2020年第2期文章目次
2020, 47(2):1-8.
DOI: 10.12177/emca.2019.163
摘要:
大容量旋转超导电机在风力发电、舰船驱动等低速直驱应用领域具有广阔的应用前景。依据是否采用低温耦合传输装置实现低温冷却介质的传输和励磁功率的输入，将旋转超导电机分为动态密封和静态密封超导电机两类。分析了动态密封超导电机的常用定子、转子结构形式及其优缺点。针对静态密封超导电机，以转子分段式磁通切换结构、场调制双定子结构、单体励磁分极式结构等典型拓扑为例，揭示了其能够实现冷却系统静态密封形式的本质原因。最后，对两类超导电机面临的超导励磁绕组失超这一共性问题进行了探讨，从电机本体结构层面，给出了静态密封超导电机抑制电枢反应磁场对超导线圈影响的策略和方法。
大容量旋转超导电机在风力发电、舰船驱动等低速直驱应用领域具有广阔的应用前景。依据是否采用低温耦合传输装置实现低温冷却介质的传输和励磁功率的输入，将旋转超导电机分为动态密封和静态密封超导电机两类。分析了动态密封超导电机的常用定子、转子结构形式及其优缺点。针对静态密封超导电机，以转子分段式磁通切换结构、场调制双定子结构、单体励磁分极式结构等典型拓扑为例，揭示了其能够实现冷却系统静态密封形式的本质原因。最后，对两类超导电机面临的超导励磁绕组失超这一共性问题进行了探讨，从电机本体结构层面，给出了静态密封超导电机抑制电枢反应磁场对超导线圈影响的策略和方法。
2020, 47(2):9-13.
DOI: 10.12177/emca.2019.123
摘要:
针对传统表贴式永磁同步电机（SPMSM）模型预测转矩控制（MPTC）备选电压矢量数目多,计算负担较大等问题，将传统MPTC的7个备选电压矢量精简为1个由开关表输出的电压矢量和1个零电压矢量。仿真结果表明:该控制策略可有效减小转矩脉动和平均开关频率，消除了转速阶跃下的磁链脉动，并将MPTC的运算次数降低到2次或者0次，减少了系统的运算负担。为了进一步提升系统动态特性，提出根据系统状态将直接转矩控制（DTC）与MPTC自适应切换控制的策略。系统处于稳态时，采用基于开关表的MPTC；系统处于动态时，采用DTC。仿真结果表明:该策略结合了MPTC和DTC的优点，在保持控制效果的同时，提高了转矩动态响应，消除了动态下磁链脉动。
针对传统表贴式永磁同步电机（SPMSM）模型预测转矩控制（MPTC）备选电压矢量数目多,计算负担较大等问题，将传统MPTC的7个备选电压矢量精简为1个由开关表输出的电压矢量和1个零电压矢量。仿真结果表明:该控制策略可有效减小转矩脉动和平均开关频率，消除了转速阶跃下的磁链脉动，并将MPTC的运算次数降低到2次或者0次，减少了系统的运算负担。为了进一步提升系统动态特性，提出根据系统状态将直接转矩控制（DTC）与MPTC自适应切换控制的策略。系统处于稳态时，采用基于开关表的MPTC；系统处于动态时，采用DTC。仿真结果表明:该策略结合了MPTC和DTC的优点，在保持控制效果的同时，提高了转矩动态响应，消除了动态下磁链脉动。
2020, 47(2):14-20.
DOI: 10.12177/emca.2019.144
摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)无传感器控制系统中存在滑模高频抖动，转子位置估算误差较大等问题，在传统滑模观测器(SMO)的基础上，提出了一种改进自适应滑模观测器(ASMO)，并使用Lyapunov定理证明了该观测器的稳定性。通过采用分段指数函数代替传统开关函数，结合锁相环(PLL)技术从反电动势中提取转子位置和转速信号，可以有效抑制抖振，减小观测误差。MATLAB仿真结果表明：与传统SMO相比，改进后的ASMO受转速变化影响较小，具有更高的精度和良好的动态性能。
针对永磁同步电机(PMSM)无传感器控制系统中存在滑模高频抖动，转子位置估算误差较大等问题，在传统滑模观测器(SMO)的基础上，提出了一种改进自适应滑模观测器(ASMO)，并使用Lyapunov定理证明了该观测器的稳定性。通过采用分段指数函数代替传统开关函数，结合锁相环(PLL)技术从反电动势中提取转子位置和转速信号，可以有效抑制抖振，减小观测误差。MATLAB仿真结果表明：与传统SMO相比，改进后的ASMO受转速变化影响较小，具有更高的精度和良好的动态性能。
2020, 47(2):21-26.
DOI: 10.12177/emca.2019.147
摘要:
矢量控制系统的关键在于能否实现对磁链的准确定位。为此，针对传统的电压、电流型磁链观测器各自的优缺点和适用范围，提出了一种电压电流组合型磁链观测器。通过比例积分控制实现电压、电流模型的平滑切换。采用梯形法对该组合磁链模型进行离散化处理，实现了感应电机矢量控制系统的数字化。搭建基于DSP28055的物理试验平台，试验结果表明了该方法的有效性，验证了该组合模型在感应电机矢量控制系统中的可行性和优越性。
矢量控制系统的关键在于能否实现对磁链的准确定位。为此，针对传统的电压、电流型磁链观测器各自的优缺点和适用范围，提出了一种电压电流组合型磁链观测器。通过比例积分控制实现电压、电流模型的平滑切换。采用梯形法对该组合磁链模型进行离散化处理，实现了感应电机矢量控制系统的数字化。搭建基于DSP28055的物理试验平台，试验结果表明了该方法的有效性，验证了该组合模型在感应电机矢量控制系统中的可行性和优越性。
2020, 47(2):27-33.
DOI: 10.12177/emca.2019.148
摘要:
针对五桥臂双永磁同步电机（PMSM）系统单矢量模型预测电流控制(MPCC)稳态波动大的问题，提出一种优化的双矢量模型预测电流控制策略。利用无差拍的思想分别独立预测2台电机q轴电流准确跟踪参考值所需时间，筛选出在一个控制周期内能够准确跟踪q轴电流的基本有效矢量。依据公共桥臂开关状态必须一致的特性,选择合适的零矢量对符合条件的矢量进行组合，筛选出使系统性能达到最优的矢量组合作用于五桥臂逆变器驱动双电机，改善系统的运行性能。仿真结果验证了所提双矢量MPCC策略的正确性和有效性。
针对五桥臂双永磁同步电机（PMSM）系统单矢量模型预测电流控制(MPCC)稳态波动大的问题，提出一种优化的双矢量模型预测电流控制策略。利用无差拍的思想分别独立预测2台电机q轴电流准确跟踪参考值所需时间，筛选出在一个控制周期内能够准确跟踪q轴电流的基本有效矢量。依据公共桥臂开关状态必须一致的特性,选择合适的零矢量对符合条件的矢量进行组合，筛选出使系统性能达到最优的矢量组合作用于五桥臂逆变器驱动双电机，改善系统的运行性能。仿真结果验证了所提双矢量MPCC策略的正确性和有效性。
2020, 47(2):34-41.
DOI: 10.12177/emca.2019.149
摘要:
在三级式交流发电系统中一般使用传统PID控制器进行调压控制，但是在某些工况下该控制策略难以满足复杂系统的高精度、快响应要求。通过在传统PID控制器的基础上，分析了其不足之处，引入了模糊PID控制策略。同时,针对模糊PID在系统的动态调节过程中论域过小的问题，提出了一种基于变论域模糊控制理论的PID控制器，并与传统双环PID控制和普通的模糊PID控制在MATLAB/Simulink软件中进行对比仿真，验证了该控制策略具有更好的稳态调节精度和动态调节性能，与传统双环PID控制器相比，稳态误差从0.5%优化到0.3%，动态调节时间从0.4 s缩短至0.2 s。
在三级式交流发电系统中一般使用传统PID控制器进行调压控制，但是在某些工况下该控制策略难以满足复杂系统的高精度、快响应要求。通过在传统PID控制器的基础上，分析了其不足之处，引入了模糊PID控制策略。同时,针对模糊PID在系统的动态调节过程中论域过小的问题，提出了一种基于变论域模糊控制理论的PID控制器，并与传统双环PID控制和普通的模糊PID控制在MATLAB/Simulink软件中进行对比仿真，验证了该控制策略具有更好的稳态调节精度和动态调节性能，与传统双环PID控制器相比，稳态误差从0.5%优化到0.3%，动态调节时间从0.4 s缩短至0.2 s。
2020, 47(2):42-48.
DOI: 10.12177/emca.2019.096
摘要:
电励磁同步电机具有调速范围宽、过载能力强、功率因数可调等优点，广泛应用于大功率传动领域。为此,介绍了一种中性点钳位型（NPC）三电平高压变频器的系统结构及中性点电压平衡控制策略。采用电流频率（IF）控制和滑模观测器（SMO）相结合的无速度传感器矢量控制策略，控制电励磁同步电机变频起动与运行。MATLAB仿真结果验证了采用所提控制策略的变频器具有良好的起动和运行性能，为高压大功率传动应用领域提供了技术保障。
电励磁同步电机具有调速范围宽、过载能力强、功率因数可调等优点，广泛应用于大功率传动领域。为此,介绍了一种中性点钳位型（NPC）三电平高压变频器的系统结构及中性点电压平衡控制策略。采用电流频率（IF）控制和滑模观测器（SMO）相结合的无速度传感器矢量控制策略，控制电励磁同步电机变频起动与运行。MATLAB仿真结果验证了采用所提控制策略的变频器具有良好的起动和运行性能，为高压大功率传动应用领域提供了技术保障。
2020, 47(2):49-53.
DOI: 10.12177/emca.2019.159
摘要:
变频器调速技术虽可实现调速，但结构复杂，易受到电磁干扰，影响设备运行的可靠性。此外，当电网电压波动时，变频器难以保证整个系统正常运行。因此,在发电厂等苛刻环境下的应用受到限制。针对以上问题，提出了一种新型绕组式永磁耦合调速电机，离合采用非机械接触结构，减少了机械损耗；可直接对电动转子进行串级调速，调速迅速，且具备抗电网低电压穿越的能力。通过建立绕组式永磁耦合调速电机有限元分析模型，开展了仿真分析研究，结果表明该电机具备调速功能且转矩稳定，在工业领域中具有广阔的应用前景。
变频器调速技术虽可实现调速，但结构复杂，易受到电磁干扰，影响设备运行的可靠性。此外，当电网电压波动时，变频器难以保证整个系统正常运行。因此,在发电厂等苛刻环境下的应用受到限制。针对以上问题，提出了一种新型绕组式永磁耦合调速电机，离合采用非机械接触结构，减少了机械损耗；可直接对电动转子进行串级调速，调速迅速，且具备抗电网低电压穿越的能力。通过建立绕组式永磁耦合调速电机有限元分析模型，开展了仿真分析研究，结果表明该电机具备调速功能且转矩稳定，在工业领域中具有广阔的应用前景。
2020, 47(2):54-59.
DOI: 10.12177/emca.2019.157
摘要:
针对步进电机实际应用中会出现失步或过冲现象导致的速度和位置控制不准问题，结合吸盘机械手移动定位问题，设计了一种基于PID双闭环算法的步进电机位置控制系统。该系统由STM32控制器、光电编码器、槽型光电开关以及LV8729驱动电路等组成。在软件上研究了以PID双闭环算法为基础，探究了步进电机位置的闭环控制方法，并在实际项目中验证了系统控制方案的可行性和良好的控制性能。
针对步进电机实际应用中会出现失步或过冲现象导致的速度和位置控制不准问题，结合吸盘机械手移动定位问题，设计了一种基于PID双闭环算法的步进电机位置控制系统。该系统由STM32控制器、光电编码器、槽型光电开关以及LV8729驱动电路等组成。在软件上研究了以PID双闭环算法为基础，探究了步进电机位置的闭环控制方法，并在实际项目中验证了系统控制方案的可行性和良好的控制性能。
2020, 47(2):60-65.
DOI: 10.12177/emca.2019.160
摘要:
某大型空冷汽轮发电机转子采用导线双侧进风的冷却方式。为了研究轴径向绕组导线数量、中空导线的通流面积差异、导线位置(径向与周向)对导线内流量、进出口温度、进出口温度差、平均温度的影响，建立了包括端部弧段和轴径向段转子槽内外流域及与之对应的气隙在内的半轴段1/2圆三维物理模型。依据计算流体动力学原理，采用有限体积法，对计算域内的三维热流场进行了数值模拟。结果表明：位于绕组L1、圆周R12的导线具有的最大流量为0.0189 m3/s；温度最高导线位于绕组T5、圆周R2处，达129.10 ℃，在电机正常工作范围内；通过方差分析发现径向、周向位置分布对导线平均温度不均性的影响差异较小，而导线通流面积对其的影响较大。
某大型空冷汽轮发电机转子采用导线双侧进风的冷却方式。为了研究轴径向绕组导线数量、中空导线的通流面积差异、导线位置(径向与周向)对导线内流量、进出口温度、进出口温度差、平均温度的影响，建立了包括端部弧段和轴径向段转子槽内外流域及与之对应的气隙在内的半轴段1/2圆三维物理模型。依据计算流体动力学原理，采用有限体积法，对计算域内的三维热流场进行了数值模拟。结果表明：位于绕组L1、圆周R12的导线具有的最大流量为0.0189 m3/s；温度最高导线位于绕组T5、圆周R2处，达129.10 ℃，在电机正常工作范围内；通过方差分析发现径向、周向位置分布对导线平均温度不均性的影响差异较小，而导线通流面积对其的影响较大。
2020, 47(2):66-71.
DOI: 10.12177/emca.2019.131
摘要:
无刷直流风机大量应用在电子设备的散热系统中，通常要求风机体积小、风量大、调速方便。针对一款12 V无刷直流风机设计控制器，为了降低风机控制器的成本、缩小体积，所有电子元器件均采用表贴式国产化产品，控制器采用无位置传感器方波控制算法，风机通过反电动势（EMF）过零点判断换相位置，采用“三段式”起动。最后制作风机样机并搭建试验平台，对风机的起动性能、风压和流量进行测试，试验结果验证了控制器方案的合理性。
无刷直流风机大量应用在电子设备的散热系统中，通常要求风机体积小、风量大、调速方便。针对一款12 V无刷直流风机设计控制器，为了降低风机控制器的成本、缩小体积，所有电子元器件均采用表贴式国产化产品，控制器采用无位置传感器方波控制算法，风机通过反电动势（EMF）过零点判断换相位置，采用“三段式”起动。最后制作风机样机并搭建试验平台，对风机的起动性能、风压和流量进行测试，试验结果验证了控制器方案的合理性。
2020, 47(2):72-75.
DOI: 10.12177/emca.2019.150
摘要:
以一款280机座号三相异步电动机法兰结构为研究对象，运用SolidWorks三维软件进行实体建模，利用材料力学理论以及有限元分析软件对其结构强度进行了分析校核，为该类型的法兰结构设计提供了优化方向。试验结果为该类型的电机法兰结构强度校核提供了分析支持，为电机法兰结构的强度分析问题提供了一种操作性强并且有效的有限元解决方案。
以一款280机座号三相异步电动机法兰结构为研究对象，运用SolidWorks三维软件进行实体建模，利用材料力学理论以及有限元分析软件对其结构强度进行了分析校核，为该类型的法兰结构设计提供了优化方向。试验结果为该类型的电机法兰结构强度校核提供了分析支持，为电机法兰结构的强度分析问题提供了一种操作性强并且有效的有限元解决方案。
2020, 47(2):76-79.
DOI: 10.12177/emca.2019.152
摘要:
根据电火花加工原理，采用单片机形式,设计了一种电火花磨刀机床的电机控制系统。介绍了采样电路、磨刀电机变频调速电路和磨刀速度控制电路等硬件电路设计和系统软件设计，并对控制系统进行了功能和性能测试。测试结果表明:该电机控制系统能够满足磨刀机床对超硬材料的磨削加工要求。
根据电火花加工原理，采用单片机形式,设计了一种电火花磨刀机床的电机控制系统。介绍了采样电路、磨刀电机变频调速电路和磨刀速度控制电路等硬件电路设计和系统软件设计，并对控制系统进行了功能和性能测试。测试结果表明:该电机控制系统能够满足磨刀机床对超硬材料的磨削加工要求。
2020, 47(2):80-85.
DOI: 10.12177/emca.2019.153
摘要:
针对罗茨真空泵驱动电机在特殊环境下运行温升过高而导致电机烧毁的问题，通过流固耦合法综合选择合适的冷却系统，以保证电机的有效散热。以5 kW电机为研究对象，通过有限元法建立周向螺旋水路和轴向折返水路的电机仿真模型。基于流固耦合传热理论，分析电机内冷却介质的流动状态和电机温度分布，利用计算流体动力学（CFD）和温度场从流速、进出水口压差、电机鼠笼和绕组的温度分布等方面综合比较并选择更合适的冷却水路结构和尺寸配置。最后，对相应样机进行温升试验。试验数据与仿真数据吻合较好，从而验证了冷却系统设计的合理性以及仿真分析的准确性，为产品批量生产提供了科学依据。
针对罗茨真空泵驱动电机在特殊环境下运行温升过高而导致电机烧毁的问题，通过流固耦合法综合选择合适的冷却系统，以保证电机的有效散热。以5 kW电机为研究对象，通过有限元法建立周向螺旋水路和轴向折返水路的电机仿真模型。基于流固耦合传热理论，分析电机内冷却介质的流动状态和电机温度分布，利用计算流体动力学（CFD）和温度场从流速、进出水口压差、电机鼠笼和绕组的温度分布等方面综合比较并选择更合适的冷却水路结构和尺寸配置。最后，对相应样机进行温升试验。试验数据与仿真数据吻合较好，从而验证了冷却系统设计的合理性以及仿真分析的准确性，为产品批量生产提供了科学依据。
2020, 47(2):86-90.
DOI: 10.12177/emca.2019.138
摘要:
针对并联逆变器线路阻抗差异导致的无功功率分配不平均以及环流问题，提出了一种基于无功功率自适应补偿的改进型下垂控制策略。在传统的电压-无功功率下垂控制的基础上，引入无功功率的偏差作为补偿量，通过无功功率的自适应调节，改善无功功率的分配精度，实现环流抑制。最后，在MATLAB/Simulink仿真和NI PXIe1071试验平台上进行了验证，证明改进的下垂控制可以有效地改善无功分配以及较好地抑制环流。
针对并联逆变器线路阻抗差异导致的无功功率分配不平均以及环流问题，提出了一种基于无功功率自适应补偿的改进型下垂控制策略。在传统的电压-无功功率下垂控制的基础上，引入无功功率的偏差作为补偿量，通过无功功率的自适应调节，改善无功功率的分配精度，实现环流抑制。最后，在MATLAB/Simulink仿真和NI PXIe1071试验平台上进行了验证，证明改进的下垂控制可以有效地改善无功分配以及较好地抑制环流。
2020, 47(2):91-96.
DOI: 10.12177/emca.2019.145
摘要:
锂电池作为光储微网的储能电池，能够提高光伏发电系统的稳定性，改善电能质量，但成本高昂。将电动汽车的退役动力锂电池用于光储微网的储能单元，不仅可以降低投资成本，还可以缓解大批量电池进入回收阶段的压力。首先基于锂电池的工作原理，构建了退役动力锂电池的等效电路模型。接着建立了储能变流器和多重双向DC/DC变换器级联拓扑，储能变流器采用电压外环、电流内环的双闭环策略，稳定直流母线的电压；多重双向DC/DC变换器采用以电池组的荷电状态（SOC）为约束条件的双闭环控制策略，平抑光伏发电系统的功率波动。最后搭建了基于退役锂电池储能的光储微网系统，验证了控制策略的有效性。
锂电池作为光储微网的储能电池，能够提高光伏发电系统的稳定性，改善电能质量，但成本高昂。将电动汽车的退役动力锂电池用于光储微网的储能单元，不仅可以降低投资成本，还可以缓解大批量电池进入回收阶段的压力。首先基于锂电池的工作原理，构建了退役动力锂电池的等效电路模型。接着建立了储能变流器和多重双向DC/DC变换器级联拓扑，储能变流器采用电压外环、电流内环的双闭环策略，稳定直流母线的电压；多重双向DC/DC变换器采用以电池组的荷电状态（SOC）为约束条件的双闭环控制策略，平抑光伏发电系统的功率波动。最后搭建了基于退役锂电池储能的光储微网系统，验证了控制策略的有效性。
2020, 47(2):97-103.
DOI: 10.12177/emca.2019.155
摘要:
为了提高电动汽车车辆到电网(V2G)的稳定性，增强其友好互动，设计了一种新型电动汽车V2G充放电模型，并提出了基于虚拟电机的电动汽车V2G充放电控制策略。电动汽车DC接口采用虚拟直流电机控制，电网AC接口采用虚拟同步电机控制。与传统V2G结构相比，在两侧接口处采用隔离型双向DC/DC变换器连接。在此基础上，对于虚拟直流电机的参数整定，根据电动汽车初始电池荷电状态(SOC)确定阻尼系数以决定电动汽车组的功率分配，并根据SOC的变化实时调节虚拟惯量以提高电动汽车参与电网频率调节的能力。在不同电网状态下对具有不同初始SOC的电动汽车采用所提控制策略进行仿真测试，结果表明，该策略能够在兼顾电动汽车用户需求的同时，有效协调V2G功率双向流动，并减少并网点谐波电流，进而维持电网稳定运行。
为了提高电动汽车车辆到电网(V2G)的稳定性，增强其友好互动，设计了一种新型电动汽车V2G充放电模型，并提出了基于虚拟电机的电动汽车V2G充放电控制策略。电动汽车DC接口采用虚拟直流电机控制，电网AC接口采用虚拟同步电机控制。与传统V2G结构相比，在两侧接口处采用隔离型双向DC/DC变换器连接。在此基础上，对于虚拟直流电机的参数整定，根据电动汽车初始电池荷电状态(SOC)确定阻尼系数以决定电动汽车组的功率分配，并根据SOC的变化实时调节虚拟惯量以提高电动汽车参与电网频率调节的能力。在不同电网状态下对具有不同初始SOC的电动汽车采用所提控制策略进行仿真测试，结果表明，该策略能够在兼顾电动汽车用户需求的同时，有效协调V2G功率双向流动，并减少并网点谐波电流，进而维持电网稳定运行。
2020, 47(2):104-110.
DOI: 10.12177/emca.2019.171
摘要:
永磁同步电机(PMSM)电磁动态特性分析对电力传动系统运行与故障诊断策略研究具有重要作用。针对多相PMSM磁链的动态特性进行分析，推导了电感与转子位置关系，基于五相PMSM定子磁链的动态数学模型，采用MATLAB软件对五相PMSM在不同缺相故障下的磁链、电感特性进行建模和仿真，并对仿真结果进行了比较分析。研究结果可以为PMSM缺相故障诊断和容错控制提供一定的理论参考。
永磁同步电机(PMSM)电磁动态特性分析对电力传动系统运行与故障诊断策略研究具有重要作用。针对多相PMSM磁链的动态特性进行分析，推导了电感与转子位置关系，基于五相PMSM定子磁链的动态数学模型，采用MATLAB软件对五相PMSM在不同缺相故障下的磁链、电感特性进行建模和仿真，并对仿真结果进行了比较分析。研究结果可以为PMSM缺相故障诊断和容错控制提供一定的理论参考。
《电机与控制应用》
月刊，1959年创刊
- 主管单位：上海市经济和信息化委员会
- 主办单位：上海电器科学研究所（集团）有限公司
- 刊号：ISSN 1673-6540
- CN 31-1959/TM
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