2023年第50卷第1期文章目次
2023, 50(1):1-8.
DOI: 10.12177/emca.2022.145
摘要:
永磁同步电机(PMSM)在变频器驱动下运行时，受变频器所产生的含量较高的时间电流谐波影响，电机的损耗会大幅增加，这将严重影响到电机运行的安全性与稳定性，而通过对电机本体结构进行优化的传统方法所带来的损耗抑制效果有限，不足以解决问题。针对此，从电机的控制策略出发，提出了一种基于谐波注入算法的PMSM损耗抑制方法，通过对成分含量最高的5次、7次时间电流谐波进行抑制，来降低变频器驱动下电机的损耗。以场路耦合联合仿真模型为计算工具来验证算法的有效性，结果表明在加入谐波注入算法后电机的损耗降低了24.9%，所达到的效果较好，为电机的损耗抑制提供了一种参考。
永磁同步电机(PMSM)在变频器驱动下运行时，受变频器所产生的含量较高的时间电流谐波影响，电机的损耗会大幅增加，这将严重影响到电机运行的安全性与稳定性，而通过对电机本体结构进行优化的传统方法所带来的损耗抑制效果有限，不足以解决问题。针对此，从电机的控制策略出发，提出了一种基于谐波注入算法的PMSM损耗抑制方法，通过对成分含量最高的5次、7次时间电流谐波进行抑制，来降低变频器驱动下电机的损耗。以场路耦合联合仿真模型为计算工具来验证算法的有效性，结果表明在加入谐波注入算法后电机的损耗降低了24.9%，所达到的效果较好，为电机的损耗抑制提供了一种参考。
2023, 50(1):9-13.
DOI: 10.12177/emca.2022.141
摘要:
针对负载转矩扰动对永磁同步电机(PMSM)控制造成的影响，提出了一种基于前馈补偿的PMSM自抗扰控制(ADRC)策略。通过线性自抗扰控制(LADRC)改进传统PID控制器快速性和超调之间的矛盾，并且通过引入负载转矩前馈补偿的方法，将负载转矩观测器观测到的转矩按比例反馈到电流环中，在负载转矩发生突变时进行补偿。仿真结果表明，增加了前馈补偿的LADRC系统对PMSM的控制效果明显优化，有效地抑制了因负载转矩突变引起的转速波动，验证了所提策略的有效性。
针对负载转矩扰动对永磁同步电机(PMSM)控制造成的影响，提出了一种基于前馈补偿的PMSM自抗扰控制(ADRC)策略。通过线性自抗扰控制(LADRC)改进传统PID控制器快速性和超调之间的矛盾，并且通过引入负载转矩前馈补偿的方法，将负载转矩观测器观测到的转矩按比例反馈到电流环中，在负载转矩发生突变时进行补偿。仿真结果表明，增加了前馈补偿的LADRC系统对PMSM的控制效果明显优化，有效地抑制了因负载转矩突变引起的转速波动，验证了所提策略的有效性。
2023, 50(1):14-22.
DOI: 10.12177/emca.2022.152
摘要:
针对传统智能接触器线圈电流脉动较明显的缺点，提出一种带电流反馈系统的智能控制方法应用于控制与保护开关电器（CPS）的电磁系统。不仅可以保持CPS线圈电流平稳，还可有效降低CPS电磁系统的功率损耗。在此基础上，提出一种对带电流反馈智能控制系统的CPS电磁传动机构进行动态特性仿真的方法。该方法建立一组多态方程组，其状态与电流反馈信号动态耦合，并随时间变化相互转化。仿真结果与试验结果一致。利用该方法，研究了硬件参数对CPS智能控制系统性能的影响，并根据分析结果对控制参数进行优化设计。
针对传统智能接触器线圈电流脉动较明显的缺点，提出一种带电流反馈系统的智能控制方法应用于控制与保护开关电器（CPS）的电磁系统。不仅可以保持CPS线圈电流平稳，还可有效降低CPS电磁系统的功率损耗。在此基础上，提出一种对带电流反馈智能控制系统的CPS电磁传动机构进行动态特性仿真的方法。该方法建立一组多态方程组，其状态与电流反馈信号动态耦合，并随时间变化相互转化。仿真结果与试验结果一致。利用该方法，研究了硬件参数对CPS智能控制系统性能的影响，并根据分析结果对控制参数进行优化设计。
2023, 50(1):23-29,34.
DOI: 10.12177/emca.2022.144
摘要:
超声波电机的接触摩擦模型对电机结构设计和性能优化具有重要作用。针对环形驻波超声波电机定转子接触摩擦问题，采用库伦摩擦+黏性摩擦定律建立了定转子接触摩擦模型。采用所建立的模型分析了一个振动周期内接触界面的摩擦力变化情况，也研究了定子不同径向振幅以及结构参数对电机输出性能的影响。最后，测量了电机的转矩转速特性，并将测量值与计算值进行对比，二者吻合度较好。另外，对比了基于库伦摩擦定律所建立模型的转矩转速特性计算值，对比结果表明，与基于库伦摩擦定律所建立的模型相比，基于库伦摩擦+黏性摩擦定律所建立的模型能更准确地描述定转子接触界面的摩擦传动特性。
超声波电机的接触摩擦模型对电机结构设计和性能优化具有重要作用。针对环形驻波超声波电机定转子接触摩擦问题，采用库伦摩擦+黏性摩擦定律建立了定转子接触摩擦模型。采用所建立的模型分析了一个振动周期内接触界面的摩擦力变化情况，也研究了定子不同径向振幅以及结构参数对电机输出性能的影响。最后，测量了电机的转矩转速特性，并将测量值与计算值进行对比，二者吻合度较好。另外，对比了基于库伦摩擦定律所建立模型的转矩转速特性计算值，对比结果表明，与基于库伦摩擦定律所建立的模型相比，基于库伦摩擦+黏性摩擦定律所建立的模型能更准确地描述定转子接触界面的摩擦传动特性。
2023, 50(1):30-34.
DOI: 10.12177/emca.2022.149
摘要:
引入恰当的运动参考系可以简化交流电机模型推导和分析。一般地，运动参考系下空间矢量电压方程的推导分两步：（1）在“线圈固结坐标系”中运用法拉第电磁感应定律建立电压平衡式；（2）通过坐标变换的方式推导运动坐标系下的电压方程。该过程数学推导严谨，但是，对于记忆和理解运动坐标系下的电压方程的物理意义有难度。参考力学系统中“惯性参考系”的概念，根据法拉第电磁感应定律是否直接适用，引入所谓的“法拉第参考系”概念，对运动坐标系和线圈固结坐标系加以区分。对“非法拉第参考系”，借鉴“非惯性参考系”中引入“惯性力”的做法，引入附加“牵连运动电动势”，以此表征运动参考系引入的牵连运动效果。
引入恰当的运动参考系可以简化交流电机模型推导和分析。一般地，运动参考系下空间矢量电压方程的推导分两步：（1）在“线圈固结坐标系”中运用法拉第电磁感应定律建立电压平衡式；（2）通过坐标变换的方式推导运动坐标系下的电压方程。该过程数学推导严谨，但是，对于记忆和理解运动坐标系下的电压方程的物理意义有难度。参考力学系统中“惯性参考系”的概念，根据法拉第电磁感应定律是否直接适用，引入所谓的“法拉第参考系”概念，对运动坐标系和线圈固结坐标系加以区分。对“非法拉第参考系”，借鉴“非惯性参考系”中引入“惯性力”的做法，引入附加“牵连运动电动势”，以此表征运动参考系引入的牵连运动效果。
2023, 50(1):35-43.
DOI: 10.12177/emca.2022.155
摘要:
针对摩擦非线性影响直流伺服系统控制性能的问题，提出了一种基于LuGre模型的变增益自抗扰控制（VGADRC）方法。建立了含LuGre模型的直流伺服系统微分方程模型。基于该模型设计摩擦补偿与自抗扰控制(ADRC)相结合的复合控制器。该控制器在不增大观测器增益的前提下，利用LuGre模型前馈补偿系统中的摩擦非线性，同时减小量测噪声对系统的影响。此外，为抑制传统线性扩张状态观测器（LESO）初始时刻引起的峰值问题，采用三阶变增益线性扩张状态观测器(VGLESO)对系统中的总扰动进行估计。最后仿真结果表明，采用所提控制方案能有效提高系统的低速跟踪性能和动态性能。
针对摩擦非线性影响直流伺服系统控制性能的问题，提出了一种基于LuGre模型的变增益自抗扰控制（VGADRC）方法。建立了含LuGre模型的直流伺服系统微分方程模型。基于该模型设计摩擦补偿与自抗扰控制(ADRC)相结合的复合控制器。该控制器在不增大观测器增益的前提下，利用LuGre模型前馈补偿系统中的摩擦非线性，同时减小量测噪声对系统的影响。此外，为抑制传统线性扩张状态观测器（LESO）初始时刻引起的峰值问题，采用三阶变增益线性扩张状态观测器(VGLESO)对系统中的总扰动进行估计。最后仿真结果表明，采用所提控制方案能有效提高系统的低速跟踪性能和动态性能。
2023, 50(1):44-54.
DOI: 10.12177/emca.2022.151
摘要:
基于全域解析法对外转子永磁同步电机（PMSM）的空载反电动势、气隙磁密、齿槽转矩等性能求解计算。计算结果与有限元法计算结果较为吻合，验证了全域解析法对外转子PMSM求解的准确性。在此基础上应用第二代非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）对电机多个结构参数，多个性能进行多目标优化。与初始方案相比，优化方案的电机综合性能得到有效提高。经过仿真和试验验证，证明了所提方法的合理有效性。
基于全域解析法对外转子永磁同步电机（PMSM）的空载反电动势、气隙磁密、齿槽转矩等性能求解计算。计算结果与有限元法计算结果较为吻合，验证了全域解析法对外转子PMSM求解的准确性。在此基础上应用第二代非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）对电机多个结构参数，多个性能进行多目标优化。与初始方案相比，优化方案的电机综合性能得到有效提高。经过仿真和试验验证，证明了所提方法的合理有效性。
2023, 50(1):55-61,70.
DOI: 10.12177/emca.2022.156
摘要:
双馈式变速抽水蓄能机组(DF-VSPSU)作为电力系统柔性可控电源，在系统功率平衡、无功支撑方面发挥重要作用。然而，在远端电网故障时采用典型低电压穿越控制的DF-VSPSU可能会因平衡点不存在，而出现运行失稳现象。因此，以单DF-VSPSU无穷大系统为对象，建立了准稳态下DF-VSPSU机侧特性和网侧特性方程，刻画了不同电网条件下DF-VSPSU稳定运行边界及其可行域，并分别从远端电压跌落深度、电网短路比、电网阻抗角、机组无功支撑系数4个因素分析对其运行平衡点存在性的影响。基于MATLAB/Simulink仿真验证了理论分析的合理性。
双馈式变速抽水蓄能机组(DF-VSPSU)作为电力系统柔性可控电源，在系统功率平衡、无功支撑方面发挥重要作用。然而，在远端电网故障时采用典型低电压穿越控制的DF-VSPSU可能会因平衡点不存在，而出现运行失稳现象。因此，以单DF-VSPSU无穷大系统为对象，建立了准稳态下DF-VSPSU机侧特性和网侧特性方程，刻画了不同电网条件下DF-VSPSU稳定运行边界及其可行域，并分别从远端电压跌落深度、电网短路比、电网阻抗角、机组无功支撑系数4个因素分析对其运行平衡点存在性的影响。基于MATLAB/Simulink仿真验证了理论分析的合理性。
2023, 50(1):62-70.
DOI: 10.12177/emca.2022.147
摘要:
混合励磁同步电机(HESM)是当前研究热点，其设计方法值得讨论。借助ANSYS RMxprt软件和传统磁路法设计电机定子，再通过ANSYS Maxwell软件设计HESM转子并进行电机参数化建模，进一步建立8极48槽TMPS-HESM的Maxwell ＆ Workbench ＆ Optislong联合仿真模型，最后运用粒子群优化(PSO)算法对电机进行全局多目标优化得到Pareto解集，并使用优劣解距离法(TOPSIS)从解集中客观选取最优设计方案。系统地提出了一种基于PSO的切向聚磁型并联结构混合励磁同步电机（TMPS-HESM）联合仿真设计方法。通过相关有限元仿真试验，验证了电机性能符合设计要求。
混合励磁同步电机(HESM)是当前研究热点，其设计方法值得讨论。借助ANSYS RMxprt软件和传统磁路法设计电机定子，再通过ANSYS Maxwell软件设计HESM转子并进行电机参数化建模，进一步建立8极48槽TMPS-HESM的Maxwell ＆ Workbench ＆ Optislong联合仿真模型，最后运用粒子群优化(PSO)算法对电机进行全局多目标优化得到Pareto解集，并使用优劣解距离法(TOPSIS)从解集中客观选取最优设计方案。系统地提出了一种基于PSO的切向聚磁型并联结构混合励磁同步电机（TMPS-HESM）联合仿真设计方法。通过相关有限元仿真试验，验证了电机性能符合设计要求。
2023, 50(1):71-76.
DOI: 10.12177/emca.2022.143
摘要:
转子分段斜极能有效降低永磁同步电机（PMSM）转矩脉动，但会使电机平均输出转矩降低。为了解决这一问题，在转子分段斜极的基础上优化隔磁桥提高平均输出转矩。分析了转子分段斜极对电机齿槽转矩、空载反电动势、转矩脉动和平均输出转矩的影响，选取出最优的转子分段数和斜极角。在转子分3段，斜极角为5°的基础上，以保持转矩脉动不变为前提，通过优化转子参数HRib和Dmin找到最优的隔磁桥结构，平均输出转矩由138.5 N·m提升到147.2 N·m，说明所提方法的有效性。优化后齿槽转矩峰值由0.24 N·m降低到0.18 N·m，空载反电动势基波幅值由278.7 V提升到288.6 V且谐波畸变率基本不变，说明隔磁桥优化后能提高电机的其他性能。
转子分段斜极能有效降低永磁同步电机（PMSM）转矩脉动，但会使电机平均输出转矩降低。为了解决这一问题，在转子分段斜极的基础上优化隔磁桥提高平均输出转矩。分析了转子分段斜极对电机齿槽转矩、空载反电动势、转矩脉动和平均输出转矩的影响，选取出最优的转子分段数和斜极角。在转子分3段，斜极角为5°的基础上，以保持转矩脉动不变为前提，通过优化转子参数HRib和Dmin找到最优的隔磁桥结构，平均输出转矩由138.5 N·m提升到147.2 N·m，说明所提方法的有效性。优化后齿槽转矩峰值由0.24 N·m降低到0.18 N·m，空载反电动势基波幅值由278.7 V提升到288.6 V且谐波畸变率基本不变，说明隔磁桥优化后能提高电机的其他性能。
2023, 50(1):77-82.
DOI: 10.12177/emca.2022.153
摘要:
基于Taguchi正交设计试验，以定子绕组最高温度为试验指标，采用数值模拟方法分析了机座的散热筋参数对电机散热性能的影响。通过极差分析，发现影响定子绕组最高温度的各因素主次顺序依次为，散热筋高度、散热筋间距、散热筋宽度。综合考虑材料成本和电机减重要求，得到最佳的水平组合方式为散热筋高度30 mm、散热筋宽度4 mm、散热筋间距20 mm。
基于Taguchi正交设计试验，以定子绕组最高温度为试验指标，采用数值模拟方法分析了机座的散热筋参数对电机散热性能的影响。通过极差分析，发现影响定子绕组最高温度的各因素主次顺序依次为，散热筋高度、散热筋间距、散热筋宽度。综合考虑材料成本和电机减重要求，得到最佳的水平组合方式为散热筋高度30 mm、散热筋宽度4 mm、散热筋间距20 mm。
2023, 50(1):83-89.
DOI: 10.12177/emca.2022.148
摘要:
为了合理划分微电网拓扑结构，精准判定各种微电网故障情况下的故障区域，提出一种四维坐标系下并网型光伏微电网故障区域判定技术。令微电网拓扑结构为坐标图，设备节点为坐标点，以坐标点间最小欧式距离最大化，平均最近邻坐标点数量最小化为划分依据，通过球填充四维坐标点集的集合划分方法，划分微电网拓扑结构，获取微电网划分区域；以各划分区域为节点，断路器为边，通过图论算法构建微电网故障数学模型，依据故障前后功率变化量和区域故障电流方向，建立故障区域判定矩阵，实现故障区域判定。试验证明：该技术可有效划分微电网拓扑结构，划分后可有效提升微电网信号传输效果；在出现多重故障、两相故障与系统侧故障情况下，该技术均可精准判定故障区域。
为了合理划分微电网拓扑结构，精准判定各种微电网故障情况下的故障区域，提出一种四维坐标系下并网型光伏微电网故障区域判定技术。令微电网拓扑结构为坐标图，设备节点为坐标点，以坐标点间最小欧式距离最大化，平均最近邻坐标点数量最小化为划分依据，通过球填充四维坐标点集的集合划分方法，划分微电网拓扑结构，获取微电网划分区域；以各划分区域为节点，断路器为边，通过图论算法构建微电网故障数学模型，依据故障前后功率变化量和区域故障电流方向，建立故障区域判定矩阵，实现故障区域判定。试验证明：该技术可有效划分微电网拓扑结构，划分后可有效提升微电网信号传输效果；在出现多重故障、两相故障与系统侧故障情况下，该技术均可精准判定故障区域。
《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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