2021年第48卷第1期文章目次
2021, 48(1):1-7，19.
DOI: 10.12177/emca.2020.195
摘要:
电励磁双凸极电机具有结构简单可靠、容错性能好、控制灵活等优势，可构成一种具有竞争力的新型航空无刷直流起动发电机系统。简述了电励磁双凸极起动发电机系统的构成及其工作原理。针对航空电源这一特殊应用领域的要求，对电励磁双凸极起动发电机高可靠性控制、高效率高功率密度控制、集成化控制等关键技术进行了归纳总结。讨论了电励磁双凸极起动发电机控制关键技术的未来发展趋势。
电励磁双凸极电机具有结构简单可靠、容错性能好、控制灵活等优势，可构成一种具有竞争力的新型航空无刷直流起动发电机系统。简述了电励磁双凸极起动发电机系统的构成及其工作原理。针对航空电源这一特殊应用领域的要求，对电励磁双凸极起动发电机高可靠性控制、高效率高功率密度控制、集成化控制等关键技术进行了归纳总结。讨论了电励磁双凸极起动发电机控制关键技术的未来发展趋势。
2021, 48(1):8-13.
DOI: 10.12177/emca.2020.163
摘要:
可控励磁直线同步电机磁悬浮控制系统具有非线性以及扰动不确定性的特点，采用模糊PID控制具有很强的针对性，然而，模糊PID控制器为三输入单输出控制器，其规则数太多，使得控制器设计非常复杂。因此，对可控励磁直线同步电机磁悬浮控制系统提出合成模糊控制。研究可控励磁直线同步电机的结构，建立磁悬浮直线同步电机的数学模型。合成模糊控制器采用模糊PD控制器和模糊积分器的合成构成模糊PID控制器，在减少模糊控制规则数的同时提高磁悬浮控制系统的稳态精度，因此分别设计模糊PD控制器和模糊积分控制器，包括模糊化、模糊推理、去模糊化等。在MATLAB中建立可控励磁直线同步电机磁悬浮控制系统的仿真模型并进行仿真研究。结果表明合成模糊控制器具有良好的控制效果，可以减小稳态误差提高控制精度。
可控励磁直线同步电机磁悬浮控制系统具有非线性以及扰动不确定性的特点，采用模糊PID控制具有很强的针对性，然而，模糊PID控制器为三输入单输出控制器，其规则数太多，使得控制器设计非常复杂。因此，对可控励磁直线同步电机磁悬浮控制系统提出合成模糊控制。研究可控励磁直线同步电机的结构，建立磁悬浮直线同步电机的数学模型。合成模糊控制器采用模糊PD控制器和模糊积分器的合成构成模糊PID控制器，在减少模糊控制规则数的同时提高磁悬浮控制系统的稳态精度，因此分别设计模糊PD控制器和模糊积分控制器，包括模糊化、模糊推理、去模糊化等。在MATLAB中建立可控励磁直线同步电机磁悬浮控制系统的仿真模型并进行仿真研究。结果表明合成模糊控制器具有良好的控制效果，可以减小稳态误差提高控制精度。
2021, 48(1):14-19.
DOI: 10.12177/emca.2020.183
摘要:
针对传统六相永磁同步发电机(PMSG)单矢量模型预测直接功率控制(MPDPC)电流谐波大、有功和无功功率波动剧烈的问题，提出了一种占空比合成矢量MPDPC。通过对六相整流器的最大和中大电压矢量进行重构，获得12个合成矢量，实现了对谐波电流的有效抑制。在此基础上，提出在每个周期内同时作用一个合成矢量和零矢量，并根据有功和无功预测无差拍原理计算最优占空比，进一步抑制了有功和无功功率脉动。试验结果表明，所提占空比合成矢量MPDPC可以有效减少电流谐波和功率脉动。
针对传统六相永磁同步发电机(PMSG)单矢量模型预测直接功率控制(MPDPC)电流谐波大、有功和无功功率波动剧烈的问题，提出了一种占空比合成矢量MPDPC。通过对六相整流器的最大和中大电压矢量进行重构，获得12个合成矢量，实现了对谐波电流的有效抑制。在此基础上，提出在每个周期内同时作用一个合成矢量和零矢量，并根据有功和无功预测无差拍原理计算最优占空比，进一步抑制了有功和无功功率脉动。试验结果表明，所提占空比合成矢量MPDPC可以有效减少电流谐波和功率脉动。
2021, 48(1):20-27，34.
DOI: 10.12177/emca.2020.175
摘要:
为了消除感应电机(IM)传统模型预测转矩控制（MPTC）的加权值和减小算法的计算量，提出一种基于无差拍控制的无权值MPTC方法。通过转矩、磁链和电压之间的关系，基于磁链无差拍控制，得到一个期望电压矢量。通过判断期望电压矢量的位置，将电压控制集数量从8个减少为2个，减小了MPTC的计算负担。此外，价值函数中只含有一个转矩变量即可达到期望的控制效果，避免了加权值的设计。采用简化后的三矢量合成虚拟电压矢量，在扩大矢量选择域的同时也降低了传统虚拟矢量算法的复杂度，提高控制的稳态性能。仿真和试验结果证明所提方法具有良好的动、静态性能。
为了消除感应电机(IM)传统模型预测转矩控制（MPTC）的加权值和减小算法的计算量，提出一种基于无差拍控制的无权值MPTC方法。通过转矩、磁链和电压之间的关系，基于磁链无差拍控制，得到一个期望电压矢量。通过判断期望电压矢量的位置，将电压控制集数量从8个减少为2个，减小了MPTC的计算负担。此外，价值函数中只含有一个转矩变量即可达到期望的控制效果，避免了加权值的设计。采用简化后的三矢量合成虚拟电压矢量，在扩大矢量选择域的同时也降低了传统虚拟矢量算法的复杂度，提高控制的稳态性能。仿真和试验结果证明所提方法具有良好的动、静态性能。
2021, 48(1):28-34.
DOI: 10.12177/emca.2020.176
摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)驱动系统中存在的共模电压高、电流脉动大的问题，提出将无零矢量调制（NSPWM）方法与三矢量模型预测电流控制算法结合进行控制。已有的单矢量模型共模电压抑制策略电压矢量方向固定，可选矢量范围有限，电流脉动仍较大。而三矢量模型预测电流控制共模电压抑制策略基于NSPWM在每个扇区利用3个非零矢量合成目标电压矢量，矢量范围覆盖广。结合无差拍电流控制，在实现共模电压抑制的同时，还能减小电流脉动，提高系统动态响应。通过仿真和试验验证了所提控制策略的有效性。
针对永磁同步电机(PMSM)驱动系统中存在的共模电压高、电流脉动大的问题，提出将无零矢量调制（NSPWM）方法与三矢量模型预测电流控制算法结合进行控制。已有的单矢量模型共模电压抑制策略电压矢量方向固定，可选矢量范围有限，电流脉动仍较大。而三矢量模型预测电流控制共模电压抑制策略基于NSPWM在每个扇区利用3个非零矢量合成目标电压矢量，矢量范围覆盖广。结合无差拍电流控制，在实现共模电压抑制的同时，还能减小电流脉动，提高系统动态响应。通过仿真和试验验证了所提控制策略的有效性。
2021, 48(1):35-40.
DOI: 10.12177/emca.2020.178
摘要:
在电网电压不平衡条件下基于虚拟同步发电机(VSG)控制策略的逆变器输出三相电流不平衡并且电流幅值过大。针对此问题，提出一种基于电网电压前馈的VSG平衡电流控制策略。利用VSG电流内环的控制框图推导出前馈控制器的传递函数，再将电网电压经前馈控制器前馈至电流内环，减轻故障电压对电流波形的干扰，降低电流畸变率。将瞬时有功、无功功率的平均值反馈到VSG算法得到抑制负序电流的电压参考指令，在电网电压故障期间使并网电流依然保持三相平衡而且幅值稳定。最后通过MATLAB/Simulink仿真证明了所提控制策略的有效性。
在电网电压不平衡条件下基于虚拟同步发电机(VSG)控制策略的逆变器输出三相电流不平衡并且电流幅值过大。针对此问题，提出一种基于电网电压前馈的VSG平衡电流控制策略。利用VSG电流内环的控制框图推导出前馈控制器的传递函数，再将电网电压经前馈控制器前馈至电流内环，减轻故障电压对电流波形的干扰，降低电流畸变率。将瞬时有功、无功功率的平均值反馈到VSG算法得到抑制负序电流的电压参考指令，在电网电压故障期间使并网电流依然保持三相平衡而且幅值稳定。最后通过MATLAB/Simulink仿真证明了所提控制策略的有效性。
2021, 48(1):41-45，104.
DOI: 10.12177/emca.2020.181
摘要:
风电功率预测对风电场安全平稳运行、电网调度具有重要意义。针对风电功率短期预测指标选择不合理、预测精确度偏低的问题，提出一种基于皮尔逊相关系数(PCC)和径向基函数(RBF)神经网络的风电功率短期预测方法。该方法利用PCC筛选出与风电功率密切相关的3个指标，即电流、温度、风速，然后以这3个指标作为预测模型的输入对风电功率进行RBF样本训练与短期预测。试验结果表明，所提的预测模型预测误差更小，预测精度更高，能够满足风电功率短期预测的要求，具有广泛的应用前景。
风电功率预测对风电场安全平稳运行、电网调度具有重要意义。针对风电功率短期预测指标选择不合理、预测精确度偏低的问题，提出一种基于皮尔逊相关系数(PCC)和径向基函数(RBF)神经网络的风电功率短期预测方法。该方法利用PCC筛选出与风电功率密切相关的3个指标，即电流、温度、风速，然后以这3个指标作为预测模型的输入对风电功率进行RBF样本训练与短期预测。试验结果表明，所提的预测模型预测误差更小，预测精度更高，能够满足风电功率短期预测的要求，具有广泛的应用前景。
2021, 48(1):46-52.
DOI: 10.12177/emca.2020.185
摘要:
针对电力系统暂态稳定评估实时性较差以及错误率较高的问题，提出了一种核主成分分析结合深度置信网络的暂态稳定评估方法。首先，构造了一组反映电力系统暂态稳定的特征向量；然后，基于核主成分分析法对特征向量集进行特征提取，降维特征向量维数以及过滤冗余特征，将降维后的特征向量传输至深度置信网络；最后，进行训练分析，训练过程包括预训练和微调，优化网络参数，提升深度置信网络评估精度。新英格兰10机39节点系统仿真结果表明，该方法可以有效降低输入数据的维数，去除冗余特征，降低暂态稳定性评估的错误率和测试时间，能准确、快速地判断电力系统的稳态状态。
针对电力系统暂态稳定评估实时性较差以及错误率较高的问题，提出了一种核主成分分析结合深度置信网络的暂态稳定评估方法。首先，构造了一组反映电力系统暂态稳定的特征向量；然后，基于核主成分分析法对特征向量集进行特征提取，降维特征向量维数以及过滤冗余特征，将降维后的特征向量传输至深度置信网络；最后，进行训练分析，训练过程包括预训练和微调，优化网络参数，提升深度置信网络评估精度。新英格兰10机39节点系统仿真结果表明，该方法可以有效降低输入数据的维数，去除冗余特征，降低暂态稳定性评估的错误率和测试时间，能准确、快速地判断电力系统的稳态状态。
2021, 48(1):53-60.
DOI: 10.12177/emca.2020.174
摘要:
齿槽转矩是永磁电机的重要问题之一，削弱齿槽转矩可以减少转矩脉动、降低电磁噪声、提高电机运行稳定性。基于磁极参数对表贴式永磁同步电机(SPMSM)的齿槽转矩进行了研究，基于能量法和傅里叶分解推导了不同永磁体模型下的齿槽转矩公式。研究发现，磁极参数的改变影响永磁体剩磁在气隙中分布和气隙相对磁导率的大小，进而改变齿槽转矩的大小。然后结合有限元方法对不同永磁体模型下的电机齿槽转矩进行了仿真分析，发现削极结构和组合磁极对齿槽转矩削弱明显，并通过有限元方法优化了这2种结构的磁极参数，最后分析对电机其他性能的影响。研究表明，合理地选择永磁体参数可以在确保电机性能的同时显著降低齿槽转矩。
齿槽转矩是永磁电机的重要问题之一，削弱齿槽转矩可以减少转矩脉动、降低电磁噪声、提高电机运行稳定性。基于磁极参数对表贴式永磁同步电机(SPMSM)的齿槽转矩进行了研究，基于能量法和傅里叶分解推导了不同永磁体模型下的齿槽转矩公式。研究发现，磁极参数的改变影响永磁体剩磁在气隙中分布和气隙相对磁导率的大小，进而改变齿槽转矩的大小。然后结合有限元方法对不同永磁体模型下的电机齿槽转矩进行了仿真分析，发现削极结构和组合磁极对齿槽转矩削弱明显，并通过有限元方法优化了这2种结构的磁极参数，最后分析对电机其他性能的影响。研究表明，合理地选择永磁体参数可以在确保电机性能的同时显著降低齿槽转矩。
2021, 48(1):61-67.
DOI: 10.12177/emca.2020.179
摘要:
矿井风机性能直接影响着煤矿的安全生产，为了保证双转子对转永磁同步电机（CDPMSM）维持等速，研究了对旋风机用CDPMSM的同步技术。通过特殊的永磁材料和双转子尺寸配合方法，保证稳态时2个转子的同步。分析了定子耦合磁场的变化特点，引入定子铁心法向磁阻和切向磁阻，建立了基于并联磁路的等效磁网络模型。建立了偏差耦合控制系统，保证双转子动态同步能力。研究结果表明，该电机在不对称负载时能保持较好的转速同步能力。
矿井风机性能直接影响着煤矿的安全生产，为了保证双转子对转永磁同步电机（CDPMSM）维持等速，研究了对旋风机用CDPMSM的同步技术。通过特殊的永磁材料和双转子尺寸配合方法，保证稳态时2个转子的同步。分析了定子耦合磁场的变化特点，引入定子铁心法向磁阻和切向磁阻，建立了基于并联磁路的等效磁网络模型。建立了偏差耦合控制系统，保证双转子动态同步能力。研究结果表明，该电机在不对称负载时能保持较好的转速同步能力。
2021, 48(1):68-72,77.
DOI: 10.12177/emca.2020.168
摘要:
风力发电机锁紧盘内外环锥面锥角对锁紧盘的内外环摩擦力影响较大，但目前其内外环角度数值缺乏相关的理论分析支撑。为此，通过有限元仿真，对锁紧盘过盈连接后内外环不同锥角的应力分布、变形范围、应力变化进行理论分析，并对仿真数据与理论计算数据进行比较，计算理论与仿真的误差率，作出折线图。结果表明，风力发电锁紧盘内外环锥面角度在3°左右最合适。角度值越逼近3°，理论计算的过盈量值与仿真分析的过盈量值误差率最小。一般情况由外而内，锁紧盘各接触面接触压力值逐渐递减，其对应的接触面过盈量值也逐渐递减。在外环与内环接触面上，过盈量关于角度变化的线性程度最高，过盈量与角度值之比约为1.38。
风力发电机锁紧盘内外环锥面锥角对锁紧盘的内外环摩擦力影响较大，但目前其内外环角度数值缺乏相关的理论分析支撑。为此，通过有限元仿真，对锁紧盘过盈连接后内外环不同锥角的应力分布、变形范围、应力变化进行理论分析，并对仿真数据与理论计算数据进行比较，计算理论与仿真的误差率，作出折线图。结果表明，风力发电锁紧盘内外环锥面角度在3°左右最合适。角度值越逼近3°，理论计算的过盈量值与仿真分析的过盈量值误差率最小。一般情况由外而内，锁紧盘各接触面接触压力值逐渐递减，其对应的接触面过盈量值也逐渐递减。在外环与内环接触面上，过盈量关于角度变化的线性程度最高，过盈量与角度值之比约为1.38。
2021, 48(1):73-77.
DOI: 10.12177/emca.2020.169
摘要:
IE5为国际电工委员会（IEC）于2016年发布的目前全球最高的电动机能效等级。针对IE5能效等级目标开展了三相异步电动机研制。在设计方面，主要考虑采用优质的冷轧硅钢片，尝试不同风扇结构型式和不等匝绕组型式，并针对小功率电机考虑采用铸铜转子工艺方案，降低了电机损耗。在工艺方面，主要考虑提高加工精度，减小定、转子冲片毛刺等，进一步降低电机的空载损耗。样机测试结果表明，效率、功率因数、起动电流、起动转矩、最大转矩、温升等指标均达到设计要求，实现了IE5能效等级三相异步电动机研制目标。
IE5为国际电工委员会（IEC）于2016年发布的目前全球最高的电动机能效等级。针对IE5能效等级目标开展了三相异步电动机研制。在设计方面，主要考虑采用优质的冷轧硅钢片，尝试不同风扇结构型式和不等匝绕组型式，并针对小功率电机考虑采用铸铜转子工艺方案，降低了电机损耗。在工艺方面，主要考虑提高加工精度，减小定、转子冲片毛刺等，进一步降低电机的空载损耗。样机测试结果表明，效率、功率因数、起动电流、起动转矩、最大转矩、温升等指标均达到设计要求，实现了IE5能效等级三相异步电动机研制目标。
2021, 48(1):78-82.
DOI: 10.12177/emca.2020.171
摘要:
软磁复合(SMC)材料因其材料特性及微观结构特点，具有涡流损耗系数低、各向同性等优点，适用于超高速永磁同步电机(PMSM)设计，可以有效降低电机铁耗。以1台额定转速4 000 r/min、额定频率533.33 Hz的PMSM为例，从电磁特性、铁耗分析计算等角度对SMC材料及硅钢片进行对比分析及有限元仿真计算，通过样机试验验证SMC材料分析结果的有效性。利用该分析方法，以1台采用SMC材料的120 000 r/min的超高速PMSM为例，对比分析不同极槽配合对电磁性能的影响，对SMC材料应用于超高速PMSM提供一定的指导。
软磁复合(SMC)材料因其材料特性及微观结构特点，具有涡流损耗系数低、各向同性等优点，适用于超高速永磁同步电机(PMSM)设计，可以有效降低电机铁耗。以1台额定转速4 000 r/min、额定频率533.33 Hz的PMSM为例，从电磁特性、铁耗分析计算等角度对SMC材料及硅钢片进行对比分析及有限元仿真计算，通过样机试验验证SMC材料分析结果的有效性。利用该分析方法，以1台采用SMC材料的120 000 r/min的超高速PMSM为例，对比分析不同极槽配合对电磁性能的影响，对SMC材料应用于超高速PMSM提供一定的指导。
2021, 48(1):83-89,94.
DOI: 10.12177/emca.2020.167
摘要:
近年来，基于模块化多电平变换器(MMC)的电压源型高压直流输电技术得到广泛的应用。为了在不增加开关频率的情况下尽可能减小子模块电容电压波动，同时降低系统输出中的谐波含量，通过结合最近电平逼近调制(NLM)和脉宽调制（PWM）两者的优势，提出一种能够满足高压直流输电要求的混合调制策略。该方法在阶梯调制的基础上加入PWM，对误差信号进行二次调制，采用子模块单元选择法并构造电容电压平均、平衡控制和电流闭环控制，对各桥臂子模块投切状态进行实时反馈修正，使系统在较低的开关频率下仍能对子模块电容电压波动以及输出谐波含量进行有效优化，最后在MATLAB/Simulink平台上验证了该方法是有效可行的。
近年来，基于模块化多电平变换器(MMC)的电压源型高压直流输电技术得到广泛的应用。为了在不增加开关频率的情况下尽可能减小子模块电容电压波动，同时降低系统输出中的谐波含量，通过结合最近电平逼近调制(NLM)和脉宽调制（PWM）两者的优势，提出一种能够满足高压直流输电要求的混合调制策略。该方法在阶梯调制的基础上加入PWM，对误差信号进行二次调制，采用子模块单元选择法并构造电容电压平均、平衡控制和电流闭环控制，对各桥臂子模块投切状态进行实时反馈修正，使系统在较低的开关频率下仍能对子模块电容电压波动以及输出谐波含量进行有效优化，最后在MATLAB/Simulink平台上验证了该方法是有效可行的。
2021, 48(1):90-94.
DOI: 10.12177/emca.2020.165
摘要:
为了验证异步电机变频调速在输油站应用的实际应用效果，进行了变频调速泵(离心泵)的工作特性分析、运动流体的能量分析和电机功率因数的分析。然后，对某输油站串联安装且同时运行的变频离心泵和非变频(工频)离心泵近一年的运行数据进行分析验证。理论分析和数据统计分析的结果一致。结果表明异步电动机变频调速(降频)运行后，节能效果显著，且输油管道压力调节范围更大，提高了电机的功率因数。
为了验证异步电机变频调速在输油站应用的实际应用效果，进行了变频调速泵(离心泵)的工作特性分析、运动流体的能量分析和电机功率因数的分析。然后，对某输油站串联安装且同时运行的变频离心泵和非变频(工频)离心泵近一年的运行数据进行分析验证。理论分析和数据统计分析的结果一致。结果表明异步电动机变频调速(降频)运行后，节能效果显著，且输油管道压力调节范围更大，提高了电机的功率因数。
2021, 48(1):95-100.
DOI: 10.12177/emca.2020.172
摘要:
为了实现风机运维机器人中的控制器、传感器应用及执行部件的系统集成，提出了一种上位机控制界面的设计方法。该方法主要解决了作为上位机的控制系统(包括工控机及上位机控制界面)与下位机(包括视觉系统、磁测量系统和驱动系统3个子系统)进行系统集成的问题。同时，在上位机控制界面的后台程序里，针对视觉系统采集到的坐标数值和角度数值，进行判断实际数值是否符合基准值的要求，从而判定风机中的螺栓是否有松动。通过比较磁测量系统采集到的磁通量和应力实际数值与基准值，判定螺栓是否有损坏的情况。在控制系统中开发了上位机控制界面，实现了对视觉系统、磁测量系统和驱动系统的联合控制。同时，该系统具备检测螺栓是否松动和损坏的功能。
为了实现风机运维机器人中的控制器、传感器应用及执行部件的系统集成，提出了一种上位机控制界面的设计方法。该方法主要解决了作为上位机的控制系统(包括工控机及上位机控制界面)与下位机(包括视觉系统、磁测量系统和驱动系统3个子系统)进行系统集成的问题。同时，在上位机控制界面的后台程序里，针对视觉系统采集到的坐标数值和角度数值，进行判断实际数值是否符合基准值的要求，从而判定风机中的螺栓是否有松动。通过比较磁测量系统采集到的磁通量和应力实际数值与基准值，判定螺栓是否有损坏的情况。在控制系统中开发了上位机控制界面，实现了对视觉系统、磁测量系统和驱动系统的联合控制。同时，该系统具备检测螺栓是否松动和损坏的功能。
2021, 48(1):101-104.
DOI: 10.12177/emca.2020.184
摘要:
多极电机具有槽数多、跨距短、槽满率高等特点。对此类电机而言，若采用普通三相异步电动机嵌线工艺，操作难度大，且有绕组定子铁心的故障率高。针对这一问题，介绍15 kW发电机有绕组定子制造工艺的改进方案。通过工艺改进，可以降低绕组嵌线难度和故障率，提高劳动效率。
多极电机具有槽数多、跨距短、槽满率高等特点。对此类电机而言，若采用普通三相异步电动机嵌线工艺，操作难度大，且有绕组定子铁心的故障率高。针对这一问题，介绍15 kW发电机有绕组定子制造工艺的改进方案。通过工艺改进，可以降低绕组嵌线难度和故障率，提高劳动效率。
《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
- 地址：上海市武宁路505号
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