2021年第48卷第7期文章目次
2021, 48(7):1-10.
DOI: 10.12177/emca.2021.047
摘要:
采油是典型高耗能行业，由于采油系统存在重载、轻载、空载、发电运行工况，抽油机系统电源侧、驱动环节以及负荷侧均处于低能效运行状态。因此，针对性研究此类负荷的节能技术，是一种实现油田采油系统节能减排的重要途径。对驱动环节应用最为广泛的调压、节能电机、断续供电节能技术的特点与现状进行了系统研究。首先在深入分析抽油机电机（BPM）系统工况与能耗特点的基础上，对不改变BPM运行周期与冲次的非参数型节能技术，按照不同节能机理与实现方法进行了分类；其次，对应用比较广泛的调压、节能电机、断续供电等节能技术的特点进行了系统分析；最后，围绕节能效果明显且应用范围更广的节能技术，提出了系统能效精细化分析、多种节能技术融合、区域性节能综合改造等建议。
采油是典型高耗能行业，由于采油系统存在重载、轻载、空载、发电运行工况，抽油机系统电源侧、驱动环节以及负荷侧均处于低能效运行状态。因此，针对性研究此类负荷的节能技术，是一种实现油田采油系统节能减排的重要途径。对驱动环节应用最为广泛的调压、节能电机、断续供电节能技术的特点与现状进行了系统研究。首先在深入分析抽油机电机（BPM）系统工况与能耗特点的基础上，对不改变BPM运行周期与冲次的非参数型节能技术，按照不同节能机理与实现方法进行了分类；其次，对应用比较广泛的调压、节能电机、断续供电等节能技术的特点进行了系统分析；最后，围绕节能效果明显且应用范围更广的节能技术，提出了系统能效精细化分析、多种节能技术融合、区域性节能综合改造等建议。
2021, 48(7):11-17.
DOI: 10.12177/emca.2021.054
摘要:
电机推进器的效率直接影响自主/遥控水下机器人(ARV)的续航能力，不仅和电机自身效率有关，还和导管、螺旋桨结构参数有关。针对万米ARV所用推进器，基于坐标变换进行导管螺旋桨三维建模。搭建导管螺旋桨计算流体力学(CFD)仿真模型，分析其水动力性能。通过永磁推进电机本体与控制系统联合仿真，计算电机损耗和效率。分析在导管螺旋桨产生的总推力一定的条件下，其盘面比、纵倾角及导管攻角与推进器整体效率之间的关系。仿真结果对导管螺旋桨的设计和优化具有一定的指导意义。
电机推进器的效率直接影响自主/遥控水下机器人(ARV)的续航能力，不仅和电机自身效率有关，还和导管、螺旋桨结构参数有关。针对万米ARV所用推进器，基于坐标变换进行导管螺旋桨三维建模。搭建导管螺旋桨计算流体力学(CFD)仿真模型，分析其水动力性能。通过永磁推进电机本体与控制系统联合仿真，计算电机损耗和效率。分析在导管螺旋桨产生的总推力一定的条件下，其盘面比、纵倾角及导管攻角与推进器整体效率之间的关系。仿真结果对导管螺旋桨的设计和优化具有一定的指导意义。
2021, 48(7):18-25.
DOI: 10.12177/emca.2021.039
摘要:
对永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制(DTC)系统和基于定子磁链坐标系的模型预测转矩控制(MPTC)系统的控制性能、平均开关频率、参数鲁棒性等进行比较。DTC系统结构简单，平均开关频率较低，但磁链和转矩脉动大于MPTC。MPTC性能较好，但计算复杂，实时性较差。同时，两者均存在参数失配鲁棒性较差和开关频率不恒定的共性问题。针对开关频率不恒定的问题，提出一种开关频率固定的PMSM MPTC方法，可将每个采样周期开关切换次数固定为2次。仿真结果表明：该方法可使开关频率固定为采样频率的1/3，且将备选开关状态减少为3个。
对永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制(DTC)系统和基于定子磁链坐标系的模型预测转矩控制(MPTC)系统的控制性能、平均开关频率、参数鲁棒性等进行比较。DTC系统结构简单，平均开关频率较低，但磁链和转矩脉动大于MPTC。MPTC性能较好，但计算复杂，实时性较差。同时，两者均存在参数失配鲁棒性较差和开关频率不恒定的共性问题。针对开关频率不恒定的问题，提出一种开关频率固定的PMSM MPTC方法，可将每个采样周期开关切换次数固定为2次。仿真结果表明：该方法可使开关频率固定为采样频率的1/3，且将备选开关状态减少为3个。
2021, 48(7):26-33.
DOI: 10.12177/emca.2021.050
摘要:
受磁路饱和与交叉耦合效应的影响，永磁辅助同步磁阻电机(PMASynRM)的dq轴电感具有不稳定性。为适应电感不稳定性并提高系统鲁棒性，采取一种基于扩展反电动势的改进型滑模观测器(SMO)无位置传感器控制算法，以估算电机的位置信息。使用超螺旋滑模观测器(ST-SMO)代替传统滑模观测器，使用Sigmoid函数代替传统sgn符号函数，提高滑模观测器系统的抗抖振能力。引入静止坐标系锁相环(PLL)提取转子位置信息。基于MATLAB/Simulink搭建改进型滑模观测器无位置传感器矢量控制模型，通过仿真验证了该算法可以快速准确地估计转子位置，具有较好的抗抖振性和动稳态性能。
受磁路饱和与交叉耦合效应的影响，永磁辅助同步磁阻电机(PMASynRM)的dq轴电感具有不稳定性。为适应电感不稳定性并提高系统鲁棒性，采取一种基于扩展反电动势的改进型滑模观测器(SMO)无位置传感器控制算法，以估算电机的位置信息。使用超螺旋滑模观测器(ST-SMO)代替传统滑模观测器，使用Sigmoid函数代替传统sgn符号函数，提高滑模观测器系统的抗抖振能力。引入静止坐标系锁相环(PLL)提取转子位置信息。基于MATLAB/Simulink搭建改进型滑模观测器无位置传感器矢量控制模型，通过仿真验证了该算法可以快速准确地估计转子位置，具有较好的抗抖振性和动稳态性能。
2021, 48(7):34-38.
DOI: 10.12177/emca.2021.041
摘要:
在分析城际动车组单相四象限整流器拓扑结构的基础上，得到单相四象限整流器的数学模型，并采用电压外环和电流内环的控制策略，分别以直流侧给定电压、网侧给定电流为控制对象，实现直流侧电压和网侧电流的无差、准确控制。通过Simulink仿真及试验验证了该控制策略。试验结果表明：从预充电过程过渡到脉冲整流过程中，直流侧电压超调量较小。牵引/制动工况下，网侧电压和网侧电流相位相差0°/180°、波形正弦性好，直流侧电压稳定，波动较小。
在分析城际动车组单相四象限整流器拓扑结构的基础上，得到单相四象限整流器的数学模型，并采用电压外环和电流内环的控制策略，分别以直流侧给定电压、网侧给定电流为控制对象，实现直流侧电压和网侧电流的无差、准确控制。通过Simulink仿真及试验验证了该控制策略。试验结果表明：从预充电过程过渡到脉冲整流过程中，直流侧电压超调量较小。牵引/制动工况下，网侧电压和网侧电流相位相差0°/180°、波形正弦性好，直流侧电压稳定，波动较小。
2021, 48(7):39-43，60.
DOI: 10.12177/emca.2021.040
摘要:
为了更好地整定PID控制器，需要获取被控对象准确的模型信息，由于继电反馈时ZN整定规则的计算精度低且工程中被控对象特征参数不确定，无法采用先进的控制方案对系统进行准确控制。基于继电反馈对PID控制器参数自整定方法进行研究，针对近似为一阶惯性纯滞后环节的工业对象进行仿真分析。通过继电反馈获取系统临界信息，推理出临界信息与模型参数的函数关系，最终求出特征参数值。试验结果表明，该函数关系能以较低的误差辨识出惯性时间和滞后时间，为PID控制器的设计提供定量参考。
为了更好地整定PID控制器，需要获取被控对象准确的模型信息，由于继电反馈时ZN整定规则的计算精度低且工程中被控对象特征参数不确定，无法采用先进的控制方案对系统进行准确控制。基于继电反馈对PID控制器参数自整定方法进行研究，针对近似为一阶惯性纯滞后环节的工业对象进行仿真分析。通过继电反馈获取系统临界信息，推理出临界信息与模型参数的函数关系，最终求出特征参数值。试验结果表明，该函数关系能以较低的误差辨识出惯性时间和滞后时间，为PID控制器的设计提供定量参考。
2021, 48(7):44-50.
DOI: 10.12177/emca.2021.051
摘要:
同步磁阻电机(SynRM)具有效率高、成本低、结构简单等优点，但其存在转矩脉动大等问题，会影响电机的平稳运行。为了降低SynRM的转矩脉动，需要对转子结构进行优化。以一台22 kW四极的SynRM为例，采用田口法对不同电流负载下的SynRM转子结构进行优化。确定SynRM的转子拓扑，探究SynRM转子结构的关键参数对转矩性能的影响，初步确定转子关键参数的范围。利用田口法对不同电流负载下的电机进行试验分析，得到最优转子结构参数组合，利用有限元仿真验证优化结果。为了增强转子的机械强度，在转子结构中添加径向磁桥，探究径向磁桥对电机转矩性能的影响。
同步磁阻电机(SynRM)具有效率高、成本低、结构简单等优点，但其存在转矩脉动大等问题，会影响电机的平稳运行。为了降低SynRM的转矩脉动，需要对转子结构进行优化。以一台22 kW四极的SynRM为例，采用田口法对不同电流负载下的SynRM转子结构进行优化。确定SynRM的转子拓扑，探究SynRM转子结构的关键参数对转矩性能的影响，初步确定转子关键参数的范围。利用田口法对不同电流负载下的电机进行试验分析，得到最优转子结构参数组合，利用有限元仿真验证优化结果。为了增强转子的机械强度，在转子结构中添加径向磁桥，探究径向磁桥对电机转矩性能的影响。
2021, 48(7):51-60.
DOI: 10.12177/emca.2021.035
摘要:
基于静态密封双定子高温超导电机（DSHTSM）中的静止气隙磁导模型，采用理论公式与有限元仿真相结合的方法分析阻尼导条对磁场的影响。按照磁力路径推导出内气隙磁密，通过建立等效阻尼电路模型，得到其在超导线圈附近感应的反交流谐波，通过有限元仿真进行验证。分析结果表明，鼠笼式阻尼导条可以在基本不影响DSHTSM励磁磁场的同时，削弱基波电枢反应磁场对超导线圈的影响。
基于静态密封双定子高温超导电机（DSHTSM）中的静止气隙磁导模型，采用理论公式与有限元仿真相结合的方法分析阻尼导条对磁场的影响。按照磁力路径推导出内气隙磁密，通过建立等效阻尼电路模型，得到其在超导线圈附近感应的反交流谐波，通过有限元仿真进行验证。分析结果表明，鼠笼式阻尼导条可以在基本不影响DSHTSM励磁磁场的同时，削弱基波电枢反应磁场对超导线圈的影响。
2021, 48(7):61-67.
DOI: 10.12177/emca.2021.034
摘要:
为了研究地铁牵引电机气动噪声仿真关键因素，提高气动噪声仿真精度，以1台自通风地铁牵引电机为例，基于ACTRAN软件对不同声学网格尺寸、声源区噪声向自由场中辐射的插值阶次以及当地温湿度下空气介质属性等参数进行仿真对比分析。对比仿真结果与试验结果，验证关键参数对气动噪声仿真精度和效率的影响，为更准确、高效的牵引电机噪声仿真计算提供依据。
为了研究地铁牵引电机气动噪声仿真关键因素，提高气动噪声仿真精度，以1台自通风地铁牵引电机为例，基于ACTRAN软件对不同声学网格尺寸、声源区噪声向自由场中辐射的插值阶次以及当地温湿度下空气介质属性等参数进行仿真对比分析。对比仿真结果与试验结果，验证关键参数对气动噪声仿真精度和效率的影响，为更准确、高效的牵引电机噪声仿真计算提供依据。
2021, 48(7):68-72，83.
DOI: 10.12177/emca.2021.038
摘要:
分数槽集中式绕组（FSCW）存在谐波含量大的缺点，易引起定转子铁心损耗和振动噪声问题，限制了其在高端领域的应用。以采用FSCW的12槽14极永磁同步电机(PMSM)为研究对象，使用有限元软件进行仿真，分析定子非绕线齿中的磁障对磁动势谐波、电磁转矩、铁心损耗及径向电磁力的影响，并与传统永磁电机进行对比。仿真结果表明，采用定子磁障的电机能够有效降低绕组磁动势低次谐波，1、3、5次谐波分别下降了87%、84%和30%，铁心损耗减小了21.1%，低阶径向电磁力减小了20%以上，实现了对噪声和振动的有效抑制。
分数槽集中式绕组（FSCW）存在谐波含量大的缺点，易引起定转子铁心损耗和振动噪声问题，限制了其在高端领域的应用。以采用FSCW的12槽14极永磁同步电机(PMSM)为研究对象，使用有限元软件进行仿真，分析定子非绕线齿中的磁障对磁动势谐波、电磁转矩、铁心损耗及径向电磁力的影响，并与传统永磁电机进行对比。仿真结果表明，采用定子磁障的电机能够有效降低绕组磁动势低次谐波，1、3、5次谐波分别下降了87%、84%和30%，铁心损耗减小了21.1%，低阶径向电磁力减小了20%以上，实现了对噪声和振动的有效抑制。
2021, 48(7):73-76，88.
DOI: 10.12177/emca.2021.036
摘要:
双馈风力发电机（DFIG）的转子绝缘结构在变频电压冲击下，会承受恶劣的电应力。虽然耐电晕聚酰亚胺薄膜及其复合材料可以提高转子绝缘结构寿命，但是在成本控制的压力下，需要探索普通绝缘材料应用于转子绝缘结构的可行性。通过电场有限元仿真和试样绕组试验，证实单面玻璃丝布补强少胶云母带可以单独使用或配合聚酯薄膜补强少胶云母带使用种绝缘结构电气性能均良好，完全能够满足风力发电机转子绝缘结构设计要求。
双馈风力发电机（DFIG）的转子绝缘结构在变频电压冲击下，会承受恶劣的电应力。虽然耐电晕聚酰亚胺薄膜及其复合材料可以提高转子绝缘结构寿命，但是在成本控制的压力下，需要探索普通绝缘材料应用于转子绝缘结构的可行性。通过电场有限元仿真和试样绕组试验，证实单面玻璃丝布补强少胶云母带可以单独使用或配合聚酯薄膜补强少胶云母带使用种绝缘结构电气性能均良好，完全能够满足风力发电机转子绝缘结构设计要求。
2021, 48(7):77-83.
DOI: 10.12177/emca.2021.048
摘要:
针对传统电驱动系统测试方案中存在的系统复杂、硬件成本高、灵活性低等问题，设计了一种参数化永磁同步电机(PMSM)模拟器。建立了PMSM的参数化模型，在此基础上进行了电机模拟器电力电子装置拓扑结构及控制策略的设计。通过MATLAB/Simulink平台进行系统仿真分析，验证了在不同工况及驱动器故障时利用电力电子装置模拟实际电机端口特性的可行性及有效性，为电机模拟器的应用奠定了基础。
针对传统电驱动系统测试方案中存在的系统复杂、硬件成本高、灵活性低等问题，设计了一种参数化永磁同步电机(PMSM)模拟器。建立了PMSM的参数化模型，在此基础上进行了电机模拟器电力电子装置拓扑结构及控制策略的设计。通过MATLAB/Simulink平台进行系统仿真分析，验证了在不同工况及驱动器故障时利用电力电子装置模拟实际电机端口特性的可行性及有效性，为电机模拟器的应用奠定了基础。
2021, 48(7):84-88.
DOI: 10.12177/emca.2021.043
摘要:
基于直流注入的等效负载试验是确定三相感应电动机温升的一种间接方法，具有无需在电机轴端耦合机械负载、能耗低等优势。根据这一原理设计了一套具有交、直流供电回路的24工位热试验装置。装置在供给电机交流电的同时，注入连续且电流可调的直流电流，增加在电机绕组上的电流有效值，实现等效负载，从而完成电机的热试验。试验表明：直流注入等效负载法标准偏差稍大于直接负载法试验标准偏差，不确定度在可接受范围内。该装置可用于电机加速热老化试验，分析其绝缘性能，获得电机的预期寿命。
基于直流注入的等效负载试验是确定三相感应电动机温升的一种间接方法，具有无需在电机轴端耦合机械负载、能耗低等优势。根据这一原理设计了一套具有交、直流供电回路的24工位热试验装置。装置在供给电机交流电的同时，注入连续且电流可调的直流电流，增加在电机绕组上的电流有效值，实现等效负载，从而完成电机的热试验。试验表明：直流注入等效负载法标准偏差稍大于直接负载法试验标准偏差，不确定度在可接受范围内。该装置可用于电机加速热老化试验，分析其绝缘性能，获得电机的预期寿命。
2021, 48(7):89-94，106.
DOI: 10.12177/emca.2021.046
摘要:
针对中性点箝位型（NPC）三电平逆变器的容错拓扑及其控制问题，考虑逆变器发生功率器件断路故障情况以及故障前后空间矢量的变化，当故障发生时，将输出端子连接到直流链路的中性点，建立可容错三电平逆变器模型，实现开路故障下的容错控制。同时考虑逆变器直流侧中点性电压平衡问题，采用零序电压注入法，抑制了中性点电位的波动。仿真结果证明了该容错控制策略的可行性和有效性。
针对中性点箝位型（NPC）三电平逆变器的容错拓扑及其控制问题，考虑逆变器发生功率器件断路故障情况以及故障前后空间矢量的变化，当故障发生时，将输出端子连接到直流链路的中性点，建立可容错三电平逆变器模型，实现开路故障下的容错控制。同时考虑逆变器直流侧中点性电压平衡问题，采用零序电压注入法，抑制了中性点电位的波动。仿真结果证明了该容错控制策略的可行性和有效性。
2021, 48(7):95-99.
DOI: 10.12177/emca.2021.053
摘要:
针对新能源汽车电机控制器功率密度较低、空间利用率有限的现状，开发了一款具有高功率密度的新能源汽车控制器。采取结构、硬件的理论设计与试验验证相结合的方式开发控制器。前期通过设计分析、有限元仿真对控制器进行优化，后期通过试验对控制器的性能进行验证。通过试验结果可知，该电机控制器的效率较高、功率密度较大，具有实用意义。
针对新能源汽车电机控制器功率密度较低、空间利用率有限的现状，开发了一款具有高功率密度的新能源汽车控制器。采取结构、硬件的理论设计与试验验证相结合的方式开发控制器。前期通过设计分析、有限元仿真对控制器进行优化，后期通过试验对控制器的性能进行验证。通过试验结果可知，该电机控制器的效率较高、功率密度较大，具有实用意义。
2021, 48(7):100-106.
DOI: 10.12177/emca.2021.055
摘要:
传统双向能源充放电控制系统忽略了对电流内环和电压外环的控制，导致传统系统的应用效果不理想。为此，设计基于车联网的V2G模块开发及双向能源充放电控制系统。利用双向DC/DC控制电压升降，保持充放电情况下电流电压的恒定，利用电压电流双闭环的空间电压矢量，控制三相半桥电压型PWM整流器，通过PI调节器控制电流内环和电压外环，利用受控状态下的负载电流双向流动，实现双向DC/DC变换器的控制，最终实现能量的双向流动。试验结果表明：所设计的系统电池组电压、电流在0.1 s内即可趋于稳定，且三相交流侧的输出电压与单相交流侧电压分别在约0.02 s和0.12 s时达到稳定。电压相位与电流相位之间相差180°，电流波形良好，交流侧电流谐波得到有效抑制。
传统双向能源充放电控制系统忽略了对电流内环和电压外环的控制，导致传统系统的应用效果不理想。为此，设计基于车联网的V2G模块开发及双向能源充放电控制系统。利用双向DC/DC控制电压升降，保持充放电情况下电流电压的恒定，利用电压电流双闭环的空间电压矢量，控制三相半桥电压型PWM整流器，通过PI调节器控制电流内环和电压外环，利用受控状态下的负载电流双向流动，实现双向DC/DC变换器的控制，最终实现能量的双向流动。试验结果表明：所设计的系统电池组电压、电流在0.1 s内即可趋于稳定，且三相交流侧的输出电压与单相交流侧电压分别在约0.02 s和0.12 s时达到稳定。电压相位与电流相位之间相差180°，电流波形良好，交流侧电流谐波得到有效抑制。
2021, 48(7):107-110.
DOI: 10.12177/emca.2021.045
摘要:
鼠笼电机转子质量直接影响电机的性能。立式压铸工艺是工业电机常用的生产工艺。传统立式压铸采用增压方法达到一定的压射比压，压射系统常在超高压状态下工作，易产生故障影响生产，同时增压的滞后对产品质量的提高不大,转子填充率较低。大比压压铸工艺通过增大压射缸与压铸熔杯的面积比，利用中等蓄能器压力实现一次性大比压压铸，设备工作稳定，不易发生故障，转子的内在质量明显改善，填充率比传统工艺提高了3%~5%，对整机性能有较大提升。
鼠笼电机转子质量直接影响电机的性能。立式压铸工艺是工业电机常用的生产工艺。传统立式压铸采用增压方法达到一定的压射比压，压射系统常在超高压状态下工作，易产生故障影响生产，同时增压的滞后对产品质量的提高不大,转子填充率较低。大比压压铸工艺通过增大压射缸与压铸熔杯的面积比，利用中等蓄能器压力实现一次性大比压压铸，设备工作稳定，不易发生故障，转子的内在质量明显改善，填充率比传统工艺提高了3%~5%，对整机性能有较大提升。
2021, 48(7):111-116.
DOI: 10.12177/emca.2021.042
摘要:
介绍TSK6500-6型6 500 kW、10 kV三相同步电动机转子实心磁极结构的研制改进及应用。通过改变磁极与磁轭之间“T尾”结构的连接方式，使电机运行的可靠性和安全性得到提高，同时降低工艺加工难度。研制结果验证了改进措施的有效性，可为同步电机转子结构的设计提供参考。
介绍TSK6500-6型6 500 kW、10 kV三相同步电动机转子实心磁极结构的研制改进及应用。通过改变磁极与磁轭之间“T尾”结构的连接方式，使电机运行的可靠性和安全性得到提高，同时降低工艺加工难度。研制结果验证了改进措施的有效性，可为同步电机转子结构的设计提供参考。
《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
- 地址：上海市武宁路505号
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