2022年第49卷第6期文章目次
2022, 49(6):1-8.
DOI: 10.12177/emca.2022.023
摘要:
为了提高永磁同步电机（PMSM）控制系统的转速跟踪精度和鲁棒性，抑制其周期性转矩脉动，提出了一种基于积分滑模控制和迭代学习方法的PMSM单环控制策略。控制器采用单环滑模控制策略替代了传统的转速-电流级联控制，简化了控制系统的结构，提高了系统动态响应，通过引入迭代学习控制有效抑制了因电流谐波而导致的转矩脉动，提高了转速稳态控制精度。此外，针对系统存在的外部负载扰动、模型和参数不确定性等，设计了双重扰动观测器估计系统扰动量，提高了系统的鲁棒性。最后，针对所提复合控制策略进行了试验验证。试验结果表明，所提出的控制方法具有良好的动态性能、抗干扰能力和稳态控制精度。
为了提高永磁同步电机（PMSM）控制系统的转速跟踪精度和鲁棒性，抑制其周期性转矩脉动，提出了一种基于积分滑模控制和迭代学习方法的PMSM单环控制策略。控制器采用单环滑模控制策略替代了传统的转速-电流级联控制，简化了控制系统的结构，提高了系统动态响应，通过引入迭代学习控制有效抑制了因电流谐波而导致的转矩脉动，提高了转速稳态控制精度。此外，针对系统存在的外部负载扰动、模型和参数不确定性等，设计了双重扰动观测器估计系统扰动量，提高了系统的鲁棒性。最后，针对所提复合控制策略进行了试验验证。试验结果表明，所提出的控制方法具有良好的动态性能、抗干扰能力和稳态控制精度。
2022, 49(6):9-18.
DOI: 10.12177/emca.2022.029
摘要:
针对传统NSGA-Ⅱ在永磁辅助开关磁阻电机的多目标优化中局部搜索能力较弱的问题，提出一种基于NSGA-Ⅱ的局部范围搜索算法（RLS-NSGA-Ⅱ），利用改进的交叉算子与变异算子增强算法的搜索能力，在局部区域内搜索最优解集，并通过标准多目标问题验证算法的有效性。针对优化算法对决策变量的优化精度过高的问题，对决策变量进行有效单位保留，并以此提出一种最小单位优化变异方法。对电机转矩脉动、效率和平均转矩进行多目标优化，并与传统NSGA-Ⅱ进行优化效果和仿真的对比验证，结果表明本算法得出的最优解更有优势。
针对传统NSGA-Ⅱ在永磁辅助开关磁阻电机的多目标优化中局部搜索能力较弱的问题，提出一种基于NSGA-Ⅱ的局部范围搜索算法（RLS-NSGA-Ⅱ），利用改进的交叉算子与变异算子增强算法的搜索能力，在局部区域内搜索最优解集，并通过标准多目标问题验证算法的有效性。针对优化算法对决策变量的优化精度过高的问题，对决策变量进行有效单位保留，并以此提出一种最小单位优化变异方法。对电机转矩脉动、效率和平均转矩进行多目标优化，并与传统NSGA-Ⅱ进行优化效果和仿真的对比验证，结果表明本算法得出的最优解更有优势。
2022, 49(6):19-23,59.
DOI: 10.12177/emca.2022.028
摘要:
以虚拟d-q电流解耦控制方法为基础，介绍了单牵引变流器内两重化四象限脉冲整流器控制方法、同一控制器中载波移相的实现方法、不同控制器之间多重化四象限脉冲整流器载波移相的实现方式、四象限脉冲整流器开关频率较低时（小于500 Hz）的调制补偿方法。在实际大功率变流器上验证了该控制方法。证明该方法可以实现网侧电流谐波低、网侧单位功率因数高及直流侧电压恒定的控制目标。
以虚拟d-q电流解耦控制方法为基础，介绍了单牵引变流器内两重化四象限脉冲整流器控制方法、同一控制器中载波移相的实现方法、不同控制器之间多重化四象限脉冲整流器载波移相的实现方式、四象限脉冲整流器开关频率较低时（小于500 Hz）的调制补偿方法。在实际大功率变流器上验证了该控制方法。证明该方法可以实现网侧电流谐波低、网侧单位功率因数高及直流侧电压恒定的控制目标。
2022, 49(6):24-28,91.
DOI: 10.12177/emca.2022.053
摘要:
炼钢转炉除尘风机系统是炼钢生产除尘系统的主要设备。为了保证该设备的正常运行，避免因供电异常带来的安全事故与经济损失，研究了一种转炉风机供配电系统双电源切换装置。分析了该转换装置的电压异常检测方法、转换时机的选择和触发控制策略，并基于MATLAB/Simulink进行了仿真，证明了备用电源与剩余感应电动势间的相位角差与动态切换策略的正确性。
炼钢转炉除尘风机系统是炼钢生产除尘系统的主要设备。为了保证该设备的正常运行，避免因供电异常带来的安全事故与经济损失，研究了一种转炉风机供配电系统双电源切换装置。分析了该转换装置的电压异常检测方法、转换时机的选择和触发控制策略，并基于MATLAB/Simulink进行了仿真，证明了备用电源与剩余感应电动势间的相位角差与动态切换策略的正确性。
2022, 49(6):29-35.
DOI: 10.12177/emca.2022.025
摘要:
针对感应电机运行中的噪声问题，通过对一台160 kW潜水感应电机进行多物理场耦合有限元计算，结合解析法对径向电磁力的阶次和频率进行探究，分析了电机气隙中径向电磁力波的时空特性，并通过声学仿真进行了噪声的相关计算。考虑径向电磁力的二维傅里叶分解得到的结果和机壳模型模态的阶次与频率，分析说明了噪声的来源，提出可通过如调整电机机壳散热片数等方式改变电机模态在阶次与频率上的分布或降低机壳振动系数实现噪声控制的目的。
针对感应电机运行中的噪声问题，通过对一台160 kW潜水感应电机进行多物理场耦合有限元计算，结合解析法对径向电磁力的阶次和频率进行探究，分析了电机气隙中径向电磁力波的时空特性，并通过声学仿真进行了噪声的相关计算。考虑径向电磁力的二维傅里叶分解得到的结果和机壳模型模态的阶次与频率，分析说明了噪声的来源，提出可通过如调整电机机壳散热片数等方式改变电机模态在阶次与频率上的分布或降低机壳振动系数实现噪声控制的目的。
2022, 49(6):36-39,102.
DOI: 10.12177/emca.2022.050
摘要:
电机绕组用非金属材料容易随着温度和时间的变化发生性能劣化，非金属材料的活化能可以将实际使用条件和加速老化条件联系起来，用于鉴定非金属材料的热寿命，其值直接决定材料热寿命鉴定的温度和老化时间。本文介绍了非金属材料目前活化能推算的主要方法，包括：热重分析法、DSC分析法、热重分析和热老化试验结合法以及热老化试验评定法等。并详细给出每种方法的具体实施过程，以及方法之间的区别及适用范围，便于不同评定材料推算方法的选择。
电机绕组用非金属材料容易随着温度和时间的变化发生性能劣化，非金属材料的活化能可以将实际使用条件和加速老化条件联系起来，用于鉴定非金属材料的热寿命，其值直接决定材料热寿命鉴定的温度和老化时间。本文介绍了非金属材料目前活化能推算的主要方法，包括：热重分析法、DSC分析法、热重分析和热老化试验结合法以及热老化试验评定法等。并详细给出每种方法的具体实施过程，以及方法之间的区别及适用范围，便于不同评定材料推算方法的选择。
2022, 49(6):40-46.
DOI: 10.12177/emca.2022.027
摘要:
在某城轨车辆设计定型过程中，由于整体布置的限制使冷凝风机被遮挡。为评估该遮挡对整个冷却回路散热能力的影响，借助基于STAR CCM+的三维仿真手段结合多种一维校核方法，对电机冷却系统的潜在风险进行评估。在当前整体布置对冷凝风扇进风量影响为11.4%的情况下,对电机冷却系统的潜在风险进行校核分析后发现散热器仍具有足够余量，风险可控。通过该研究，发展出针对电机冷却系统工况的评估方法。
在某城轨车辆设计定型过程中，由于整体布置的限制使冷凝风机被遮挡。为评估该遮挡对整个冷却回路散热能力的影响，借助基于STAR CCM+的三维仿真手段结合多种一维校核方法，对电机冷却系统的潜在风险进行评估。在当前整体布置对冷凝风扇进风量影响为11.4%的情况下,对电机冷却系统的潜在风险进行校核分析后发现散热器仍具有足够余量，风险可控。通过该研究，发展出针对电机冷却系统工况的评估方法。
2022, 49(6):47-52.
DOI: 10.12177/emca.2022.039
摘要:
在混合动力汽车行驶中,为了能让车载超级电容有效地为蓄电池提供能量缓冲，其荷电状态（SOC）需保持在一个安全范围内,以防止电容过充或能量不足。针对这一问题，基于车载超级电容的工作特性，改进了传统的车用混合储能系统滤波分配法，舍弃算法逻辑复杂、参数设计困难的逻辑门控制，使用简单的PI控制实现了电动汽车运行过程中超级电容电量的自保持，并通过基于TMS320F2812控制的混合储能装置和基于半实物仿真的永磁同步电机试验平台对所提出的方法进行了试验验证。结果表明，该方法在超级电容提供负载峰值功率，达到对蓄电池“削峰填谷”目标的同时，又使其稳态电压保持在一个稳定值，满足混合动力汽车对于车载超级电容的能量回收要求。
在混合动力汽车行驶中,为了能让车载超级电容有效地为蓄电池提供能量缓冲，其荷电状态（SOC）需保持在一个安全范围内,以防止电容过充或能量不足。针对这一问题，基于车载超级电容的工作特性，改进了传统的车用混合储能系统滤波分配法，舍弃算法逻辑复杂、参数设计困难的逻辑门控制，使用简单的PI控制实现了电动汽车运行过程中超级电容电量的自保持，并通过基于TMS320F2812控制的混合储能装置和基于半实物仿真的永磁同步电机试验平台对所提出的方法进行了试验验证。结果表明，该方法在超级电容提供负载峰值功率，达到对蓄电池“削峰填谷”目标的同时，又使其稳态电压保持在一个稳定值，满足混合动力汽车对于车载超级电容的能量回收要求。
2022, 49(6):53-59.
DOI: 10.12177/emca.2022.043
摘要:
对于电动汽车无线电能传输（WPT）系统的磁耦合线圈结构优化设计，需综合考虑功率等级、传输效率与经济性等。首先分析了线圈匝数与匝距对传输功率、传输效率及线圈经济性的影响。然后，基于带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-II），提出了以线圈效率与线圈经济性为优化目标，以3.3 kW额定功率与线圈尺寸为约束边界，对线圈匝数与匝距进行多目标优化设计的方法。最后，基于Maxwell-Simplorer联合仿真验证了优化设计方法的可行性与有效性，优化后线圈最大传输效率可达93.4%，两侧线圈损耗均得到改善。
对于电动汽车无线电能传输（WPT）系统的磁耦合线圈结构优化设计，需综合考虑功率等级、传输效率与经济性等。首先分析了线圈匝数与匝距对传输功率、传输效率及线圈经济性的影响。然后，基于带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-II），提出了以线圈效率与线圈经济性为优化目标，以3.3 kW额定功率与线圈尺寸为约束边界，对线圈匝数与匝距进行多目标优化设计的方法。最后，基于Maxwell-Simplorer联合仿真验证了优化设计方法的可行性与有效性，优化后线圈最大传输效率可达93.4%，两侧线圈损耗均得到改善。
2022, 49(6):60-65.
DOI: 10.12177/emca.2022.032
摘要:
分数槽永磁同步电机因存在较低阶次的径向电磁力，导致其电磁噪声较大。基于理论分析、Optislang多目标优化平台与Ansys多物理场有限元分析平台，对一台电动汽车驱动用8极36槽永磁同步电机的电磁噪声进行分析和优化。电机的电磁噪声主要是由作用于定子齿上的径向电磁力波使定子铁心振动变形引起，在定子齿顶开辅助槽并对其齿槽参数进行优化,以削弱径向电磁力。建立电机的二维有限元模型，利用Optislang对不同工况下的定子辅助槽及齿槽参数进行多目标优化，计算得到Pareto前沿并从中找到相对最优解。对比分析电机优化前后定子齿部的径向电磁力，将其映射到所对应的三维结构上，利用Ansys计算得到电机优化前后的电磁噪声，并通过样机的噪声试验验证了仿真结果的有效性。
分数槽永磁同步电机因存在较低阶次的径向电磁力，导致其电磁噪声较大。基于理论分析、Optislang多目标优化平台与Ansys多物理场有限元分析平台，对一台电动汽车驱动用8极36槽永磁同步电机的电磁噪声进行分析和优化。电机的电磁噪声主要是由作用于定子齿上的径向电磁力波使定子铁心振动变形引起，在定子齿顶开辅助槽并对其齿槽参数进行优化,以削弱径向电磁力。建立电机的二维有限元模型，利用Optislang对不同工况下的定子辅助槽及齿槽参数进行多目标优化，计算得到Pareto前沿并从中找到相对最优解。对比分析电机优化前后定子齿部的径向电磁力，将其映射到所对应的三维结构上，利用Ansys计算得到电机优化前后的电磁噪声，并通过样机的噪声试验验证了仿真结果的有效性。
2022, 49(6):66-75.
DOI: 10.12177/emca.2022.030
摘要:
针对五相永磁同步电机匝间短路故障和高电阻连接故障具有相同的故障特征的问题，提出一种基于电流残差估计和高频电流对比的故障检测与分类方法。首先利用卡尔曼滤波器估计故障时交直轴电流残差来检测电机异常状况；然后利用高频时电感和电阻的特性不同，来区分匝间短路和高电阻连接故障；最后对两种故障的严重程度和故障相位进行研究。仿真结果表明，该方法能够有效诊断电机定子故障，准确识别电机匝间短路故障和高电阻连接故障，并且故障的严重程度对转速及负载变化有良好的鲁棒性。
针对五相永磁同步电机匝间短路故障和高电阻连接故障具有相同的故障特征的问题，提出一种基于电流残差估计和高频电流对比的故障检测与分类方法。首先利用卡尔曼滤波器估计故障时交直轴电流残差来检测电机异常状况；然后利用高频时电感和电阻的特性不同，来区分匝间短路和高电阻连接故障；最后对两种故障的严重程度和故障相位进行研究。仿真结果表明，该方法能够有效诊断电机定子故障，准确识别电机匝间短路故障和高电阻连接故障，并且故障的严重程度对转速及负载变化有良好的鲁棒性。
2022, 49(6):76-82.
DOI: 10.12177/emca.2022.036
摘要:
气体绝缘开关设备(GIS)运行时常发生开关部件及电气连接点的松动故障，引发机械的异常振动。分别从导电杆所受电磁力与涡流两方面推导三相共体式GIS与三相分体式GIS受力振动机理，进行仿真建模，证明了振动机理的正确性。建立松动故障时接触面受力振动模型，仿真计算松动时接触面的振动位移，并对比正常运行时振动特性与松动故障时振动特性的差异，发现松动故障时振动信号在某些频段的能量会增加，常见的是在1 000~2 000 Hz段的能量增加明显。进行现场实际的松动故障模拟，采集GIS振动信号，对振动信号进行时频变换提取频谱特征，验证了仿真计算的正确性。
气体绝缘开关设备(GIS)运行时常发生开关部件及电气连接点的松动故障，引发机械的异常振动。分别从导电杆所受电磁力与涡流两方面推导三相共体式GIS与三相分体式GIS受力振动机理，进行仿真建模，证明了振动机理的正确性。建立松动故障时接触面受力振动模型，仿真计算松动时接触面的振动位移，并对比正常运行时振动特性与松动故障时振动特性的差异，发现松动故障时振动信号在某些频段的能量会增加，常见的是在1 000~2 000 Hz段的能量增加明显。进行现场实际的松动故障模拟，采集GIS振动信号，对振动信号进行时频变换提取频谱特征，验证了仿真计算的正确性。
2022, 49(6):83-91.
DOI: 10.12177/emca.2022.022
摘要:
现有的故障诊断手段面对复杂电网时，难以精确提取故障特征，急需适应性强、识别率高的故障诊断方法。鉴于此,提出一种基于压缩感知与并联卷积神经网络(CNN)和长短期记忆网络(LSTM)结合的电网故障诊断方法。搭建永富直流输电系统模型采集原始故障数据，原始故障数据应用压缩感知原理进行压缩采样，获得压缩域故障信号，以提高网络的计算效率。然后搭建了麻雀搜索算法（SSA）优化的并联CNN-LSTM深度学习模型。通过SSA确定并联CNN-LSTM的网络结构及参数，利用并联CNN-LSTM深度学习模型直接在故障的压缩域挖掘故障波形特征和时序特征，并对故障进行识别。仿真结果表明该模型相较于传统方法具有更高的故障诊断精度。
现有的故障诊断手段面对复杂电网时，难以精确提取故障特征，急需适应性强、识别率高的故障诊断方法。鉴于此,提出一种基于压缩感知与并联卷积神经网络(CNN)和长短期记忆网络(LSTM)结合的电网故障诊断方法。搭建永富直流输电系统模型采集原始故障数据，原始故障数据应用压缩感知原理进行压缩采样，获得压缩域故障信号，以提高网络的计算效率。然后搭建了麻雀搜索算法（SSA）优化的并联CNN-LSTM深度学习模型。通过SSA确定并联CNN-LSTM的网络结构及参数，利用并联CNN-LSTM深度学习模型直接在故障的压缩域挖掘故障波形特征和时序特征，并对故障进行识别。仿真结果表明该模型相较于传统方法具有更高的故障诊断精度。
2022, 49(6):92-97.
DOI: 10.12177/emca.2022.020
摘要:
为避免永磁体局部失磁对永磁电机（PMSM）控制精度和安全运行带来影响，提出了一种基于反电动势（EMF）谐波分析的分数槽集中绕组永磁同步电机（FSCW-PMSM）局部失磁故障诊断方法。在推导出的FSCW-PMSM局部失磁时磁动势（MMF）和单槽反电动势的数学模型基础上，根据单槽反电动势各谐波分量的幅值和特征绕组系数得到单相反电动势各谐波幅值的定量变化关系，并验证利用单相反电动势谐波变化诊断失磁故障的可行性。最后，基于一台20极24槽内置式永磁同步电机的样机参数建立二维有限元模型开展电磁仿真分析，获得单相反电动势特征谐波的变化规律。结果表明单相反电动势特征谐波的大小随故障数量增大呈周期性变化。
为避免永磁体局部失磁对永磁电机（PMSM）控制精度和安全运行带来影响，提出了一种基于反电动势（EMF）谐波分析的分数槽集中绕组永磁同步电机（FSCW-PMSM）局部失磁故障诊断方法。在推导出的FSCW-PMSM局部失磁时磁动势（MMF）和单槽反电动势的数学模型基础上，根据单槽反电动势各谐波分量的幅值和特征绕组系数得到单相反电动势各谐波幅值的定量变化关系，并验证利用单相反电动势谐波变化诊断失磁故障的可行性。最后，基于一台20极24槽内置式永磁同步电机的样机参数建立二维有限元模型开展电磁仿真分析，获得单相反电动势特征谐波的变化规律。结果表明单相反电动势特征谐波的大小随故障数量增大呈周期性变化。
2022, 49(6):98-102.
DOI: 10.12177/emca.2022.033
摘要:
抽油机在工作时，每台电机的实际负载都是不相同的，如何根据工作过程中抽油机的实际负载来调整电机的实际输入电压对提高抽油机的效率有着明显的提升。本文采用了神经网络预测算法对电机实际输入电压进行预测，讨论了神经网络预测算法参数对预测结果的影响，并对神经网络预测算法获得的预测值与实测值进行了对比。结果表明本文提出的神经网络预测算法能够对电机最佳工作电压进行预测。
抽油机在工作时，每台电机的实际负载都是不相同的，如何根据工作过程中抽油机的实际负载来调整电机的实际输入电压对提高抽油机的效率有着明显的提升。本文采用了神经网络预测算法对电机实际输入电压进行预测，讨论了神经网络预测算法参数对预测结果的影响，并对神经网络预测算法获得的预测值与实测值进行了对比。结果表明本文提出的神经网络预测算法能够对电机最佳工作电压进行预测。
《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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