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CPS-SPWM级联H桥激励的变压器铁耗快速计算方法

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西南交通大学学报 2024年第3期59卷 581-589,599页

作者：张新生王瑞田肖飞任强谢沁园海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室湖北武汉430033

针对载波移相(CPS)正弦脉宽调制(SPWM)级联H桥激励的变压器,提出一种基于经典损耗分离模型的铁耗快速计算方法.首先,结合SPWM电压波形特征定义集总占空比,并推导其关于调制比的解析模型;其次,基于经典损耗分离模型和集总占空比,构建CPS-... 详细信息

针对载波移相(CPS)正弦脉宽调制(SPWM)级联H桥激励的变压器,提出一种基于经典损耗分离模型的铁耗快速计算方法.首先,结合SPWM电压波形特征定义集总占空比,并推导其关于调制比的解析模型;其次,基于经典损耗分离模型和集总占空比,构建CPS-SPWM级联H桥的铁耗计算模型,该方法可以直接使用调制比、直流母线电压等参数对铁耗进行计算,从而避免传统方法中的谐波分析或者数值积分过程;再次,基于本文铁耗计算模型,提出了一种针对SPWM电压激励的有限元(FEM)仿真等效方法,最后,通过实验验证了本文计算方法的有效性.研究结果表明:等效仿真铁耗误差小于3.6%、仿真用时减少74.5%;最大铁耗计算误差为7.6%.

关键词：载波移相正弦脉宽调制级联H桥变压器硅钢片铁耗

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基于等效阻抗的铁心磁导率小信号测量及分析

海军工程大学学报 2024年第2期36卷 32-36,42页

作者：王瑞田刘晴晴张新生李鑫海军工程大学电磁能技术全国重点实验室武汉430033

现有软磁材料磁特性测试设备通常针对带材或者圆环形标准试样,对于大容量变压器或电抗器的铁心磁特性测量则需要搭建测试平台,用时域法测量铁心磁导率。LCR电桥小信号测试方法相比于时域法可以较为方便地测量变压器铁心激磁电感,进而在... 详细信息

现有软磁材料磁特性测试设备通常针对带材或者圆环形标准试样,对于大容量变压器或电抗器的铁心磁特性测量则需要搭建测试平台,用时域法测量铁心磁导率。LCR电桥小信号测试方法相比于时域法可以较为方便地测量变压器铁心激磁电感,进而在一定程度上评估铁心磁导率。因此,基于测试回路的等效电路,对比分析了LCR电桥开路电压模式、恒电压模式、恒电流模式3种工作模式下磁导率的测量原理和铁心磁化曲线工作点,总结了基于LCR电桥的铁心磁导率小信号测试方法的适用范围,针对非晶铁心试样开展了浸漆前后磁导率的对比测试。研究结果表明:LCR电桥小信号测试方法相比于时域法,测试步骤更简单便捷,适用于批量化变压器或者电抗器的铁心一致性测试。

关键词：时域法磁导率激磁电感 LCR电桥

双翼型翅片管水冷的浇注式变压器绕组精细化热路建模方法

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中国电机工程学报 2022年第22期42卷 8321-8331页

作者：肖飞张新生王瑞田任强舰船综合电力技术国防科技重点实验室(海军工程大学) 湖北省武汉市430033

采用双翼型翅片管水冷的浇注式变压器具有散热能力强、安全性高等特点,可以满足船舶、海上风电等应用场合对变压器提出的高功率密度、高防护和密闭柜体安装等需求。文中针对双翼型翅片管水冷绕组提出一种精细化的热路建模方法。首先,采... 详细信息

采用双翼型翅片管水冷的浇注式变压器具有散热能力强、安全性高等特点,可以满足船舶、海上风电等应用场合对变压器提出的高功率密度、高防护和密闭柜体安装等需求。文中针对双翼型翅片管水冷绕组提出一种精细化的热路建模方法。首先,采用特定路径方法建立冷却单元传导热阻解析模型,有限元验证平均误差为3.2%。根据传热特征将水冷绕组分为导体层、冷却层和表面层分别进行建模,并在模型中考虑温度–铜耗耦合关系、管内强迫对流及表面层自然对流过程,在此基础上提出翅片管式水冷绕组的通用热路模型。最后,以1.15MVA船用整流变压器为典型案例开展计算与分析,基于模型优选冷却层排布方案。制造实验样机并开展温升实验。实验表明,热路模型的误差小于5%,验证了建模方法的有效性。

关键词：浇注变压器水冷绕组翅片管热网络建模

一种宽电压输入高功率密度低噪声三相隔离型逆变器

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西南交通大学学报 2022年第6期57卷 1358-1367页

作者：王恒利王瑞田高山揭贵生海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室湖北武汉430033

随着舰船综合电力系统向小型化、轻型化、高效率和隐形化方向不断发展,储能环节逐渐成为发电系统的重要组成部分,对于变配电系统的三相隔离型逆变器来说,面临着直流电压范围宽、交流电能质量要求高的挑战,而且需要尽可能提高功率密度、... 详细信息

随着舰船综合电力系统向小型化、轻型化、高效率和隐形化方向不断发展,储能环节逐渐成为发电系统的重要组成部分,对于变配电系统的三相隔离型逆变器来说,面临着直流电压范围宽、交流电能质量要求高的挑战,而且需要尽可能提高功率密度、降低噪声干扰.为此,提出了一种高功率密度低噪声的三相二重化逆变器工频隔离拓扑.首先,采用多重化技术以提高等效开关频率,达到相电压四倍频五电平的效果,降低声学噪声和振动噪声,减小隔振降噪设备的体积质量;其次,采用载波移相调制策略降低共模电磁噪声,减小EMI(electromagnetic interference)滤波器的体积质量;最后,采用磁集成技术和立体卷铁芯结构减小隔离变压器和输出滤波电感的体积质量.通过实验证明:与传统拓扑结构相比,新型拓扑的声学噪声降低了8 dBA,振动噪声全频段范围都比传统拓扑低;体积功率密度达到136 kW/m3,质量功率密度达到116 kW/t,整机效率达到93.5%.

关键词：多重化逆变器隔离型功率密度噪声

考虑漏感频变特性的三相立体卷铁心变压器建模及分析

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电工技术学报 2023年第1期38卷 140-152页

作者：范学鑫杨北超揭贵生王瑞田高山海军工程大学舰船综合电力国防科技重点实验室武汉430033

针对一种宽输入电压范围双向逆变电源,可采用磁集成方法提高其功率密度。与传统三相平面叠铁心变压器相比,立体卷铁心变压器具有磁路对称、重量轻等优势,该文拟开展PWM非正弦激励下考虑漏感频变特性的立体卷铁心变压器建模相关研究。首... 详细信息

针对一种宽输入电压范围双向逆变电源,可采用磁集成方法提高其功率密度。与传统三相平面叠铁心变压器相比,立体卷铁心变压器具有磁路对称、重量轻等优势,该文拟开展PWM非正弦激励下考虑漏感频变特性的立体卷铁心变压器建模相关研究。首先,基于Foster频变磁阻模型,提出一种考虑漏感频变特性的立体卷铁心变压器模型,通过全局优化算法计算模型参数;其次,针对级联H桥组合式DC-AC拓扑的典型工作点,分析了PWM非正弦激励的谐波特征,重点关注不同H桥之间各次谐波的相对相位关系,给出简化等效电路;最后搭建逆变电源试验平台,开展了稳态和动态试验,验证了模型的准确性。

关键词：立体卷铁心双重傅里叶分析漏电感频变特性磁路模型

一种基于物理的SiC MOSFET改进电路模型

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电工技术学报 2022年第20期37卷 5214-5226页

作者：李鑫罗毅飞史泽南王瑞田肖飞海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室武汉430033 西安交通大学电气工程学院西安710049

碳化硅(SiC)材料因其在禁带宽度、击穿电场、电子饱和速度等方面的优势,使得SiC MOSFET具有高频、高压以及高温等优势。然而SiC MOSFET的特殊材料、结构以及高开关速度使得开关瞬态过程中器件内部的物理机理更为复杂。传统的SiC MOSFET... 详细信息

碳化硅(SiC)材料因其在禁带宽度、击穿电场、电子饱和速度等方面的优势,使得SiC MOSFET具有高频、高压以及高温等优势。然而SiC MOSFET的特殊材料、结构以及高开关速度使得开关瞬态过程中器件内部的物理机理更为复杂。传统的SiC MOSFET模型沿用了部分硅(Si)器件的建模方法,难以准确评估器件在装置中的动静态特性。为此,该文提出一种基于物理的SiC MOSFET改进电路模型。基于器件的工作机理,分析传统SiC MOSFET模型的不足,并针对不足进行改进建模。电流扩散方式是影响SiCMOSFET静态特性的重要因素,由于器件N-漂移区较窄,导致漂移区电流扩散呈梯形,进而对漂移区电阻进行改进建模。SiC MOSFET开关瞬态模型刻画了器件的高频应用特性,基于突变结、穿通特性以及负电压关断分别对器件结电容进行改进建模。最后基于CREE 1200V/325A的SiC MOSFET器件进行实验,仿真与实验具有较好的一致性,验证了改进模型的准确性。

关键词： SiC MOSFET 电路模型静态特性瞬态特性

考虑铁心非线性的三相立体卷铁心变压器建模及空载特性分析

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电工技术学报 2022年第9期37卷 2263-2274页

作者：杨北超范学鑫王瑞田张新生揭贵生海军工程大学舰船综合电力国防科技重点实验室武汉430033

与传统三相平面叠铁心变压器相比,立体卷铁心变压器具有磁路对称、振动噪声低等优势,可应用于电力电子电能变换领域。为了提高系统整体功率密度,应尽可能提高变压器铁心工作磁通密度幅值,因此迫切需要准确评估立体卷铁心变压器在饱和边... 详细信息

与传统三相平面叠铁心变压器相比,立体卷铁心变压器具有磁路对称、振动噪声低等优势,可应用于电力电子电能变换领域。为了提高系统整体功率密度,应尽可能提高变压器铁心工作磁通密度幅值,因此迫切需要准确评估立体卷铁心变压器在饱和边界状态的工作特性。该文主要研究考虑铁心非线性的三相立体卷铁心变压器建模。首先基于Jiles–Atherton(J-A)磁滞模型建立三相磁路模型;其次建立立体卷铁心变压器有限元(FEM)二维等效模型,相比三维FEM模型,可以缩短96.66%的仿真时间,减少92.93%的内存占用空间,在此基础上研究了非正弦激励下立体卷铁心变压器的工作特性;最后基于80kV·A立体卷铁心变压器样机建立试验平台,验证了本文模型的准确性,并分析了零序三次谐波对磁通密度幅值的影响。

关键词：立体卷铁心磁路模型有限元模型非正弦

双输出三电平移相全桥变换器原边电压跌落分析

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高电压技术 2022年第2期48卷 772-780页

作者：杨国润王海超肖飞范学鑫王瑞田海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室武汉430033

以双输出三电平移相全桥变换器为研究对象,首先介绍了拓扑结构和调制方式。其次,结合开关函数分析了全桥逆变单元的换流过程,研究发现死区时间导致原边电压出现跌落,原边电压跌落引起总谐波系数增大,增大变压器漏感可以消除原边电压跌... 详细信息

以双输出三电平移相全桥变换器为研究对象,首先介绍了拓扑结构和调制方式。其次,结合开关函数分析了全桥逆变单元的换流过程,研究发现死区时间导致原边电压出现跌落,原边电压跌落引起总谐波系数增大,增大变压器漏感可以消除原边电压跌落。然后,推导了变压器漏感与原边电压跌落时间、副边占空比丢失时间和移相占空比的数学关系,漏感的最佳取值为消除电压跌落对应的最小漏感值。最后,利用样机进行了实验验证,实验结果证明了理论分析的正确性。

关键词：双输出三电平移相全桥变换器死区时间原边电压跌落漏感副边占空比丢失

基于端口电压积分与变下垂系数的逆变器并联下垂控制策略

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电工技术学报 2023年第6期38卷 1596-1607页

作者：谢沁园王瑞田林克文范学鑫杨国润舰船综合电力技术国防科技重点实验室(海军工程大学) 武汉430033

孤岛微电网中逆变器采用传统下垂方法并联时,由于逆变器输出阻抗和线路阻抗差异,可能存在无功功率不均分和输出电压偏移过大的问题。该文分析了并联系统功率分配机理和输出电压外特性,提出了一种基于端口输出电压积分与变下垂系数结合... 详细信息

孤岛微电网中逆变器采用传统下垂方法并联时,由于逆变器输出阻抗和线路阻抗差异,可能存在无功功率不均分和输出电压偏移过大的问题。该文分析了并联系统功率分配机理和输出电压外特性,提出了一种基于端口输出电压积分与变下垂系数结合的下垂控制方法。通过电压电流双环控制器参数设计,实现有功功率和无功功率的解耦,使逆变器适用P-ω/Q-V下垂控制策略;通过无功功率均值与实时无功功率误差调整下垂系数实现无功功率的均分,通过端口输出电压积分抑制输出电压偏移过大。仿真和实验结果表明,该文所提控制方法提高了无功功率均分精度,同时将逆变器输出电压相对于额定电压的偏移维持在±5%范围内。

关键词：逆变器并联下垂控制端口电压积分变下垂系数功率均分