活性,但由于LCC与VSC混合拓扑导致不同阀组闭锁后健全阀组的功率传输能力存在不确定性,影响了直流功率损失准确计算。此处提出了一种适用于混合级联UHVDC的功率损失计算方法。直流控制系统以极为单位计算阀组闭锁后的直流功率并发送安控系统计算直流功率损失,设计了合理接口与数据处理方式保证阀组单次及相继故障直流功率损失计算的准确性。最后通过试验,验证了所提方法的正确性与有效性。

基于自抗扰的永磁同步电机附加谐波损耗抑制方法

针对永磁同步电机在变频器供电时,由时间电流谐波所引起的附加谐波损耗过大及难以在电机初始设计时被考虑到的问题,采用场路耦合联合仿真模型来计算电机的附加谐波损耗,并以4台现有的表贴式永磁同步电机为例,通过实验验证了场路耦合联合仿真模型的有效性,为电机设计之初附加谐波损耗的选取,以及后续温升的计算提供了前期计算的方法。同时提出一种基于自抗扰技术的附加谐波损耗抑制方法,设计一种适用于永磁同步电机矢量控制的自抗扰控制器,并从理论上验证了自抗扰控制器对于时间电流谐波的抑制作用,以及针对自抗扰控制器参数众多调参困难的问题,给出一种参数整定方案。最后通过引入所设计的自抗扰控制器,对电机的时间电流谐波进行计算和分析,使电机的附加谐波损耗降低了68.1%,为同类型电机的附加谐波损耗抑制提供了一种有效的方法。

极低频电流场透地通信路径损耗建模与分析

针对水平方向地电极电流场无线强穿透信息传输需求,研究了基于极低频水平双电极电流场信道传输特性。考虑到电极半径、电极入土深度、电极间距、发射信号频率和信号传输距离等参数对透地(Through-The-Earth,TTE)通信传输性能的影响,建立了地电极电流场TTE通信路径损耗模型,分析了各参数对路径损耗的影响,确定了信号传输最佳工作参数。根据选定参数搭建了极低频电流场TTE通信系统,在200 m和400 m通信距离下测试了3~10 Hz信号的路径损耗,通过试验数据与仿真结果对比分析验证了模型的准确性。

高速永磁电机铁耗精确计算两项式模型

基于分段带补偿项的铁耗计算方法,本文提出了一种适用于高速永磁电机铁耗精确计算的两项式数学模型。通过结合高速电机运行特性对频率和磁密区间进行双重划分,在Jordan损耗分离模型的基础上引入涡流及磁滞损耗补偿项考虑磁饱和、局部磁滞回环及涡流趋肤效应等非线性因素对硅钢片单位损耗特性的影响。该模型新增参数均为随频率和磁密变化的分段常函数,通过L-M算法拟合求解,在减小计算量的同时明确反映铁磁材料非线性对铁耗计算的影响,实现铁耗精确计算。最后,以某高速电机用硅钢片35SWH1900为例,对比了本文所提模型与Jordan损耗分离模型在单位损耗上的计算误差,实验结果表明所提模型计算误差基本在15%以内,能够有效提升高速永磁电机铁耗的计算精度。

汽轮发电机转子匝间短路对定子热响应特性的影响

本文分析了汽轮发电机转子匝间短路故障前后定子热响应特性,不仅考虑转子匝间短路引起电压下降对发电机强励动作的影响,还研究了热分布不平衡而引起的定子力学响应。首先推导了正常情况和转子匝间短路故障后加强励磁电流下的气隙磁通密度,得到了铁心损耗和绕组铜耗的解析表达式;然后建立了发电机故障前后的三维有限元仿真模型,对不同短路程度故障下的铁心损耗、绕组铜耗与定子温度进行了求解计算;最后实测了CS-5型故障模拟发电机在正常运行和不同短路程度故障下的定子温度,实验结果与理论分析、有限元仿真结果基本一致。结果表明,转子匝间短路故障后由于励磁电流的增强,发电机铁心损耗和绕组铜耗均会增加,定子温度明显上升,并且随着短路程度的增加而加剧;定子端面边缘位置的变形和应力幅值最大并且为热响应下的危险位置。

基于槽极比选择的切向永磁同步电机永磁体涡流损耗抑制措施

为抑制切向永磁同步电机的永磁体涡流损耗,基于麦克斯韦方程和本构方程,对永磁体形状进行近似假设,构建了永磁体涡流损耗的估算模型。使用一种基于卡特系数概念的磁导函数来估算由于定子开槽引起的槽下磁感应强度变化。基于五台槽极比分别为1.05、1.20、1.30、2.40和3.60的电机设计方案对理论分析结论进行了验证。在负载电流和两倍负载电流下,分析永磁体损耗,得到了每台电机的径向气隙磁密曲线及其谐波含量。考虑到增加槽极比对定子铁耗和永磁体涡流损耗的削弱效果,给出了电机槽极比选择策略。研究结果表明,增加槽极比能减弱定子槽下磁感应强度变化,从而抑制气隙磁场中低次谐波含量,减小永磁体涡流损耗,使电机运行更加可靠,但也会引入更多高次谐波,从而增加定子铁耗。

分块充磁永磁体对磁齿轮磁密及涡流损耗影响

在大功率大变速比磁齿轮中,整体充磁式大块永磁体空心化问题是提升永磁齿轮性能的主要障碍之一。分块充磁工艺能够有效解决这一问题,明显提升大块永磁体性能。通过构建3D模型,对采用分块充磁技术的永磁体的永磁齿轮完成了磁热仿真分析。结果表明,分块充磁技术能够有效抑制大尺寸永磁体的磁场空心化,显著提高其剩磁,改善永磁齿轮的磁密,进而提升永磁齿轮的最大输出转矩;分块充磁永磁体块间绝缘能够有效缩减永磁体圆周弧长和轴向长度与永磁体磁场透入深度的差距,大大降低永磁体的涡流损耗。

基于密绕小直径线圈的磁感应透地无线起爆系统性能分析

为了在矿区开采时实现安全便携的透地无线起爆,提出了地上发射端采用密绕小直径线圈的磁感应透地无线起爆方案,并建立了地面发射线圈与地下接收线圈等效耦合电路分析模型,推导了地下接收端负载的电压表达式,用地面发射线圈与地下接收线圈间的互感系数表征了收发线圈间耦合强度的大小。由于地面发射线圈与地下接收线圈间的相对位置关系不是平行共轴,传统基于平行且共轴线圈的互感公式不再适用,本文从磁矢位出发推导出了考虑涡流效应的具有一般位置关系的单匝圆线圈间互感系数的通用表达式。由于地面发射线圈采用横放模式存在爆破盲区,地面发射线圈应采用竖放模式。基于负载电压公式分析了发射线圈半径与匝数、发射信号频率和垂直透地深度对透地起爆系统地下接收端负载电压和水平覆盖距离的影响。仿真结果表明:发射线圈采用竖放模式的透地无线起爆系统的水平覆盖距离可达到200~300m;随着透地深度的增加,系统的水平覆盖距离逐渐降低,但可以通过适当增加发射线圈半径和匝数、降低发射信号频率的方式提高透地无线起爆系统的水平覆盖距离,以满足在不同规模矿区开采应用场景下的透地无线起爆需求。

表贴式轴向磁通电机梯形削极分段结构研究

采用多极少槽结构和分数槽集中绕组可有效提高轴向磁通永磁(AFPM)电机的转矩密度,但磁动势谐波含量较大、频率较高,会引起永磁体涡流损耗增大和温度升高。通过优化表贴式轴向磁通永磁电机的永磁体结构可有效降低永磁体涡流损耗并抑制转矩波动,因此提出梯形削极分段结构。首先,基于精确子域法分别建立不同永磁体结构的解析模型。其次,通过解析模型和三维有限元模型对不同永磁体结构的气隙磁密、输出转矩和涡流损耗进行分析对比。然后,通过研究永磁体分段对永磁体涡流损耗的影响,确定梯形削极分段结构的参数。最后,制造一台样机并进行实验,实验结果证明,梯形削极分段结构可有效降低永磁体涡流损耗并且改善轴向磁通永磁电机输出性能。

新型并联谐振直流环节软开关逆变器改进调制策略

针对新型并联谐振直流环节软开关逆变器的辅助电路运行过程中电流应力高、导通损耗大的问题,提出一种基于不连续的脉冲宽度调制且采用斜率正负交替锯齿载波的改进调制策略。与原调制策略相比,首先,该文所提调制策略在保留辅助电路动作频率最小化优点的基础上,不仅实现了全部开关管的软开关,而且将第二辅助开关管的电流应力降为谐振电流峰值。然后,通过合理的参数设计,进一步降低辅助电路电流应力,从而减少辅助电路损耗。然后,根据所提调制策略分析工作原理、对比不同文献、规划参数设计、进行损耗分析。最后,使用SiC MOSFET制作一台5 kW/40 kHz通用样机,通过实验验证所提调制策略对原拓扑效率提升与电流应力降低的有效性。

表贴式永磁电机永磁体涡流损耗有限元计算方法对比研究

脉宽调制(pulse width modulation,PWM)技术广泛应用于表贴式永磁电机(surface permanent magnet synchronous motor,SPMSM)控制,而在PWM电流激励下永磁体内涡流损耗较大。为快速、准确获取涡流损耗,基于电机磁场沿轴向近似均匀分布特性,提出了一种PWM激励下永磁体内涡流损耗有限元(finite element method,FEM)简化计算方法。首先,以3台永磁体轴向分段数目不同的SPMSM为研究对象,对比同工况下简化方法、2D FEM、3D FEM涡流损耗计算结果,结果表明简化方法与3D FEM计算结果误差小于3%,而计算时间远小于3D FEM;然后,基于涡流损耗随永磁体轴向分段增大而减小的特点,通过不同永磁体轴向分段数目的SPMSM,在堵转工况下分离永磁体涡流损耗,验证了简化方法计算有效性;最后,通过实测电机各相电阻计算电机直流铜耗,对实测涡流损耗差值进行修正,进一步验证了简化方法的准确性。

六通道高温超导导体载流性能和交流损耗特性的仿真研究

为了满足未来聚变装置磁体系统大电流、强磁场以及优良机械特性的要求,提出一种六通道TSTC-CICC高温超导导体,并采用自洽模型和T-A法,对三种结构的六通道高温超导导体的载流性能和交流损耗特性进行了二维有限元仿真研究,其中结构1中带材堆叠方向垂直于径向方向,结构2中带材堆叠方向平行于径向方向,结构3中带材堆叠方式既有垂直于径向又有平行于径向两种方式。由研究结果可知,结构1导体的临界电流最大,结构2导体的最小,结构3导体的介于两者之间。结构1和结构3导体在低磁场下具有较好的临界电流各向同性特性。三种结构导体的临界电流随外磁场角度及磁场强度的变化各不相同。结构1导体的传输交流(AC)损耗最小,结构2导体的传输AC损耗最大,结构3导体的AC传输损耗介于两者之间。在不同角度的外磁场中,三种结构的导体表现出的AC损耗各不相同。

UUV推进器用磁耦合联轴器的设计与仿真

本文研究目的是无人潜航器(Unmanned Underwater vehicle,UUV)推进器用磁耦合联轴器的设计与仿真方法,预先初选磁耦合联轴器的主要尺寸、再建立磁路近似模型,采用解析计算求得传递扭矩及隔离套上的涡流损耗值,再用低频电磁场仿真软件校核扭矩及涡流损耗,然后经过几轮设计方案的迭代,最终使磁耦合联轴器满足UUV集成推进器的设计要求,在设计的迭代过程中同时分析了内外磁转子夹角与扭矩的关系、内外磁转子轴向长度对扭矩、涡流损耗的影响。

高空电磁脉冲晚期成分作用下500 kV变压器无功损耗仿真研究

高空电磁脉冲晚期成分(HEMP E3)效应会在变压器中性点与大地构成的回路中产生地磁感应电流(GIC),严重时会使变压器铁心半波饱和,进而导致励磁电流严重畸变、无功损耗急剧增加、局部过热和振动加剧等后果。为准确地分析电力变压器在HEMPE3作用下的无功损耗特性,该文搭建了HEMP E3对500 kV电力变压器作用的电磁暂态仿真模型,基于IEC 61000-2-9给出的标准HEMP E3波形,定量分析了感应电场幅值、上升时间、下降时间以及变压器带负载情况等对电力变压器的影响规律。分析结果表明,HEMP E3作用下500 kV变压器无功损耗与GIC呈正相关性,且无功损耗波形滞后于感应电场的变化;HEMP E3感应电场的下降时间对500 kV变压器无功损耗的影响远超上升时间;负载阻抗的阻值相同时,容性负载下的励磁电流和无功损耗幅值最大,感性负载下幅值最小。研究结果可为进一步评估HEMPE3对电力系统稳定性的影响提供重要依据。

基于转子永磁分段优化的轴向磁通永磁电机涡流损耗分析与试验

轴向磁通永磁电机永磁体中的涡流损耗将使转子温度升高,致使永磁体产生不可逆退磁风险,影响电机的正常运行。该文推导了轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗的数学模型,分析得到永磁体表面涡流路径长度及永磁体表面积对涡流损耗的影响规律;结合理论分析,在永磁体完全分段的基础上,提出了三种永磁体部分分段的优化新方法;利用有限元软件建立了电机有限元分析模型,对永磁体的电流密度分布、涡流损耗、抗退磁能力、静力学强度等进行了仿真分析与比较,获得了较合适的永磁体部分分段数和永磁体保留尺寸。最后制作了样机,测试了电机效率、永磁体磁性能和永磁体温升情况,验证了所提优化方法的有效性及理论分析的准确性。

轴向磁场电机永磁体空载涡流损耗减小方法对比研究

减少轴向磁场电机永磁体空载涡流损耗的方法主要有:减小定子槽开口宽度、增大气隙长度、永磁体分块、使用屏蔽层和磁性槽楔等。基于轴向磁场电机的简化二维分析模型,分析了减小定子槽开口宽度和增大气隙长度、使用屏蔽层和磁性槽楔降低空载涡流损耗的效果。通过三维电磁场仿真,研究了永磁体不同分块方式对减少空载涡流损耗的效果。研究结果表明,减小定子槽开口宽度的效果最佳;虽然增加气隙长度可以显著减小涡流损耗,但永磁体用量迅速增加;永磁体分块减小涡流效果较好,且周向分块方式最好;屏蔽层起反作用;使用分段磁性槽楔效果比减小定子槽开口宽度稍微差一点,但加工难度要低些。

具有低EMI和低开启损耗的浮空P区IGBT研究

为了优化浮空P区IGBT结构的电磁干扰噪声(EMI)与开启损耗(E_(on))的折中关系,提出一种假栅沟槽连接多晶硅阻挡层的浮空P区IGBT结构。新结构在浮空P区内引入对称的两个假栅沟槽,并通过多晶硅层连接。假栅沟槽将浮空P区分为三部分,减少了栅极沟槽附近的空穴积累,降低了栅极的固有位移电流。二维结构仿真表明,在小电流开启时,该结构与传统结构相比,栅极沟槽空穴电流密度减小90%,明显降低了集电极电流(I_(CE))过冲峰值和栅极电压(V_(GE))过冲峰值,提高了栅极电阻对dI_(CE)/dt和dV_(KA)/dt的控制能力。在相同的开启损耗下,新结构的dI_(CE)/dt、dV_(CE)/dt和dV_(KA)/dt最大值分别降低32.22%、38.41%和12.92%,降低了器件的EMI噪声,并改善了器件EMI噪声与开启损耗的折中关系。