含磁偏置超导限流器的66/10 kV变电站的故障限流分析

配网系统短路电流越来越大,现有断路器即将超过遮断容量,给电网安全带来较大影响。针对此问题,利用双分裂电抗器反并联低阻抗特性和超导单元故障失超特性,提出一种具有二级逐级限流特征的磁偏置超导限流器。根据辽阳市某66/10 kV变电站线路参数,基于Matlab/Simulink建立含磁偏置超导故障限流器的系统仿真模型,进行限流仿真计算,获得磁偏置超导故障限流器限流效果的变化规律,以及在故障电流下的失超电阻和温度的变化规律,验证了磁偏置超导限流器原理的正确性。结果表明,磁偏置超导限流器在三相短路故障时电网电流限流率最大可达到19.68%,最大温度为123.7 K,失超恢复时间为32 ms,表明其具有限流响应迅速和失超恢复快的优势。

考虑短路电流非周期分量影响的磁偏置型超导故障限流器设计方法及其限流特性分析

随着电力负荷快速增长,电力系统的故障电流水平持续上升,甚至超出了现有断路器的开断能力;为有效限制故障电流,超导故障限流器(superconducting fault current limiter,SFCL)逐渐投入应用。SFCL在正常运行时呈现零阻抗,故障发生后迅速转为高阻抗,可作为配合断路器开断的理想选择,提高电力系统的运行安全性。介绍了一种磁偏置型超导故障限流器(magneto-biased superconducting fault current limiter,MBSFCL),提出了考虑短路电流非周期分量影响的MBSFCL设计方法,对于MBSFCL的制造具有一定的指导意义。通过搭建仿真模型,验证了所提出方法的可行性,并对MBSFCL的限流特性进行了深入分析,讨论了不同非周期分量对断路器的开断影响,以及MBSFCL中电感、电阻参数变化对短路电流及其分量的限流效果影响。分析结果表明,在所提出MBSFCL设计方法中必须考虑非周期分量,且MBSFCL的电阻参数变化对短路电流的抑制效果更为显著。

永磁偏置径向-轴向磁悬浮轴承工作原理和参数设计

介绍了永磁偏置径向-轴向磁悬浮轴承结构示意图及悬浮力产生的机理,用等效磁路法对永磁和励磁混合磁轴承的磁路进行了计算,得出了最大承载力的条件和数学表达式,给出了参数设计和计算方法,最后给出了一个设计例子,并用有限元进行了仿真验算。理论研究和仿真分析表明:永磁和励磁径向-轴向磁轴承结构合理紧凑、占据轴向长度小、效率高。在磁悬浮电机、高速飞轮储能等系统中具有广阔的应用前景。

永磁偏置磁轴承的研究现状及其发展

永磁偏置磁轴承是飞轮储能和涡轮分子泵等高速应用领域的一个重要研究内容。本文对永磁偏置磁轴承的研究现状及其未来发展进行了详细阐述。将永磁偏置磁轴承分为轴向单自由度、径向两自由度、轴向-径向三自由度及五自由度磁悬浮系统分别进行研究,研究其结构形式,绘制结构示意图,结合磁路图分析其工作原理,比较同类磁轴承优劣,指出其应用场合。对永磁偏置磁轴承的未来发展进行了研究,提出了众多结构形式的永磁偏置磁轴承,功耗低、结构简单、控制方便的永磁偏置磁轴承将是未来研究的主要方向。

永磁偏置的混合磁悬浮轴承的研究

介绍了永磁偏置的混合磁悬浮轴承的工作原理，提出了其结构参数的设计计算理论，对混合磁悬浮轴承的设计有实际指导意义。

永磁偏置磁轴承动特性研究

电磁轴承位置传感器安装的偏差或转子静态载荷的作用使得轴颈的几何中心相对轴承中心产生偏心,即轴承静态工作点相对理想对中位置发生偏移。对此,该文首先讨论了永磁偏置磁轴承(PMEB)静态工作点偏移对轴承动特性的影响,然后在进一步考虑电磁轴承磁力饱和约束的基础上,提出了永磁偏置磁轴承综合动刚度的定义,最后通过分析永磁偏置磁轴承静态工作点偏移以及轴承偏置磁场对轴承稳定性的影响,得出了永磁偏置磁轴承的稳定域,从而为轴承的设计和分析提供了理论依据。

一种新型磁悬浮飞轮用永磁偏置径向磁轴承

针对现有径向磁轴承结构电励磁磁路耦合的特点,分析了一种新型磁悬浮飞轮用永磁偏置径向磁轴承结构及其工作原理。采用等效磁路法对磁轴承的永磁磁路和电励磁磁路进行计算,得出了磁轴承的数学模型,并给出磁轴承主要参数的设计方法。最后,通过有限元法对该磁轴承进行仿真分析,从磁场分布以及x方向通电流时对力Fy的影响两方面验证了该结构电励磁回路在x、y方向间的解耦性,其中Fy<3%Fx。理论研究和仿真分析表明:这种径向磁轴承结构有效地避免了磁通在两个径向自由度间的耦合,从而能够扩大系统线性工作范围和稳定裕度,提高磁轴承系统的控制性能。

一种新型结构的永磁偏置径向磁轴承

提出了一种新型永磁偏置径向磁轴承结构,通过第二气隙形成电磁磁路,与现有Heteropolar结构的磁轴承相比,定子磁极个数由8个减少为4个,可使转子高速旋转时的涡流损耗降低3倍,利用等效磁路法以及有限元法对该永磁偏置径向磁轴承进行分析,得出了最大承载力、电流刚度以及位移刚度的数学表达式,给出了主要参数的设计与计算方法。理论研究和仿真分析表明,所提出的新型径向磁轴承结构通过合理设计第二气隙的大小,可使永磁体产生的位移刚度减小,特别适用于磁悬浮反作用飞轮,以减小对飞轮的扰动,同时减小了飞轮的最大起动力矩,大大提高了飞轮的控制精度,在无轴承电动机、其他飞轮系统等场合具有广阔的应用前景。

永磁偏置型故障限流器对系统暂态稳定性的影响

永磁偏置型故障限流器(permanent-magnet-biased saturation based fault current limiter,PMFCL)的使用会对电力系统的暂态稳定性产生一定影响。为此,首先介绍了PMFCL的基本工作原理,并以单机无穷大系统为例,利用正序增广网络建立了含PMFCL的暂态稳定分析模型;其次基于发电机功角曲线和等面积法则,详细分析了在输电线路不同位置发生不同类型的短路故障时PMFCL限流电抗值以及故障切除时间对系统暂态稳定性的影响;最后通过时域仿真计算出发电机在不同短路故障类型下的输出功率最大值和功角变化曲线。结果表明:输电线路发生三相对称短路时,PMFCL限流电抗值越大则越有利于系统的暂态稳定性;线路中间部分发生单相接地故障时,限流电抗值越大则越不利于系统的暂态稳定性,此时可适当延长故障切除时间来改善系统的暂态稳定性;两相接地短路和两相短路故障下,PMFCL对系统暂态稳定性的影响规律基本一致。以上针对PMFCL对系统的暂态稳定性影响所开展的研究,为PMFCL的元件参数优化提供了参考,也为其实际应用提供了理论依据。

轴向力偏转五自由度永磁偏置磁轴承及磁路解耦设计

为了提高空间用磁悬浮飞轮输出偏转力矩的能力和精度,提出一种利用轴向力控制转子径向偏转的五自由度永磁偏置磁轴承(permanent-magnet-biased magnetic bearing withfive degrees of freedom,5-DOF-PMB),有效减小了飞轮体积和转子轴向长度,提高了系统的集成度,改善了转子系统的固有模态和稳定性。有限元仿真表明,按照角动量为15 N?m?s飞轮的要求设计的轴向力偏转5-DOF-PMB可同时满足各自由度负载的要求。为了提高转子径向大偏移时主动振动的控制精度,进一步对轴向力偏转5-DOF-PMB径向通道进行了磁路解耦设计。等效磁路分析与有限元仿真表明,经磁路解耦的5-DOF-PMB径向通道间磁路耦合程度削弱了2个数量级。最后从等效磁路和结构设计角度,对永磁偏置磁轴承的磁路解耦设计方法进行了归纳和总结。

磁悬浮飞轮用嵌环式永磁偏置径向磁轴承

为满足航天用扁平转子磁悬浮飞轮对低功耗磁轴承的需求,提出一类同极性嵌环式永磁偏置径向磁轴承(Radial permanent-magnet-biased magnetic bearing,RPMB),旋转损耗低,工作气隙径向内外双环、轴向同层分布,径向磁力为平面汇交力系,具有磁极轴向短、可灵活设计的独特优势。根据全主动、主被动两类磁悬浮飞轮的不同需求,采用磁路分析与有限元仿真的方法,对磁极对齐型、磁极交错型、磁极偏置型三种嵌环式RPMB进行了有针对性的分析与设计,所设计的全主动磁悬浮飞轮,具有轴向长度短、质量小、精度高的优点;所设计的两轴主动磁悬浮飞轮,经优化设计,具有高被动刚度、高电流刚度、电流刚度高稳定性的优点。

永磁偏置径向磁轴承的原理分析与参数设计

为克服现有永磁偏置径向磁轴承的缺陷,研究了一种磁悬浮高速电动机用永磁偏置径向磁轴承,利用等效磁路法分析其结构及工作原理,得出了径向悬浮力的数学模型,并对数学模型进行了线性化处理,得出了其径向力-位移系数和力-电流系数。给出了磁极面积、控制绕组、定转子结构等主要参数的设计方法,并制作了实验样机,对样机进行了三维有限元仿真分析和动静态悬浮实验。理论研究和实验结果表明,该型磁轴承转子磁滞损耗小,结构紧凑,控制简单,悬浮性能良好,给出的参数设计方法合理。

基于精确磁路的永磁偏置轴向径向磁轴承设计

针对永磁偏置轴向径向磁轴承集成度高、结构紧凑、磁场分布不规则、偏置磁场和控制磁场存在耦合的特点,根据二维仿真结果,在精细划分磁轴承漏磁路径和软磁路径的基础上,构建了包括漏磁磁阻和软磁磁阻的精确磁路。利用精确磁路可观测各磁路中的磁通分布的优势,有针对性地调整磁轴承的各结构参数,实现其设计的优化,减少对初步参数的重复有限元仿真。对设计样机进行的三维有限元仿真结果表明:基于精确磁路的永磁偏置轴向径向磁轴承设计正确合理。

异极性永磁偏置径向磁轴承的参数设计与实现

为了克服现有异极性永磁偏置径向磁轴承参数设计的不足,对一种异极性永磁偏置径向磁轴承进行了研究,分析其结构和工作原理。以其为对象提出了一种根据二维有限元仿真结果构建等效磁路,以满足承载力所需的偏置磁场与控制磁场的磁通量为基本目标;并以软磁材料不饱和为约束条件,结合等效磁路,推导出永磁材料和定转子结构的参数设计方法;设计了径向悬浮力400N的原理样机,进行了三维仿真分析和实验验证。结果表明:提出的参数设计方法合理,利用该方法设计的异极性永磁偏置径向磁轴承悬浮性能优良,为其他型永磁偏置磁轴承的研究奠定了基础。

大容量永磁偏置型故障限流器的经济性分析与优化

构建了永磁偏置型故障限流器PMFCL的经济性分析模型,包括材料成本和运行成本两部分。材料成本取决于PMFCL的关键结构参数,基于等效磁路法导出了PMFCL 4个关键结构参数与电感和、电感比以及饱和深度比这3个独立电磁变量间的函数关系;运行成本由铁芯损耗和绕组铜耗组成,并给出了各自的计算方法。针对500 k V PMFCL经济性分析实例,分析了电磁变量对PMFCL经济性的影响,并建立其经济性优化模型,求得了PMFCL的最优成本和对应的结构参数。结果表明,在高压大容量应用场合,PMFCL具有较好的经济性优势。Ansoft Maxwell二维有限元仿真验证了经济性优化模型的合理性。

新型永磁偏置轴向磁轴承的磁力特性

研究一种集成转子径向扭转与轴向平动控制功能的新型永磁偏置轴向磁轴承的磁力特性,以解决磁轴承系统的轴向尺寸和精度之间的矛盾。采用等效磁路法进行磁轴承的磁路建模,在建立磁极气隙表达式的基础上采用积分型方法进行磁阻计算以提高计算精度,并根据磁路模型给出磁轴承磁力的积分型计算公式,得到轴向磁轴承闭环系统的磁力特性曲线。对某飞轮用磁轴承系统的分析表明:磁轴承磁力与磁极气隙和控制电流间具有良好的线性关系,且各控制通道近似解耦,与典型磁轴承结构相比,利于磁轴承系统控制精度的提高和轴向尺寸的减小,适用于磁悬浮飞轮系统。

一种磁悬浮飞轮用新型永磁偏置径向磁轴承

为了克服现有永磁偏置径向混合磁轴承的缺陷,提出了一种磁悬浮飞轮用新型永磁偏置径向混合磁轴承,分析了其工作原理,并分别利用等效磁路法及有限元方法对该永磁偏置径向混合磁轴承进行了电磁分析.分析结果表明:所提出的新型永磁偏置径向混合磁轴承采用永磁磁场作为偏置磁场,并且其永磁磁路与电励磁磁路在任一径向截面中共面,可使磁轴承轴向长度大为减小,与现有永磁偏置径向混合磁轴承相比具有体积更小的优点,同时该种永磁偏置径向混合磁轴承产生的偏置磁场在X,Y方向上不会产生耦合,可使控制更加容易,特别适用于高速、低功耗等场合.

MSCMG永磁偏置磁轴承的低功耗控制方法研究

磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)在输出力矩且不计重力引入的功耗时,磁轴承的铜耗与输出力矩的平方成正比。这个问题不仅导致在输出额定力矩时,磁轴承的功耗在总功耗中占有较大的比例,而且最终限制了磁悬浮控制力矩陀螺的最大输出力矩。为解决这一难题,提出了通过控制转子悬浮位置由永磁体提供转矩的方法,并且分析了转子位置变化对输出力矩的影响。通过仿真和实验表明,输出力矩时磁轴承的功耗可降至静浮水平,样机实验表明,输出力矩为21Nm时磁轴承铜耗降为原来的34%。

新型永磁偏置磁轴承的不平衡补偿研究

介绍了新型永磁偏置磁轴承的工作原理,推导了该磁轴承的单自由度数学模型。针对该磁轴承的不平衡振动研究了递归运算和凹陷滤波器两种不平衡补偿方案。仿真结果表明,两种方法均能减小或消除控制电流中的同频分量,有效抑制转子系统的不平衡振动。

磁悬浮飞轮用新型永磁偏置径向磁轴承的设计

分析了一种磁悬浮飞轮用新型永磁偏置径向磁轴承的工作原理,利用等效磁路法对该永磁偏置径向混合磁轴承进行了分析,提出了基于位移刚度以及电流刚度的永磁偏置径向混合磁轴承的设计方法,给出了具体的设计步骤和设计实例。理论分析表明,所提出的方法与现有的设计方法相比考虑了磁轴承电磁参数与控制器参数的关系,设计结果与试验结果基本吻合。设计与试验结果表明:提出的设计方法切实可行,具有一定的应用价值。