2021年第48卷第8期文章目次
2021, 48(8):1-7.
DOI: 10.12177/emca.2021.057
摘要:
针对传统感应电机(IM)恒功率调速区间有限，额定点外效率降低以及受使用场景约束的问题，为了拓宽调速和高效率工作区间以及适应多种环境运行需求，采用定子鼠笼型十二相IM替代传统分布式绕组三相IM。经过转子磁场定向矢量控制解耦出不同平面的谐波电流从而驱动电机旋转，通过控制函数对所有平面的谐波电流进行调控，能方便快捷地实现电机的极对数切换。对所提出的控制函数调控矢量解耦平面实现极对数切换的方法进行仿真验证，仿真结果表明所提极对数切换技术能够实现十二相IM在不同转速下的极对数切换，拓宽了转速调节区间，满足了不同工况工作时的高效率运转。
针对传统感应电机(IM)恒功率调速区间有限，额定点外效率降低以及受使用场景约束的问题，为了拓宽调速和高效率工作区间以及适应多种环境运行需求，采用定子鼠笼型十二相IM替代传统分布式绕组三相IM。经过转子磁场定向矢量控制解耦出不同平面的谐波电流从而驱动电机旋转，通过控制函数对所有平面的谐波电流进行调控，能方便快捷地实现电机的极对数切换。对所提出的控制函数调控矢量解耦平面实现极对数切换的方法进行仿真验证，仿真结果表明所提极对数切换技术能够实现十二相IM在不同转速下的极对数切换，拓宽了转速调节区间，满足了不同工况工作时的高效率运转。
2021, 48(8):8-15，43.
DOI: 10.12177/emca.2021.064
摘要:
针对飞机变频交流数字式调压系统非线性的特点，将模糊控制与PID控制相结合设计了调压器的控制算法并构造了多闭环反馈控制策略。介绍了模糊PID控制器的设计方法及建模过程，在Simulink中搭建了模糊PID控制的仿真模型，对该控制器在不同工况下的调压性能进行了仿真并与传统PID控制仿真结果对比分析，结果表明模糊PID控制下的调压器动稳态性能均优于传统PID控制。最后，基于双DSP硬件平台进行试验验证，并与某型飞机典型用电负载交联，试验结果证明了所设计控制器的正确性及有效性。
针对飞机变频交流数字式调压系统非线性的特点，将模糊控制与PID控制相结合设计了调压器的控制算法并构造了多闭环反馈控制策略。介绍了模糊PID控制器的设计方法及建模过程，在Simulink中搭建了模糊PID控制的仿真模型，对该控制器在不同工况下的调压性能进行了仿真并与传统PID控制仿真结果对比分析，结果表明模糊PID控制下的调压器动稳态性能均优于传统PID控制。最后，基于双DSP硬件平台进行试验验证，并与某型飞机典型用电负载交联，试验结果证明了所设计控制器的正确性及有效性。
2021, 48(8):16-21.
DOI: 10.12177/emca.2021.052
摘要:
针对无刷直流电机(BLDCM)在高速状态下的换相不准确问题，根据电机反电动势与控制算法的换相点之间存在的特定关系，提出了一种新型的无传感器控制方法。该方法通过计算电机的换相点进行换相，规避了传统算法在相位延迟估算过程中的不确定性，并提高了无位置传感器控制算法的动态响应性能；引入查表的方法简化了所提BLDCM无传感器控制算法的实现过程。通过引入一种新型的电机反电动势检测电路，对无传感器控制算法的外部实现电路进行简化，进一步降低了所提控制算法的实现成本。试验结果表明，所提反电动势检测电路能有效检测电机相电压，所提BLDCM无位置传感器控制方法十分有效、实现简单，且在动态响应上具有很大优势。
针对无刷直流电机(BLDCM)在高速状态下的换相不准确问题，根据电机反电动势与控制算法的换相点之间存在的特定关系，提出了一种新型的无传感器控制方法。该方法通过计算电机的换相点进行换相，规避了传统算法在相位延迟估算过程中的不确定性，并提高了无位置传感器控制算法的动态响应性能；引入查表的方法简化了所提BLDCM无传感器控制算法的实现过程。通过引入一种新型的电机反电动势检测电路，对无传感器控制算法的外部实现电路进行简化，进一步降低了所提控制算法的实现成本。试验结果表明，所提反电动势检测电路能有效检测电机相电压，所提BLDCM无位置传感器控制方法十分有效、实现简单，且在动态响应上具有很大优势。
2021, 48(8):22-27.
DOI: 10.12177/emca.2021.062
摘要:
永磁同步直线电机(PMSLM)直接驱动负载运动，电机性能易受内外界扰动影响，使电机控制性能变差。滑模控制(SMC)是一种不连续性控制，具有良好的鲁棒性能，但传统滑模本身存在抖振问题。针对这一问题，设计了一种改进的SMC，在指数趋近律的基础上引入状态变量的变指数积分幂次项、幂次趋近律和饱和函数，实现PMSLM位置SMC，有效地减小了滑模引起的抖振问题。采用扩张状态观测器(ESO)实时观测负载扰动，通过调整控制量来减小滑模变结构中的趋近律参数，达到改善电机控制性能的目的。
永磁同步直线电机(PMSLM)直接驱动负载运动，电机性能易受内外界扰动影响，使电机控制性能变差。滑模控制(SMC)是一种不连续性控制，具有良好的鲁棒性能，但传统滑模本身存在抖振问题。针对这一问题，设计了一种改进的SMC，在指数趋近律的基础上引入状态变量的变指数积分幂次项、幂次趋近律和饱和函数，实现PMSLM位置SMC，有效地减小了滑模引起的抖振问题。采用扩张状态观测器(ESO)实时观测负载扰动，通过调整控制量来减小滑模变结构中的趋近律参数，达到改善电机控制性能的目的。
2021, 48(8):28-35，43.
DOI: 10.12177/emca.2021.058
摘要:
双向准Z源逆变器驱动永磁同步电机(PMSM)系统在兼具Z源逆变器和PMSM优点的同时，还可实现能量的双向流动。针对双向准Z源逆变器驱动PMSM系统的特点，提出一种快速矢量选择有限集模型预测电流控制(FCS\|MPCC)策略。由双向准Z源网络直流链电压闭环与PMSM电磁功率前馈生成电感电流参考值，由电机转速闭环生成电机电流参考值。通过预测直通(ST)及非直通(NST)状态下的电感电流值并引入电感电流子代价函数以确定是否选择ST状态，进而实现对直流链电压的控制。在NST状态下，结合空间电压矢量脉宽调制策略，仅使目标电压矢量所在扇区的4个矢量参与PMSM定子电流预测和代价函数计算，以选择最优的开关状态，在实现对PMSM转速控制的同时减小在线计算量。仿真结果表明，所提控制策略可实现对双向准Z源逆变器的升压及PMSM牵引或制动工况下的转速控制，系统具有良好的稳态及动态性能。
双向准Z源逆变器驱动永磁同步电机(PMSM)系统在兼具Z源逆变器和PMSM优点的同时，还可实现能量的双向流动。针对双向准Z源逆变器驱动PMSM系统的特点，提出一种快速矢量选择有限集模型预测电流控制(FCS\|MPCC)策略。由双向准Z源网络直流链电压闭环与PMSM电磁功率前馈生成电感电流参考值，由电机转速闭环生成电机电流参考值。通过预测直通(ST)及非直通(NST)状态下的电感电流值并引入电感电流子代价函数以确定是否选择ST状态，进而实现对直流链电压的控制。在NST状态下，结合空间电压矢量脉宽调制策略，仅使目标电压矢量所在扇区的4个矢量参与PMSM定子电流预测和代价函数计算，以选择最优的开关状态，在实现对PMSM转速控制的同时减小在线计算量。仿真结果表明，所提控制策略可实现对双向准Z源逆变器的升压及PMSM牵引或制动工况下的转速控制，系统具有良好的稳态及动态性能。
2021, 48(8):36-43.
DOI: 10.12177/emca.2021.068
摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)伺服系统在运行过程中因转动惯量变化而带来负面影响的问题，提出了基于定量反馈理论(QFT)的PID控制器的设计方法。通过将转动惯量视为参数变化量，从而获得了被控对象的不确定性模型，然后设计性能指标，运用QFT，在Nichols图上合成了PID型控制器。仿真和试验结果表明，所提方法有效改善了PMSM伺服系统转动惯量变化带来的影响，提升了系统的鲁棒性。最后，通过与PI控制器的对比表明了其优异性。
针对永磁同步电机(PMSM)伺服系统在运行过程中因转动惯量变化而带来负面影响的问题，提出了基于定量反馈理论(QFT)的PID控制器的设计方法。通过将转动惯量视为参数变化量，从而获得了被控对象的不确定性模型，然后设计性能指标，运用QFT，在Nichols图上合成了PID型控制器。仿真和试验结果表明，所提方法有效改善了PMSM伺服系统转动惯量变化带来的影响，提升了系统的鲁棒性。最后，通过与PI控制器的对比表明了其优异性。
2021, 48(8):44-49，71.
DOI: 10.12177/emca.2021.066
摘要:
为了满足最新电机能效等级国家标准的要求，提高电机的运行效率，以一台55 kW的充水式潜水电机为例，提出了一种永磁辅助同步磁阻电机(PMASRM)转子电磁设计方法，结合转子再制造技术，取代传统的潜水感应电机转子，将其改造成为潜水PMASRM。设计的潜水PMASRM和传统的潜水感应电机具有相同的定子铁心结构和绕组形式，提高了材料的利用率，降低了制造成本。有限元仿真结果表明，改造后的潜水PMASRM效率比潜水感应电机得到有效提高。
为了满足最新电机能效等级国家标准的要求，提高电机的运行效率，以一台55 kW的充水式潜水电机为例，提出了一种永磁辅助同步磁阻电机(PMASRM)转子电磁设计方法，结合转子再制造技术，取代传统的潜水感应电机转子，将其改造成为潜水PMASRM。设计的潜水PMASRM和传统的潜水感应电机具有相同的定子铁心结构和绕组形式，提高了材料的利用率，降低了制造成本。有限元仿真结果表明，改造后的潜水PMASRM效率比潜水感应电机得到有效提高。
2021, 48(8):50-54.
DOI: 10.12177/emca.2021.044
摘要:
针对电动自行车用磁通切换电机齿槽转矩大的问题，依据槽极配合原理，设计并对比了12槽10极和12槽11极2台电机。有限元仿真结果表明，12槽11极电机的转矩脉动仅为12槽10极的16.6%，通过转子分段斜极方式进一步减小其齿槽转矩，同时分析转子斜极角度对电机转矩性能的影响。研究结果表明，斜极优化后的12槽11极磁通切换电机转矩脉动仅有2%，且输出转矩能够满足电动自行车日常行驶动力需求。
针对电动自行车用磁通切换电机齿槽转矩大的问题，依据槽极配合原理，设计并对比了12槽10极和12槽11极2台电机。有限元仿真结果表明，12槽11极电机的转矩脉动仅为12槽10极的16.6%，通过转子分段斜极方式进一步减小其齿槽转矩，同时分析转子斜极角度对电机转矩性能的影响。研究结果表明，斜极优化后的12槽11极磁通切换电机转矩脉动仅有2%，且输出转矩能够满足电动自行车日常行驶动力需求。
2021, 48(8):55-62.
DOI: 10.12177/emca.2020.061
摘要:
配电网中三相电压不平衡对异步电动机损耗会造成较大影响。运用等效电路公式分析三相电压不平衡影响下电动机损耗存在精度不稳定、需要参数过多且数学模型过于复杂等问题。针对以上问题，提出一种基于注意力机制和卷积神经网络(CNN)的异步电动机损耗评估方法。该方法将实测电机数据作为输入，引入注意力机制为输入特征赋予不同权重；采用卷积层和全连接层组成的CNN构架对异步电动机实测数据进行学习，最后完成损耗评估。以现场试验得到的电机损耗数据作为实际算例，该方法评估损耗与实测损耗平均误差仅为0.717%和0.549%，并与其他典型机器学习算法进行对比，结果表明所提方法具有更好的损耗评估性能。
配电网中三相电压不平衡对异步电动机损耗会造成较大影响。运用等效电路公式分析三相电压不平衡影响下电动机损耗存在精度不稳定、需要参数过多且数学模型过于复杂等问题。针对以上问题，提出一种基于注意力机制和卷积神经网络(CNN)的异步电动机损耗评估方法。该方法将实测电机数据作为输入，引入注意力机制为输入特征赋予不同权重；采用卷积层和全连接层组成的CNN构架对异步电动机实测数据进行学习，最后完成损耗评估。以现场试验得到的电机损耗数据作为实际算例，该方法评估损耗与实测损耗平均误差仅为0.717%和0.549%，并与其他典型机器学习算法进行对比，结果表明所提方法具有更好的损耗评估性能。
2021, 48(8):63-66，89.
DOI: 10.12177/emca.2021.069
摘要:
以某自扇冷式牵引电机为例，采用计算流体力学的方法分析了通风系统的风阻、风量、流速、风扇机械损耗以及气动噪声，并进行了试验验证。结果表明，提高风扇内气流的均匀性和稳定性，减少风扇涡流，可以明显改善风扇性能、降低风扇损耗，明显降低电机气动噪声，显著提高电机效率，提高电机的性能。采用的计算分析方法和所得结论对风扇性能改进具有一定的参考意义。
以某自扇冷式牵引电机为例，采用计算流体力学的方法分析了通风系统的风阻、风量、流速、风扇机械损耗以及气动噪声，并进行了试验验证。结果表明，提高风扇内气流的均匀性和稳定性，减少风扇涡流，可以明显改善风扇性能、降低风扇损耗，明显降低电机气动噪声，显著提高电机效率，提高电机的性能。采用的计算分析方法和所得结论对风扇性能改进具有一定的参考意义。
2021, 48(8):67-71.
DOI: 10.12177/emca.2021.056
摘要:
简要介绍了一种冷冻机专用高压高速开启式三相异步电动机的设计，重点突破高效节能、高功率密度、结构紧凑、低振动、低噪声等电机的设计难点，综合考虑电动机的主要性能参数（效率、功率因数、起动电流、温升、噪声、振动等），在电磁和绝缘设计方面进行优化，采用减薄绝缘措施，引入梯形线圈设计；结构设计以产品可靠性为前提进行突破和改进，优化风路结构，降低机械耗和机械噪声。产品的测试数据验证了该产品的技术先进性。
简要介绍了一种冷冻机专用高压高速开启式三相异步电动机的设计，重点突破高效节能、高功率密度、结构紧凑、低振动、低噪声等电机的设计难点，综合考虑电动机的主要性能参数（效率、功率因数、起动电流、温升、噪声、振动等），在电磁和绝缘设计方面进行优化，采用减薄绝缘措施，引入梯形线圈设计；结构设计以产品可靠性为前提进行突破和改进，优化风路结构，降低机械耗和机械噪声。产品的测试数据验证了该产品的技术先进性。
2021, 48(8):72-80，89.
DOI: 10.12177/emca.2021.065
摘要:
为了提高低速自动驾驶车辆在不同工况下横向跟踪控制的性能，设计了一款基于纯跟踪(PP)控制和模型预测控制(MPC)的联合控制器。当位姿偏差较大时，切换为PP控制；当位姿偏差较小且满足MPC约束时，切换为MPC；同时为了保证2种控制实现平滑的切换，设计了模式切换控制器。针对上述联合控制器进行了仿真对比分析与实车验证，结果表明：联合控制相较于MPC，跟踪的快速性、稳定性明显优化；与PP控制相比，控制的精度明显提高，且模式切换控制器的加入使切换过程的鲁棒性得到优化。
为了提高低速自动驾驶车辆在不同工况下横向跟踪控制的性能，设计了一款基于纯跟踪(PP)控制和模型预测控制(MPC)的联合控制器。当位姿偏差较大时，切换为PP控制；当位姿偏差较小且满足MPC约束时，切换为MPC；同时为了保证2种控制实现平滑的切换，设计了模式切换控制器。针对上述联合控制器进行了仿真对比分析与实车验证，结果表明：联合控制相较于MPC，跟踪的快速性、稳定性明显优化；与PP控制相比，控制的精度明显提高，且模式切换控制器的加入使切换过程的鲁棒性得到优化。
2021, 48(8):81-89.
DOI: 10.12177/emca.2021.060
摘要:
针对单相NPC型H桥级联逆变器并联时环流与电容电压不均的相互关系进行研究。通过环流等效电路推导了一个开关周期内环流与电容电压不均之间的数学关系，发现电容电压不均差异是环流的激励源之一；同时环流会改善一台并联逆变器的电容电压不均，恶化另一台逆变器的电容电压不均。为建立周期稳态条件下的环流-电容电压不均数学模型，提出采用“假设—建模—求解—检验—校正”的建模思路建立了基于阻滞的环流作用模型，有效避免了多因素建模的复杂性，同时提高了模型的准确性，仿真和试验结果表明，基于阻滞的环流作用模型拟合决定系数可达0.963 8和0.945 0，证明了环流模型的准确性。
针对单相NPC型H桥级联逆变器并联时环流与电容电压不均的相互关系进行研究。通过环流等效电路推导了一个开关周期内环流与电容电压不均之间的数学关系，发现电容电压不均差异是环流的激励源之一；同时环流会改善一台并联逆变器的电容电压不均，恶化另一台逆变器的电容电压不均。为建立周期稳态条件下的环流-电容电压不均数学模型，提出采用“假设—建模—求解—检验—校正”的建模思路建立了基于阻滞的环流作用模型，有效避免了多因素建模的复杂性，同时提高了模型的准确性，仿真和试验结果表明，基于阻滞的环流作用模型拟合决定系数可达0.963 8和0.945 0，证明了环流模型的准确性。
2021, 48(8):90-97，105.
DOI: 10.12177/emca.2021.067
摘要:
风力发电正在快速发展。风力发电机作为发电机组的重要组成部分，其绝缘系统的可靠性对于整个风电机组的可靠性具有重要意义。与普通发电机相比，风力发电机引入变流器，绝缘系统所承受的应力不同，如高频脉冲电压、局部放电等。同时，风力发电机的运行环境较复杂，绝缘系统受高湿度、高温差、重盐雾等因素的影响。针对实际运行需求，介绍了风力发电机绝缘系统从不同维度出发的可靠性评定方法，主要包括长期耐热性评定、电应力耐久性评定以及环境可靠性评定。对各种方法进行分析，便于整机生产商根据实际需求选择合适的评定方法，提高风力发电机产品的可靠性。
风力发电正在快速发展。风力发电机作为发电机组的重要组成部分，其绝缘系统的可靠性对于整个风电机组的可靠性具有重要意义。与普通发电机相比，风力发电机引入变流器，绝缘系统所承受的应力不同，如高频脉冲电压、局部放电等。同时，风力发电机的运行环境较复杂，绝缘系统受高湿度、高温差、重盐雾等因素的影响。针对实际运行需求，介绍了风力发电机绝缘系统从不同维度出发的可靠性评定方法，主要包括长期耐热性评定、电应力耐久性评定以及环境可靠性评定。对各种方法进行分析，便于整机生产商根据实际需求选择合适的评定方法，提高风力发电机产品的可靠性。
2021, 48(8):98-105.
DOI: 10.12177/emca.2021.071
摘要:
针对贯通式同相自耦变压器(AT)牵引供电系统牵引网边界对高频暂态量有较强的衰减作用，提出一种基于形态学的贯通式同相AT牵引供电系统牵引网单端电流方向暂态保护方法。采用多分辨形态梯度处理保护安装处检测到的故障暂态电流，得到其线模分量波形突变点的极性，由此构成方向起动元件。若极性为负，判定为本侧区外故障，保护不动作。若极性为正，则需进一步对故障电流线模分量进行形态谱运算，并将归一化后的形态谱变换到频域，比较频域下形态谱值与阈值的大小判断是区内或对侧区外故障。利用PSCAD仿真平台对贯通式同相AT牵引供电系统进行建模，针对不同故障条件进行大量仿真，仿真结果验证了保护方法的有效性。
针对贯通式同相自耦变压器(AT)牵引供电系统牵引网边界对高频暂态量有较强的衰减作用，提出一种基于形态学的贯通式同相AT牵引供电系统牵引网单端电流方向暂态保护方法。采用多分辨形态梯度处理保护安装处检测到的故障暂态电流，得到其线模分量波形突变点的极性，由此构成方向起动元件。若极性为负，判定为本侧区外故障，保护不动作。若极性为正，则需进一步对故障电流线模分量进行形态谱运算，并将归一化后的形态谱变换到频域，比较频域下形态谱值与阈值的大小判断是区内或对侧区外故障。利用PSCAD仿真平台对贯通式同相AT牵引供电系统进行建模，针对不同故障条件进行大量仿真，仿真结果验证了保护方法的有效性。
2021, 48(8):106-113.
DOI: 10.12177/emca.2021.059
摘要:
为了有效诊断气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)的机械故障，搭建了110 kV GIL试验平台并设计了3种典型机械故障，通过互补集合经验模态分解(CEEMD)模糊熵值与鲸鱼优化极限学习机(WOA-ELM)模型联合方法对GIL机械故障模式进行识别与诊断。首先，利用CEEMD方法对振动信号进行分解，引入正负白噪声组对信号进行处理，得到含有故障信息的模态分量(IMF)。其次，利用模糊熵计算模态分量特征值，得到能表征故障特征的模糊熵值。最后，结合WOA-ELM模型对特征向量集进行模式识别，根据聚类结果与自适应阈值对GIL设备机械故障进行诊断和预警。结果表明，利用CEEMD与模糊熵对GIL振动信号特征进行分析，可以有效避免模态混叠和冗余噪声分量的干扰，得到能够表征故障特征的特征值；利用WOA-ELM模型可以有效实现GIL设备机械故障诊断与预警。
为了有效诊断气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)的机械故障，搭建了110 kV GIL试验平台并设计了3种典型机械故障，通过互补集合经验模态分解(CEEMD)模糊熵值与鲸鱼优化极限学习机(WOA-ELM)模型联合方法对GIL机械故障模式进行识别与诊断。首先，利用CEEMD方法对振动信号进行分解，引入正负白噪声组对信号进行处理，得到含有故障信息的模态分量(IMF)。其次，利用模糊熵计算模态分量特征值，得到能表征故障特征的模糊熵值。最后，结合WOA-ELM模型对特征向量集进行模式识别，根据聚类结果与自适应阈值对GIL设备机械故障进行诊断和预警。结果表明，利用CEEMD与模糊熵对GIL振动信号特征进行分析，可以有效避免模态混叠和冗余噪声分量的干扰，得到能够表征故障特征的特征值；利用WOA-ELM模型可以有效实现GIL设备机械故障诊断与预警。
《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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