2021年第48卷第11期文章目次
2021, 48(11):1-5.
DOI: 10.12177/emca.2021.106
摘要:
针对传统滑模观测器使用符号函数引起的抖振问题，提出了一种基于连续函数的协同观测器方法，实现永磁同步电机(PMSM)的无传感控制。首先，研究PMSM的离散数学模型。其次，建立k+1时刻的电流偏差和k时刻的电流偏差之间的函数关系。最后，利用反正切函数计算转子位置并加入角度补偿，提高观测精度。仿真结果表明，所设计的协同观测器不仅无抖振现象，还具有更高的估算精度及良好的抗干扰性能，比传统滑模观测器可以更好地实现PMSM的无传感控制。
针对传统滑模观测器使用符号函数引起的抖振问题，提出了一种基于连续函数的协同观测器方法，实现永磁同步电机(PMSM)的无传感控制。首先，研究PMSM的离散数学模型。其次，建立k+1时刻的电流偏差和k时刻的电流偏差之间的函数关系。最后，利用反正切函数计算转子位置并加入角度补偿，提高观测精度。仿真结果表明，所设计的协同观测器不仅无抖振现象，还具有更高的估算精度及良好的抗干扰性能，比传统滑模观测器可以更好地实现PMSM的无传感控制。
2021, 48(11):6-13.
DOI: 10.12177/emca.2021.115
摘要:
为避免传统成本函数中权重系数的设计和调节，采用排序法实现表贴式永磁同步电机(SPMSM)模型预测转矩控制(MPTC)，将不同量纲的控制变量转化为无量纲的排序得分，从而消除权重系数，并设计优先级解决排序法中的最优电压矢量不唯一的问题，分析了不同优先级方案对系统控制性能的影响。仿真验证基于排序法SPMSM MPTC的可行性。
为避免传统成本函数中权重系数的设计和调节，采用排序法实现表贴式永磁同步电机(SPMSM)模型预测转矩控制(MPTC)，将不同量纲的控制变量转化为无量纲的排序得分，从而消除权重系数，并设计优先级解决排序法中的最优电压矢量不唯一的问题，分析了不同优先级方案对系统控制性能的影响。仿真验证基于排序法SPMSM MPTC的可行性。
2021, 48(11):14-20，26.
DOI: 10.12177/emca.2021.119
摘要:
开关磁阻电机(SRM)具有较强的非线性，很难建立其准确的数学模型，在传统PID调速控制中难以获得整个调速范围内Kp、KI、KD 3个参数的最优组合。而固定参数的传统PID调节器，不利于系统调速的精准性与抗干扰性。通过分析传统PID调节器3个参数的控制特点，主要针对起动、调速、负载扰动等若干状态下，建立适当的、通用的模糊控制规则，将模糊控制和PID控制相结合，构成SRM的模糊PID转速调节器，实现Kp、KI、KD 3个控制参数的自适应调节，从而获得在整个调速范围内不同负载下较好的调速特性。仿真试验表明，所提出方法避免了固定参数转速调节器的比例积分环节导致的低速、轻载工况下的转速超调与振荡，克服了单纯模糊控制所导致的调速误差。
开关磁阻电机(SRM)具有较强的非线性，很难建立其准确的数学模型，在传统PID调速控制中难以获得整个调速范围内Kp、KI、KD 3个参数的最优组合。而固定参数的传统PID调节器，不利于系统调速的精准性与抗干扰性。通过分析传统PID调节器3个参数的控制特点，主要针对起动、调速、负载扰动等若干状态下，建立适当的、通用的模糊控制规则，将模糊控制和PID控制相结合，构成SRM的模糊PID转速调节器，实现Kp、KI、KD 3个控制参数的自适应调节，从而获得在整个调速范围内不同负载下较好的调速特性。仿真试验表明，所提出方法避免了固定参数转速调节器的比例积分环节导致的低速、轻载工况下的转速超调与振荡，克服了单纯模糊控制所导致的调速误差。
2021, 48(11):21-26.
DOI: 10.12177/emca.2021.124
摘要:
针对滑模控制永磁直线同步电动机（PMLSM）不能实现有限时间控制以及全局滑模控制（GSMC）不能实现快速收敛的问题，提出了一种改进型GSMC算法来设计直线伺服速度控制器。该算法采用了由非线性项、线性项相结合的动态滑模面以及等速趋近律，非线性滑模面衰减函数由3个指数函数项组成一阶可导函数, 并能在有限时间内衰减为零。仿真结果表明，改进GSMC不仅使系统具有全局鲁棒性，且能在保证高跟踪精度的同时加快响应速度和抗干扰能力。
针对滑模控制永磁直线同步电动机（PMLSM）不能实现有限时间控制以及全局滑模控制（GSMC）不能实现快速收敛的问题，提出了一种改进型GSMC算法来设计直线伺服速度控制器。该算法采用了由非线性项、线性项相结合的动态滑模面以及等速趋近律，非线性滑模面衰减函数由3个指数函数项组成一阶可导函数, 并能在有限时间内衰减为零。仿真结果表明，改进GSMC不仅使系统具有全局鲁棒性，且能在保证高跟踪精度的同时加快响应速度和抗干扰能力。
2021, 48(11):27-32.
DOI: 10.12177/emca.2021.097
摘要:
针对生产中对步进电机运行时间和距离有精确要求的常见工况，设计一套步进电机S曲线控制算法，根据不同的运行要求灵活设定运动过程，设定较少参数即能规划整个运动路径，达到理想的运动效果。设计新型余弦S曲线，搭建MATLAB/Simulink仿真控制模型和硬件测试系统进行仿真和试验验证。结果显示电机实际加减速过程运行平滑，起步稳定振动小，设定参数下可以精确运行，与直接起停相比，运行效果有很大改善。新型余弦S曲线已在全自动号码机项目中得到实际应用。
针对生产中对步进电机运行时间和距离有精确要求的常见工况，设计一套步进电机S曲线控制算法，根据不同的运行要求灵活设定运动过程，设定较少参数即能规划整个运动路径，达到理想的运动效果。设计新型余弦S曲线，搭建MATLAB/Simulink仿真控制模型和硬件测试系统进行仿真和试验验证。结果显示电机实际加减速过程运行平滑，起步稳定振动小，设定参数下可以精确运行，与直接起停相比，运行效果有很大改善。新型余弦S曲线已在全自动号码机项目中得到实际应用。
2021, 48(11):33-38.
DOI: 10.12177/emca.2021.101
摘要:
为了完善上海电器科学研究院电机工业互联网云平台的电机协同设计功能，开发了一款基于有限元法的二维电磁场仿真软件，实现了电机电磁场的仿真计算。在软件前处理的网格生成环节，采用了三角形网格剖分，通过对已有网格算法的总结和研究，提出了一种适用于电机电磁场仿真的二维网格生成方法，具有网格剖分适应性强和计算速度快的特点。介绍的电机电磁场计算的网格剖分方法，已应用于“电机协同设计电磁场有限元仿真软件EMFTest V1.0”的软件开发中，验证了网格生成方法的可行性。
为了完善上海电器科学研究院电机工业互联网云平台的电机协同设计功能，开发了一款基于有限元法的二维电磁场仿真软件，实现了电机电磁场的仿真计算。在软件前处理的网格生成环节，采用了三角形网格剖分，通过对已有网格算法的总结和研究，提出了一种适用于电机电磁场仿真的二维网格生成方法，具有网格剖分适应性强和计算速度快的特点。介绍的电机电磁场计算的网格剖分方法，已应用于“电机协同设计电磁场有限元仿真软件EMFTest V1.0”的软件开发中，验证了网格生成方法的可行性。
2021, 48(11):39-44.
DOI: 10.12177/emca.2021.109
摘要:
开关磁阻电机(SRM)应用于众多领域，但是本身的结构使其比其他传统电机有更大的振动和噪声，因此抑制SRM振动仍是研究的热门领域。为了抑制电机的振动，设计了一种新型的电机结构，即在转子两侧开孔，并在此基础上对定子齿顶开槽。以一台7.5 kW、1 500 r/min、12/8极SRM为例，通过有限元分析仿真，对新型电机结构进行参数化计算，并得到最优结构。在保证平均转矩基本保持不变的情况下，减小了转矩脉动以及径向力。与原始电机相比，转矩脉动系数下降了16.01%，径向力峰值下降了19.96%。因此，证明了该方法对SRM振动抑制有较好的效果，对后续SRM设计及控制具有一定的借鉴意义。
开关磁阻电机(SRM)应用于众多领域，但是本身的结构使其比其他传统电机有更大的振动和噪声，因此抑制SRM振动仍是研究的热门领域。为了抑制电机的振动，设计了一种新型的电机结构，即在转子两侧开孔，并在此基础上对定子齿顶开槽。以一台7.5 kW、1 500 r/min、12/8极SRM为例，通过有限元分析仿真，对新型电机结构进行参数化计算，并得到最优结构。在保证平均转矩基本保持不变的情况下，减小了转矩脉动以及径向力。与原始电机相比，转矩脉动系数下降了16.01%，径向力峰值下降了19.96%。因此，证明了该方法对SRM振动抑制有较好的效果，对后续SRM设计及控制具有一定的借鉴意义。
2021, 48(11):45-50.
DOI: 10.12177/emca.2021.104
摘要:
高功率密度感应牵引电机具有结构紧凑、磁通饱和度高、工作频率高、单位体积损耗密度大等特点。高工作频率导致定子绕组趋肤效应和邻近效应明显增加，在定子绕组中感应高频涡流附加损耗，引起附加铜耗大大增加。基于感应电机内部谐波磁场理论分析定子绕组涡流附加损耗的来源、计算方法及影响因素，并对一款4极650 kW感应牵引电机进行了详细有限元分析。分析了感应牵引电机定子槽内磁场分布、槽内磁场的各次谐波、谐波幅值与距槽口深度的关系,并计算了槽内导体的涡流附加损耗。计算结果表明槽口附近导体的涡流附加损耗最大，随着距离槽口深度的增加，槽内导体的涡流附加损耗呈明显减小的趋势，通过合理设计定子槽口深度可以有效减小槽口附近导体的涡流附加损耗。
高功率密度感应牵引电机具有结构紧凑、磁通饱和度高、工作频率高、单位体积损耗密度大等特点。高工作频率导致定子绕组趋肤效应和邻近效应明显增加，在定子绕组中感应高频涡流附加损耗，引起附加铜耗大大增加。基于感应电机内部谐波磁场理论分析定子绕组涡流附加损耗的来源、计算方法及影响因素，并对一款4极650 kW感应牵引电机进行了详细有限元分析。分析了感应牵引电机定子槽内磁场分布、槽内磁场的各次谐波、谐波幅值与距槽口深度的关系,并计算了槽内导体的涡流附加损耗。计算结果表明槽口附近导体的涡流附加损耗最大，随着距离槽口深度的增加，槽内导体的涡流附加损耗呈明显减小的趋势，通过合理设计定子槽口深度可以有效减小槽口附近导体的涡流附加损耗。
2021, 48(11):51-57.
DOI: 10.12177/emca.2021.110
摘要:
起重机用新型驱动装置采用外转子结构，且相对于传统起升机构的一体化程度更高，易造成定子绕组散热困难。有别于传统电机设备的断续工作制，对温升计算提出了新的问题。根据设备特点，设计空心轴风冷的冷却结构。基于流体力学和传热学基本原理，建立流固耦合数学模型。以一台额定功率为90 kW的驱动装置为例，通过计算流体力学软件及其嵌入的自定义函数，依据传统起重机械设计要求的机构工作级别和极限操作工况，进行编程及模拟仿真。将温升计算结果与同等条件下试验数据进行对比，验证计算方法的科学性，并分析冷却机构的合理性，最终结果为后续起重机驱动装置的散热研究提供参考依据。
起重机用新型驱动装置采用外转子结构，且相对于传统起升机构的一体化程度更高，易造成定子绕组散热困难。有别于传统电机设备的断续工作制，对温升计算提出了新的问题。根据设备特点，设计空心轴风冷的冷却结构。基于流体力学和传热学基本原理，建立流固耦合数学模型。以一台额定功率为90 kW的驱动装置为例，通过计算流体力学软件及其嵌入的自定义函数，依据传统起重机械设计要求的机构工作级别和极限操作工况，进行编程及模拟仿真。将温升计算结果与同等条件下试验数据进行对比，验证计算方法的科学性，并分析冷却机构的合理性，最终结果为后续起重机驱动装置的散热研究提供参考依据。
2021, 48(11):58-64,79.
DOI: 10.12177/emca.2021.108
摘要:
为研究全封闭大功率永磁牵引电机额定工况下的稳态温度场，以一台额定功率为815 kW的永磁同步牵引电机为研究对象，依据成型绕组槽部导热模型，建立了整机三维温度场共轭传热计算模型。考虑旋转磁化、冲压过程和磁密高阶谐波对定子铁耗的影响，以及水套-定子铁心间接触热阻抗对电机温升的影响，采用Fluent软件对电机额定工况下的稳态流场与温度场求解，使用电阻法和埋置检温计法（ETD）测得电机在额定工况下绕组的平均温升、铁心测点和绕组端部测点局部温升，绝对误差分别为-3.7 K、-0.3 K和7.6 K。进一步分析了电机水路和内风路流场分布特性、水套-定子铁心间接触间隙对绕组平均温升的影响以及槽内绕组附近的温升分布情况，最后提出了该类电机冷却系统设计优化方向。
为研究全封闭大功率永磁牵引电机额定工况下的稳态温度场，以一台额定功率为815 kW的永磁同步牵引电机为研究对象，依据成型绕组槽部导热模型，建立了整机三维温度场共轭传热计算模型。考虑旋转磁化、冲压过程和磁密高阶谐波对定子铁耗的影响，以及水套-定子铁心间接触热阻抗对电机温升的影响，采用Fluent软件对电机额定工况下的稳态流场与温度场求解，使用电阻法和埋置检温计法（ETD）测得电机在额定工况下绕组的平均温升、铁心测点和绕组端部测点局部温升，绝对误差分别为-3.7 K、-0.3 K和7.6 K。进一步分析了电机水路和内风路流场分布特性、水套-定子铁心间接触间隙对绕组平均温升的影响以及槽内绕组附近的温升分布情况，最后提出了该类电机冷却系统设计优化方向。
2021, 48(11):65-71,113.
DOI: 10.12177/emca.2021.112
摘要:
针对电动汽车无线充电技术，考虑发射线圈和接收线圈发生径向偏移的情况，基于两线圈结构的串串型拓扑，通过三维电磁仿真软件Maxwell来对比圆形、矩形和DD型线圈的抗偏移性能。通过添加磁芯和铝板等对所选线圈进行优化设计。借助Maxwell和Simplorer实现联合仿真，验证该无线电能传输系统设计的可行性。在两线圈间发生偏移的情况下，为实现无线电能传输系统的传输效率达到95%以上的目标，给出了一种基于线圈比较选择的磁耦合机构设计流程，并根据流程设计了切实可行的无线电能传输系统。通过试验验证了该系统的可行性。
针对电动汽车无线充电技术，考虑发射线圈和接收线圈发生径向偏移的情况，基于两线圈结构的串串型拓扑，通过三维电磁仿真软件Maxwell来对比圆形、矩形和DD型线圈的抗偏移性能。通过添加磁芯和铝板等对所选线圈进行优化设计。借助Maxwell和Simplorer实现联合仿真，验证该无线电能传输系统设计的可行性。在两线圈间发生偏移的情况下，为实现无线电能传输系统的传输效率达到95%以上的目标，给出了一种基于线圈比较选择的磁耦合机构设计流程，并根据流程设计了切实可行的无线电能传输系统。通过试验验证了该系统的可行性。
2021, 48(11):72-79.
DOI: 10.12177/emca.2021.116
摘要:
通过绕组函数理论对直线同步电动机进行分析，提出一种基于卷积神经网络(CNN)的直线同步电动机故障诊断方法。从直线同步电动机的数学模型出发，基于绕组函数理论对电动机正常状态和匝间短路故障状态进行仿真，对电流波形图进行快速傅里叶变换(FFT)得到不同状态的数据集。利用CNN中的GoogLeNet网络结构，在保持网络空间维度的同时不增加故障诊断的计算量。将数据集输入到网络模型进行故障诊断，仿真结果表明GoogLeNet网络结构对直线同步电动机电枢绕组的短路故障识别率达到了96.5%以上。
通过绕组函数理论对直线同步电动机进行分析，提出一种基于卷积神经网络(CNN)的直线同步电动机故障诊断方法。从直线同步电动机的数学模型出发，基于绕组函数理论对电动机正常状态和匝间短路故障状态进行仿真，对电流波形图进行快速傅里叶变换(FFT)得到不同状态的数据集。利用CNN中的GoogLeNet网络结构，在保持网络空间维度的同时不增加故障诊断的计算量。将数据集输入到网络模型进行故障诊断，仿真结果表明GoogLeNet网络结构对直线同步电动机电枢绕组的短路故障识别率达到了96.5%以上。
2021, 48(11):80-85.
DOI: 10.12177/emca.2021.120
摘要:
单相接地故障作为一种常见电气故障，会使船舶中压直流电力系统的直流电压纹波产生畸变，影响系统正常运行。以中压直流电力系统的单相接地故障为背景，研究了整流发电机中性点接地方式对纹波的影响。首先运用对称分量法和开关函数法，分别计算了直流电压的正常纹波次数与故障下纹波次数，并推导出故障下直流电压中交流分量的解析表达式。然后，通过分析绕组间的零序回路，得出了故障绕组零序电压与接地方式之间的关联，从而进一步得到接地方式对直流纹波的影响。最后，通过PSCAD与MATLAB/Simulink仿真软件搭建模型，进行仿真验证，为舰船中压直流系统整流发电机接地方式的选取提供参考依据。
单相接地故障作为一种常见电气故障，会使船舶中压直流电力系统的直流电压纹波产生畸变，影响系统正常运行。以中压直流电力系统的单相接地故障为背景，研究了整流发电机中性点接地方式对纹波的影响。首先运用对称分量法和开关函数法，分别计算了直流电压的正常纹波次数与故障下纹波次数，并推导出故障下直流电压中交流分量的解析表达式。然后，通过分析绕组间的零序回路，得出了故障绕组零序电压与接地方式之间的关联，从而进一步得到接地方式对直流纹波的影响。最后，通过PSCAD与MATLAB/Simulink仿真软件搭建模型，进行仿真验证，为舰船中压直流系统整流发电机接地方式的选取提供参考依据。
2021, 48(11):86-91.
DOI: 10.12177/emca.2021.111
摘要:
混合直流输电系统常会出现不同类型的故障，传统控制方法的故障处理时间过长，对此，研究基于换相换流器（LCC）和模块化多电平换流器（MMC）的混合直流输电系统优化控制方法。根据系统结构特征绘制拓扑结构图，建立LCC数学模型和MMC数学模型；利用三角星型接法和星型接法控制整流侧直流电压，实现整流侧LCC的优化控制；利用电压源逆变器（VSC）双闭环控制器对逆变侧MMC进行优化控制；通过从系统直流侧直接充电，减少中间电流转接过程，利用MMC数学模型计算电压调制波，实现均衡电压，控制系统稳定运行。仿真结果表明，应用所提方法可以在5 s内控制整流站交流故障，面对直流线路单极故障问题，所提方法在5 s内快速反应，将LCC和MMC的电流控制在稳定的区间内，同时对三组电流的控制均有较好的效果，能够实现混合直流输电系统优化控制，快速解决输电系统故障。
混合直流输电系统常会出现不同类型的故障，传统控制方法的故障处理时间过长，对此，研究基于换相换流器（LCC）和模块化多电平换流器（MMC）的混合直流输电系统优化控制方法。根据系统结构特征绘制拓扑结构图，建立LCC数学模型和MMC数学模型；利用三角星型接法和星型接法控制整流侧直流电压，实现整流侧LCC的优化控制；利用电压源逆变器（VSC）双闭环控制器对逆变侧MMC进行优化控制；通过从系统直流侧直接充电，减少中间电流转接过程，利用MMC数学模型计算电压调制波，实现均衡电压，控制系统稳定运行。仿真结果表明，应用所提方法可以在5 s内控制整流站交流故障，面对直流线路单极故障问题，所提方法在5 s内快速反应，将LCC和MMC的电流控制在稳定的区间内，同时对三组电流的控制均有较好的效果，能够实现混合直流输电系统优化控制，快速解决输电系统故障。
2021, 48(11):92-97.
DOI: 10.12177/emca.2021.126
摘要:
在大功率变流器产品的设计应用过程中，因母排杂散电感的不匹配导致变流器模块支撑电容纹波电流有效值偏大，电容长期工作在超额状态以致损坏。针对上述问题，根据变流器模块不同母排结构建立相对应的数学模型，分析了支撑电容电流偏大的根本原因。通过试验的方法测量提取不同母排结构的杂散电感以指导后续母排的设计。根据理论分析提出了通过优化母排设计、改善控制算法来减小母线支撑电容纹波电流。最后，基于某一变流器平台，通过测量不同试验条件下电容电流纹波，对比分析试验数据以验证所提改进措施的有效性。
在大功率变流器产品的设计应用过程中，因母排杂散电感的不匹配导致变流器模块支撑电容纹波电流有效值偏大，电容长期工作在超额状态以致损坏。针对上述问题，根据变流器模块不同母排结构建立相对应的数学模型，分析了支撑电容电流偏大的根本原因。通过试验的方法测量提取不同母排结构的杂散电感以指导后续母排的设计。根据理论分析提出了通过优化母排设计、改善控制算法来减小母线支撑电容纹波电流。最后，基于某一变流器平台，通过测量不同试验条件下电容电流纹波，对比分析试验数据以验证所提改进措施的有效性。
2021, 48(11):98-103.
DOI: 10.12177/emca.2021.117
摘要:
为了高精度评价电力系统运行方式合理性以及电力企业运营状况，研究基于双模调频分解的低压配电网同期线损率预测模型，利用高精度的线损率预测结果提升电网运营管理性能。采集低压配电网电能传输信号，通过双模调频分解方法利用双模调频基函数分解信号，去除无用信号；利用分层式节点识别策略在分解后的配电信号中划分低压配电网的负荷节点，获取各负荷节点的注入电流；利用支持向量机方法建立同期线损率预测模型，将所获取的注入电流输入到模型中，输出线损率预测优化结果。试验结果表明，该预测模型的预测结果与实际结果极为吻合，平均绝对误差和均方根误差均不超过0.09%，证明该模型可有效预测低压配电网同期线损率，预测精度高，可为智能配电网运营管理提供有效依据。
为了高精度评价电力系统运行方式合理性以及电力企业运营状况，研究基于双模调频分解的低压配电网同期线损率预测模型，利用高精度的线损率预测结果提升电网运营管理性能。采集低压配电网电能传输信号，通过双模调频分解方法利用双模调频基函数分解信号，去除无用信号；利用分层式节点识别策略在分解后的配电信号中划分低压配电网的负荷节点，获取各负荷节点的注入电流；利用支持向量机方法建立同期线损率预测模型，将所获取的注入电流输入到模型中，输出线损率预测优化结果。试验结果表明，该预测模型的预测结果与实际结果极为吻合，平均绝对误差和均方根误差均不超过0.09%，证明该模型可有效预测低压配电网同期线损率，预测精度高，可为智能配电网运营管理提供有效依据。
2021, 48(11):104-113.
DOI: 10.12177/emca.2021.114
摘要:
为快速消除线路过载避免发生连锁故障，提出一种基于潮流追踪和功率灵敏度的线路过载紧急控制策略。首先用潮流追踪法确定控制节点组，并结合发电机的调节速率计算出控制节点组的调整量。然后用功率灵敏度法判断控制节点组的功率调整方向。最后采用反向等量调整法对控制节点组进行相应的控制，通过IEEE39、IEEE118节点系统验证了潮流追踪和功率灵敏度组合方法的优越性和有效性。
为快速消除线路过载避免发生连锁故障，提出一种基于潮流追踪和功率灵敏度的线路过载紧急控制策略。首先用潮流追踪法确定控制节点组，并结合发电机的调节速率计算出控制节点组的调整量。然后用功率灵敏度法判断控制节点组的功率调整方向。最后采用反向等量调整法对控制节点组进行相应的控制，通过IEEE39、IEEE118节点系统验证了潮流追踪和功率灵敏度组合方法的优越性和有效性。
《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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