2022年第49卷第3期文章目次
2022, 49(3):1-6,17.
DOI: 10.12177/emca.2021.194
摘要:
为降低永磁同步电机(PMSM)在趋近参考转速时运动状态的波动，提升控制系统稳定性，设计了一种基于新型指数趋近律的滑模速度控制算法。基于传统的指数趋近律，引入在原点处更为平滑的函数替代原有的符号函数，实现控制算法在电机趋近运动时的平滑过渡，并通过Lyapunov函数验证了算法的稳定性。基于新型控制算法，搭建PMSM直接转矩控制的滑模控制器并在MATLAB/Simulink中进行仿真。仿真结果表明，提出的算法可较好实现PMSM控制，与传统指数趋近律控制系统相比，所设计的系统可有效降低系统抖振，增强鲁棒性。
为降低永磁同步电机(PMSM)在趋近参考转速时运动状态的波动，提升控制系统稳定性，设计了一种基于新型指数趋近律的滑模速度控制算法。基于传统的指数趋近律，引入在原点处更为平滑的函数替代原有的符号函数，实现控制算法在电机趋近运动时的平滑过渡，并通过Lyapunov函数验证了算法的稳定性。基于新型控制算法，搭建PMSM直接转矩控制的滑模控制器并在MATLAB/Simulink中进行仿真。仿真结果表明，提出的算法可较好实现PMSM控制，与传统指数趋近律控制系统相比，所设计的系统可有效降低系统抖振，增强鲁棒性。
2022, 49(3):7-17.
DOI: 10.12177/emca.2021.206
摘要:
高压电机配用高压变频器具有较大的节能性和高效性，已有广泛应用。级联H桥多电平变频器采用模块化设计理念，通过多个相同的低压变换单元级联起来实现高压及大功率的功能，且变频器输出电流谐波较小。极相调制感应电机可以将传统三相电机的控制方法和极相调制模式结合起来，使电机转矩和转速范围得到扩展。为此介绍一种级联H桥多电平变频器拖动极相调制感应电机变频起动和调速，该电机的定子绕组可配置为9相4极和3相12极。通过仿真验证了级联H桥多电平变频器能够满足极相调制感应电机的变频调速性能和极相调制矢量控制性能，可为新能源发电、船舶推进、工业传动等高压大功率领域提供技术保障。
高压电机配用高压变频器具有较大的节能性和高效性，已有广泛应用。级联H桥多电平变频器采用模块化设计理念，通过多个相同的低压变换单元级联起来实现高压及大功率的功能，且变频器输出电流谐波较小。极相调制感应电机可以将传统三相电机的控制方法和极相调制模式结合起来，使电机转矩和转速范围得到扩展。为此介绍一种级联H桥多电平变频器拖动极相调制感应电机变频起动和调速，该电机的定子绕组可配置为9相4极和3相12极。通过仿真验证了级联H桥多电平变频器能够满足极相调制感应电机的变频调速性能和极相调制矢量控制性能，可为新能源发电、船舶推进、工业传动等高压大功率领域提供技术保障。
2022, 49(3):18-27.
DOI: 10.12177/emca.2021.153
摘要:
为了降低感应电机传统模型预测控制(MPC)因电压矢量作用时间固定引起的转矩和磁链脉动，采用转矩无差拍(DB)控制优化电压矢量作用时间，并从精简电压矢量个数和消除权重系数对传统转矩DB控制进行优化。通过数字仿真和单片机试验对感应电机传统MPC、转矩无差拍模型预测控制(DB-MPC)和提出的优化策略的控制性能和实时性进行对比。仿真结果表明：传统MPC可通过扩充电压矢量来降低转矩脉动。DB-MPC可显著减小转矩脉动、磁链脉动和定子电流谐波含量(THD)，可通过扩充电压矢量来减少磁链脉动和电流THD。优化控制策略减少备选电压矢量，无需权重系数，控制性能与DB-MPC基本相当。基于STM32F103单片机的计算耗时试验表明增加备选电压矢量显著增加计算耗时。相同备选电压矢量下，传统MPC与DB-MPC计算耗时基本相当。在相同控制性能下，优化控制策略可显著减少计算耗时，提高实时性。
为了降低感应电机传统模型预测控制(MPC)因电压矢量作用时间固定引起的转矩和磁链脉动，采用转矩无差拍(DB)控制优化电压矢量作用时间，并从精简电压矢量个数和消除权重系数对传统转矩DB控制进行优化。通过数字仿真和单片机试验对感应电机传统MPC、转矩无差拍模型预测控制(DB-MPC)和提出的优化策略的控制性能和实时性进行对比。仿真结果表明：传统MPC可通过扩充电压矢量来降低转矩脉动。DB-MPC可显著减小转矩脉动、磁链脉动和定子电流谐波含量(THD)，可通过扩充电压矢量来减少磁链脉动和电流THD。优化控制策略减少备选电压矢量，无需权重系数，控制性能与DB-MPC基本相当。基于STM32F103单片机的计算耗时试验表明增加备选电压矢量显著增加计算耗时。相同备选电压矢量下，传统MPC与DB-MPC计算耗时基本相当。在相同控制性能下，优化控制策略可显著减少计算耗时，提高实时性。
2022, 49(3):28-32.
DOI: 10.12177/emca.2021.195
摘要:
为解决滑模控制系统抖振和动态响应性能之间的矛盾，采用模糊滑模控制策略，根据系统的误差来实时调整切换增益的大小。在速度误差较大时，切换增益变大，提高系统动态响应速度；在速度误差较小时，切换增益变小，减小系统的抖振。模糊控制采用新的模糊规则，将速度误差作为单输入变量，有效简化了模糊控制系统的参数调试。滑模控制器采用等速趋近律，并用饱和函数代替符号函数，进一步减小系统稳定时的抖振。通过仿真分析和试验结果可知，模糊滑模控制系统在提高动态响应性能的同时，可有效减小系统的抖振。
为解决滑模控制系统抖振和动态响应性能之间的矛盾，采用模糊滑模控制策略，根据系统的误差来实时调整切换增益的大小。在速度误差较大时，切换增益变大，提高系统动态响应速度；在速度误差较小时，切换增益变小，减小系统的抖振。模糊控制采用新的模糊规则，将速度误差作为单输入变量，有效简化了模糊控制系统的参数调试。滑模控制器采用等速趋近律，并用饱和函数代替符号函数，进一步减小系统稳定时的抖振。通过仿真分析和试验结果可知，模糊滑模控制系统在提高动态响应性能的同时，可有效减小系统的抖振。
2022, 49(3):33-39.
DOI: 10.12177/emca.2021.207
摘要:
传统电磁吸力悬浮采用气隙反馈实现闭环控制，而气隙传感器具有体积大、造价高、安装复杂等缺点。提出了一种通过磁场与电流观测气隙，使用观测气隙进行闭环反馈的电磁吸力悬浮方法。通过理论分析和仿真研究了气隙与磁场和电流间的函数关系；设计分析了磁场测量点的位置；利用函数关系进行气隙观测。实测数据表明：通过磁场与电流观测气隙，所得结果与实测气隙吻合，该方法可以用于闭环反馈。从理论上分析了观测拟合系数对闭环系统稳定性的影响。最后通过试验实现了7 mm处的稳定悬浮。
传统电磁吸力悬浮采用气隙反馈实现闭环控制，而气隙传感器具有体积大、造价高、安装复杂等缺点。提出了一种通过磁场与电流观测气隙，使用观测气隙进行闭环反馈的电磁吸力悬浮方法。通过理论分析和仿真研究了气隙与磁场和电流间的函数关系；设计分析了磁场测量点的位置；利用函数关系进行气隙观测。实测数据表明：通过磁场与电流观测气隙，所得结果与实测气隙吻合，该方法可以用于闭环反馈。从理论上分析了观测拟合系数对闭环系统稳定性的影响。最后通过试验实现了7 mm处的稳定悬浮。
2022, 49(3):40-47.
DOI: 10.12177/emca.2021.198
摘要:
提出了一种混合励磁双定子磁悬浮开关磁阻电机(BSRM)的等效磁网络模型，此模型可以分析电机悬浮和转矩绕组的磁链、电感及悬浮力和转矩等静态特性。等效磁网络法(EMN)不仅能保证一定的精度，而且比有限元法（FEM）节省时间。基于一种24/16/8极混合励磁双定子BSRM建立EMN模型，推算出电机定转子齿部、轭部以及气隙磁导的计算公式。建立矩阵方程，求解出各部分的磁通密度，进而求出悬浮和转矩绕组的磁链、电感以及悬浮力和转矩特性，和FEM求解的结果进行对比。可以发现EMN模型求解出的电磁特性和FEM分析的结果吻合效果很好，进一步证明了所建模型的有效性。
提出了一种混合励磁双定子磁悬浮开关磁阻电机(BSRM)的等效磁网络模型，此模型可以分析电机悬浮和转矩绕组的磁链、电感及悬浮力和转矩等静态特性。等效磁网络法(EMN)不仅能保证一定的精度，而且比有限元法（FEM）节省时间。基于一种24/16/8极混合励磁双定子BSRM建立EMN模型，推算出电机定转子齿部、轭部以及气隙磁导的计算公式。建立矩阵方程，求解出各部分的磁通密度，进而求出悬浮和转矩绕组的磁链、电感以及悬浮力和转矩特性，和FEM求解的结果进行对比。可以发现EMN模型求解出的电磁特性和FEM分析的结果吻合效果很好，进一步证明了所建模型的有效性。
2022, 49(3):48-54，67.
DOI: 10.12177/emca.2022.001
摘要:
在变频器驱动方式下，高速永磁电机具有较大的转子涡流损耗，由于其转子的散热能力较差，易使永磁体温升较高，而发生不可逆失磁现象。采用机壳水冷结构可以有效地带走电机定子侧的热量，但是对于高速永磁电机的转子部位，水冷结构的冷却效果有限。以一台15 kW、30 000 r/min的高速永磁电机为例，设计了一种风、水混合冷却结构，基于流固耦合的计算方法分析了水速、风向以及不同风道截面积对电机永磁体部位温升的影响，并得出了相对的最优值。与仅采用水冷结构相比，增加该风冷结构可使永磁体温升降低了18.1 K，该结构可对大功率高速永磁电机的冷却系统设计提供一定的参考。
在变频器驱动方式下，高速永磁电机具有较大的转子涡流损耗，由于其转子的散热能力较差，易使永磁体温升较高，而发生不可逆失磁现象。采用机壳水冷结构可以有效地带走电机定子侧的热量，但是对于高速永磁电机的转子部位，水冷结构的冷却效果有限。以一台15 kW、30 000 r/min的高速永磁电机为例，设计了一种风、水混合冷却结构，基于流固耦合的计算方法分析了水速、风向以及不同风道截面积对电机永磁体部位温升的影响，并得出了相对的最优值。与仅采用水冷结构相比，增加该风冷结构可使永磁体温升降低了18.1 K，该结构可对大功率高速永磁电机的冷却系统设计提供一定的参考。
2022, 49(3):55-60.
DOI: 10.12177/emca.2022.002
摘要:
介绍了IE4效率等级的变频调速三相永磁同步电机系列产品的研制工作。为了提高设计精度和缩短设计周期，本系列产品的电磁设计采用了基于场路结合的设计方法。一方面提升了设计的合理性，产品性能指标可以满足标准要求；另一方面合理的磁路设计提升了电机的功率密度，减小了电机的体积，本系列产品比通用系列产品普遍降低了1~2个机座号，降低了材料成本。通过样机试制和型式试验，验证了系列电机设计的合理性，为国内IE4通用型变频调速三相永磁同步电机研究提供参考。
介绍了IE4效率等级的变频调速三相永磁同步电机系列产品的研制工作。为了提高设计精度和缩短设计周期，本系列产品的电磁设计采用了基于场路结合的设计方法。一方面提升了设计的合理性，产品性能指标可以满足标准要求；另一方面合理的磁路设计提升了电机的功率密度，减小了电机的体积，本系列产品比通用系列产品普遍降低了1~2个机座号，降低了材料成本。通过样机试制和型式试验，验证了系列电机设计的合理性，为国内IE4通用型变频调速三相永磁同步电机研究提供参考。
2022, 49(3):61-67.
DOI: 10.12177/emca.2021.205
摘要:
转矩脉动是影响电机性能的重要因素。针对常规的内置式永磁电机转矩脉动较大的问题，提出了一种保持永磁体总量不变的不等磁极组合方法，使某一磁极的极弧长度与其他磁极不同来抑制转矩脉动，给出了详细推导过程和磁极参数确定方法，并与斜槽结构做了性能对比。针对外转子内置式结构，对比分析了隔磁桥和磁障两种隔磁措施，建立了有限元模型对其进行仿真验证。最终研制了一台55 kW，2 500 r/min的样机，试验数据与仿真结果相吻合，验证了所提方法对齿槽转矩和反电动势谐波有着显著削弱效果，能够有效抑制转矩脉动，提高电机性能，具有一定工程实际意义。
转矩脉动是影响电机性能的重要因素。针对常规的内置式永磁电机转矩脉动较大的问题，提出了一种保持永磁体总量不变的不等磁极组合方法，使某一磁极的极弧长度与其他磁极不同来抑制转矩脉动，给出了详细推导过程和磁极参数确定方法，并与斜槽结构做了性能对比。针对外转子内置式结构，对比分析了隔磁桥和磁障两种隔磁措施，建立了有限元模型对其进行仿真验证。最终研制了一台55 kW，2 500 r/min的样机，试验数据与仿真结果相吻合，验证了所提方法对齿槽转矩和反电动势谐波有着显著削弱效果，能够有效抑制转矩脉动，提高电机性能，具有一定工程实际意义。
2022, 49(3):68-76.
DOI: 10.12177/emca.2021.181
摘要:
电机气隙中的径向电磁力作用于定子齿部，通过定子、机座传递到空气中，产生了振动噪声。针对实际工程中噪声突出问题，解析径向电磁力得到产生振动噪声的主要阶次和频率，分析电机的定子模态得到不同空间阶次下的频率。考虑电机转子凸极，提出一种转子开辅助槽配合增加气隙宽度的方法改善电机的声振特性。通过搭建优化前后的电机有限元模型，在加速工况下对比6f1和12f1频率（f1为基波频率）的电磁力，以及24阶次和48阶次下的A计权声压级，验证所提方法的有效性。最后在实际样机上测试加速工况下24阶次和48阶次的振动水平和声压级。试验结果表明，所提转子开辅助槽配合改变气隙宽度的方法能够有效降低电机整体的振动噪声。
电机气隙中的径向电磁力作用于定子齿部，通过定子、机座传递到空气中，产生了振动噪声。针对实际工程中噪声突出问题，解析径向电磁力得到产生振动噪声的主要阶次和频率，分析电机的定子模态得到不同空间阶次下的频率。考虑电机转子凸极，提出一种转子开辅助槽配合增加气隙宽度的方法改善电机的声振特性。通过搭建优化前后的电机有限元模型，在加速工况下对比6f1和12f1频率（f1为基波频率）的电磁力，以及24阶次和48阶次下的A计权声压级，验证所提方法的有效性。最后在实际样机上测试加速工况下24阶次和48阶次的振动水平和声压级。试验结果表明，所提转子开辅助槽配合改变气隙宽度的方法能够有效降低电机整体的振动噪声。
2022, 49(3):77-86,102.
DOI: 10.12177/emca.2021.200
摘要:
为应对大规模可再生能源接入电网带来的随机性和波动性挑战，确保可再生能源利用的灵活性，在实际电网运行中加入合理的储能设备成为目前研究的热点。针对电化学储能参与含抽水蓄能电站的互联电网调频问题，提出一种基于线性自抗扰技术的抽/储联合负荷频率控制(LFC)策略。在建立了考虑调速器死区和发电速度限制等非线性条件的抽/储联合LFC模型的基础上比较不同控制器性能，采用所设计的二阶线性自抗扰控制器(LADRC)，凭借其优良控制性能并引入需求响应(DR)参与调频。仿真验证在抽水蓄能中加入电化学储能后系统具有更强的抗干扰性，对平抑电网频率波动具有良好的动态响应。
为应对大规模可再生能源接入电网带来的随机性和波动性挑战，确保可再生能源利用的灵活性，在实际电网运行中加入合理的储能设备成为目前研究的热点。针对电化学储能参与含抽水蓄能电站的互联电网调频问题，提出一种基于线性自抗扰技术的抽/储联合负荷频率控制(LFC)策略。在建立了考虑调速器死区和发电速度限制等非线性条件的抽/储联合LFC模型的基础上比较不同控制器性能，采用所设计的二阶线性自抗扰控制器(LADRC)，凭借其优良控制性能并引入需求响应(DR)参与调频。仿真验证在抽水蓄能中加入电化学储能后系统具有更强的抗干扰性，对平抑电网频率波动具有良好的动态响应。
2022, 49(3):87-92.
DOI: 10.12177/emca.2021.202
摘要:
针对单机独立运行的双馈风力发电系统，提出一种面向中压直流接入的宽频率范围控制策略。与传统的电网换相换流器(LCC)直流接入不同的是，通过对双馈风力发电机转子侧换流器与LCC的协调控制，使得定子频率随着风速变化在一个较宽范围内变化，与此同时保持定子磁链不变，从而实现双馈风力发电机的高效运行。对单台1.5 MW双馈风力发电机组宽频率范围控制策略进行了仿真，结果表明从切入风速到额定风速的最大风能追踪区域，均可实现宽频率范围控制，且全风速范围内效率均有所提高。
针对单机独立运行的双馈风力发电系统，提出一种面向中压直流接入的宽频率范围控制策略。与传统的电网换相换流器(LCC)直流接入不同的是，通过对双馈风力发电机转子侧换流器与LCC的协调控制，使得定子频率随着风速变化在一个较宽范围内变化，与此同时保持定子磁链不变，从而实现双馈风力发电机的高效运行。对单台1.5 MW双馈风力发电机组宽频率范围控制策略进行了仿真，结果表明从切入风速到额定风速的最大风能追踪区域，均可实现宽频率范围控制，且全风速范围内效率均有所提高。
2022, 49(3):93-98.
DOI: 10.12177/emca.2021.180
摘要:
现有阻抗建模分析结果与实际曲线之间的拟合度较低，难以满足混合供电系统工作需求，因此提出变压器与柴油发电机混合供电系统阻抗建模分析。分析变压器与柴油发电机等主要发电设备工作特点和混合供电系统的工作原理；考虑到坐标旋转变换过程、端口阻抗以及恒功率负载多种影响因素，建立稳定性较高的变压器与柴油发电机混合供电系统阻抗模型；通过在线测量电网阻抗值，动态调整锁相环(PLL)的控制参数，在奈奎斯特曲线图的作用下，输出变压器与柴油发电机混合供电系统阻抗特性分析结果。实例测试结果表明，正序阻抗分析结果下，所提出方法得出的阻抗特性拟合度分别提升了20%、30%，负序阻抗分析结果的拟合度分别提升了11%、13%。
现有阻抗建模分析结果与实际曲线之间的拟合度较低，难以满足混合供电系统工作需求，因此提出变压器与柴油发电机混合供电系统阻抗建模分析。分析变压器与柴油发电机等主要发电设备工作特点和混合供电系统的工作原理；考虑到坐标旋转变换过程、端口阻抗以及恒功率负载多种影响因素，建立稳定性较高的变压器与柴油发电机混合供电系统阻抗模型；通过在线测量电网阻抗值，动态调整锁相环(PLL)的控制参数，在奈奎斯特曲线图的作用下，输出变压器与柴油发电机混合供电系统阻抗特性分析结果。实例测试结果表明，正序阻抗分析结果下，所提出方法得出的阻抗特性拟合度分别提升了20%、30%，负序阻抗分析结果的拟合度分别提升了11%、13%。
2022, 49(3):99-102.
DOI: 10.12177/emca.2021.185
摘要:
针对传统变频器预充电电路需要光耦隔离和额外电路参与，以及软件算法复杂、调试不便等弊端，设计出了一种具有恒流自适应功能的预充电电路。该电路采用类似Buck电路的结构，自适应维持闭环稳定，为晶闸管触发提供相对稳定的供电，可以实现每相晶闸管交错开通而不再依赖软件参与，同时不需要光耦隔离，也不必关注开关电源优先工作的时序问题。PSIM仿真与实物平台测试结果吻合。测试波形表明，该电路方案切实可行，调试方便，具有一定的参考价值。
针对传统变频器预充电电路需要光耦隔离和额外电路参与，以及软件算法复杂、调试不便等弊端，设计出了一种具有恒流自适应功能的预充电电路。该电路采用类似Buck电路的结构，自适应维持闭环稳定，为晶闸管触发提供相对稳定的供电，可以实现每相晶闸管交错开通而不再依赖软件参与，同时不需要光耦隔离，也不必关注开关电源优先工作的时序问题。PSIM仿真与实物平台测试结果吻合。测试波形表明，该电路方案切实可行，调试方便，具有一定的参考价值。
15 轮毂电机振动噪声抑制措施
2022, 49(3):103-108.
DOI: 10.12177/emca.2021.197
摘要:
外转子永磁同步电机作为轮毂电机较多地应用在电动汽车上，但以轮毂电机为目标的振动噪声研究却较少。以一台额定功率为10 kW、额定转速为500 r/min的轮毂电机为例，通过构建轮毂电机的2D有限元模型，对电机的径向电磁力密度和振动噪声特性进行有限元仿真计算。从极弧系数和定子齿上开辅助槽两个方面对外转子轮毂电机的振动噪声特性进行研究。仿真结果表明：轮毂电机极弧系数为0.72左右时，振动噪声特性较好；在定子齿顶开设不对称的双辅助槽显著提升了电机的振动噪声特性。
外转子永磁同步电机作为轮毂电机较多地应用在电动汽车上，但以轮毂电机为目标的振动噪声研究却较少。以一台额定功率为10 kW、额定转速为500 r/min的轮毂电机为例，通过构建轮毂电机的2D有限元模型，对电机的径向电磁力密度和振动噪声特性进行有限元仿真计算。从极弧系数和定子齿上开辅助槽两个方面对外转子轮毂电机的振动噪声特性进行研究。仿真结果表明：轮毂电机极弧系数为0.72左右时，振动噪声特性较好；在定子齿顶开设不对称的双辅助槽显著提升了电机的振动噪声特性。
2022, 49(3):109-113.
DOI: 10.12177/emca.2021.196
摘要:
以IE5能效等级为目标，利用铸铜转子技术、低压不等匝绕组技术、低损耗硅钢材料等技术进行设计，已经研制出三相异步电动机测试样机。为准确测量三相异步电动机现场运行效率，主要依据GB/T 1032—2012 《三相异步电动机试验方法》，采用A法、B法和E1法对样机进行能效测试比对，研究并分析3种测试方法的差异。测试的3个系列IE5能效等级样机中，B法计算效率均能达到GB 18613—2020 《电动机能效限定值及能效等级》中1级能效的要求。
以IE5能效等级为目标，利用铸铜转子技术、低压不等匝绕组技术、低损耗硅钢材料等技术进行设计，已经研制出三相异步电动机测试样机。为准确测量三相异步电动机现场运行效率，主要依据GB/T 1032—2012 《三相异步电动机试验方法》，采用A法、B法和E1法对样机进行能效测试比对，研究并分析3种测试方法的差异。测试的3个系列IE5能效等级样机中，B法计算效率均能达到GB 18613—2020 《电动机能效限定值及能效等级》中1级能效的要求。
《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
- 邮编：200063
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