2023年第50卷第10期文章目次
2023, 50(10):1-8.
DOI: 10.12177/emca.2023.122
摘要:
同步调相机因其优秀的无功响应能力逐渐成为直流特高压（UHVDC）输电系统无功补偿设备的最优选择。新型同步调相机在使用过程中，不可避免地会出现各种故障，如绕组匝间短路故障、转子偏心故障和轴承故障等。但目前对同步调相机的故障诊断研究仍然较少。因此，本文对同步调相机的定子绕组匝间短路故障、转子绕组匝间短路故障、转子偏心故障、水路堵塞故障和轴承故障等的产生原因、故障特征和诊断方法进行了总结，并分析了各种故障诊断方法的特点，指出了同步调相机故障诊断领域存在的挑战和发展趋势。
同步调相机因其优秀的无功响应能力逐渐成为直流特高压（UHVDC）输电系统无功补偿设备的最优选择。新型同步调相机在使用过程中，不可避免地会出现各种故障，如绕组匝间短路故障、转子偏心故障和轴承故障等。但目前对同步调相机的故障诊断研究仍然较少。因此，本文对同步调相机的定子绕组匝间短路故障、转子绕组匝间短路故障、转子偏心故障、水路堵塞故障和轴承故障等的产生原因、故障特征和诊断方法进行了总结，并分析了各种故障诊断方法的特点，指出了同步调相机故障诊断领域存在的挑战和发展趋势。
2023, 50(10):9-16.
DOI: 10.12177/emca.2023.029
摘要:
永磁同步电机传统的模型预测控制(MPC)在一个控制周期内只作用一个电压矢量，需要较高的采样频率才能获得较好的控制性能。针对此问题，提出了一种基于拓展矢量集的模型预测控制算法，该算法无需改变采样频率即可实现电机控制性能和开关损耗的动态调节。由于拓展矢量集电压矢量多，为了降低计算量，提出了一种基于相邻矢量的电压矢量优化策略，将控制集候选电压矢量个数限制在11个以内。仿真和试验结果表明，所提基于拓展矢量集的模型预测控制算法不但保留了传统有限集MPC算法的动态性能，且可以在不改变采样频率下，通过调节拓展矢量集的电压矢量数量，实现控制性能和开关损耗的动态调节。
永磁同步电机传统的模型预测控制(MPC)在一个控制周期内只作用一个电压矢量，需要较高的采样频率才能获得较好的控制性能。针对此问题，提出了一种基于拓展矢量集的模型预测控制算法，该算法无需改变采样频率即可实现电机控制性能和开关损耗的动态调节。由于拓展矢量集电压矢量多，为了降低计算量，提出了一种基于相邻矢量的电压矢量优化策略，将控制集候选电压矢量个数限制在11个以内。仿真和试验结果表明，所提基于拓展矢量集的模型预测控制算法不但保留了传统有限集MPC算法的动态性能，且可以在不改变采样频率下，通过调节拓展矢量集的电压矢量数量，实现控制性能和开关损耗的动态调节。
2023, 50(10):17-23.
DOI: 10.12177/emca.2023.111
摘要:
双有源桥（DAB）变换器兼具高效和高功率密度，且其能量可双向流动，从而得到广泛应用。DAB变换器易因电路参数、驱动信号不对称等因素造成磁不平衡，进而影响电路正常稳定工作。因此，设计了一种变压器绕组的直流偏置电流检测控制策略。该策略通过采样电阻和delta-sigma（Δ-Σ）调制将电流转换为1位数据流，采样电阻放置在H桥直流端，可分别获得绕组正半周和负半周中电流平均值，相减可得绕组电流直流分量。同时，设计了一种DAB的直流电流抑制方法，通过设计控制器以实现微调任一桥臂的占空比来调节H桥输出电压的直流分量。最后，通过Matlab仿真验证了直流偏置电流检测与控制策略的有效性。
双有源桥（DAB）变换器兼具高效和高功率密度，且其能量可双向流动，从而得到广泛应用。DAB变换器易因电路参数、驱动信号不对称等因素造成磁不平衡，进而影响电路正常稳定工作。因此，设计了一种变压器绕组的直流偏置电流检测控制策略。该策略通过采样电阻和delta-sigma（Δ-Σ）调制将电流转换为1位数据流，采样电阻放置在H桥直流端，可分别获得绕组正半周和负半周中电流平均值，相减可得绕组电流直流分量。同时，设计了一种DAB的直流电流抑制方法，通过设计控制器以实现微调任一桥臂的占空比来调节H桥输出电压的直流分量。最后，通过Matlab仿真验证了直流偏置电流检测与控制策略的有效性。
2023, 50(10):24-30.
DOI: 10.12177/emca.2023.118
摘要:
针对无刷直流电机（BLDC）负载频繁改变导致电机调速性能差的问题，提出了一种基于负载转矩观测器的速度滑模控制方法。速度环采用滑模变结构控制方法，基于改进指数趋近律设计了速度滑模控制器；同时为了减小负载转矩扰动对电机运行状态的影响，基于龙伯格观测器设计了负载转矩观测器，通过观测器来估计实际的负载转矩并将观测器的输出前馈给速度滑模控制器来抵消负载转矩扰动的影响。为了验证提出方案的有效性，在MATLAB/Simulink仿真环境上搭建了仿真模型并进行了仿真分析，仿真结果表明基于负载转矩观测器和速度滑模控制器的无刷直流电机系统有着优异的性能，与传统PI控制相比，抗扰能力强、恢复时间短、转速响应快，证明了提出方案的有效性。
针对无刷直流电机（BLDC）负载频繁改变导致电机调速性能差的问题，提出了一种基于负载转矩观测器的速度滑模控制方法。速度环采用滑模变结构控制方法，基于改进指数趋近律设计了速度滑模控制器；同时为了减小负载转矩扰动对电机运行状态的影响，基于龙伯格观测器设计了负载转矩观测器，通过观测器来估计实际的负载转矩并将观测器的输出前馈给速度滑模控制器来抵消负载转矩扰动的影响。为了验证提出方案的有效性，在MATLAB/Simulink仿真环境上搭建了仿真模型并进行了仿真分析，仿真结果表明基于负载转矩观测器和速度滑模控制器的无刷直流电机系统有着优异的性能，与传统PI控制相比，抗扰能力强、恢复时间短、转速响应快，证明了提出方案的有效性。
2023, 50(10):31-38.
DOI: 10.12177/emca.2023.125
摘要:
为了实现分布式电源接入及对电能进行有效管理，将具备高度灵活的功率控制及信息交互功能的能量路由器应用于低压配电网，使得源-网-荷-储能够一体化低碳运行，从而提升负荷调节能力与新能源消纳水平，保障电力系统稳定运行。因此，设计了一种面向低压配电网应用的户用型能量路由器，根据各端口应用对象特性，对其拓扑结构及功率协调控制策略进行研究，为电能生产和消费提供可靠的能源管理策略。最后，通过仿真验证的方法，建立MATLAB/Simulink仿真模型对其功率协调控制策略进行仿真验证。仿真结果表明：所提出的多端口能量路由器功率协调控制策略能够实现多种运行模式下不同端口之间的功率互济和系统功率平衡控制，在能源管理方面具有较高的灵活性、稳定性和可靠性。
为了实现分布式电源接入及对电能进行有效管理，将具备高度灵活的功率控制及信息交互功能的能量路由器应用于低压配电网，使得源-网-荷-储能够一体化低碳运行，从而提升负荷调节能力与新能源消纳水平，保障电力系统稳定运行。因此，设计了一种面向低压配电网应用的户用型能量路由器，根据各端口应用对象特性，对其拓扑结构及功率协调控制策略进行研究，为电能生产和消费提供可靠的能源管理策略。最后，通过仿真验证的方法，建立MATLAB/Simulink仿真模型对其功率协调控制策略进行仿真验证。仿真结果表明：所提出的多端口能量路由器功率协调控制策略能够实现多种运行模式下不同端口之间的功率互济和系统功率平衡控制，在能源管理方面具有较高的灵活性、稳定性和可靠性。
2023, 50(10):39-45.
DOI: 10.12177/emca.2023.119
摘要:
电网发生单相电压跌落会造成双馈风机变换器输出电流不平衡、冲击电流过大。传统虚拟同步控制策略以理想电压为基础建模，无法应对电压负序分量与正序分量耦合的情况，将直接影响电流环和脉冲宽度调制信号输出的稳定性。针对这一问题，提出了解耦双同步坐标系下基于单相Park变换的虚拟同步控制策略(DDSRF-VSG-Spark)。首先，通过解耦双同步参考坐标系实现正序分量与负序分量解耦，然后采用单相Park变换技术实现脉冲宽度调制信号和电流的稳定输出。最后，通过仿真对比验证，电网电压单相跌落期间，DDSRF-VSG-Spark能够保证系统的稳定运行。
电网发生单相电压跌落会造成双馈风机变换器输出电流不平衡、冲击电流过大。传统虚拟同步控制策略以理想电压为基础建模，无法应对电压负序分量与正序分量耦合的情况，将直接影响电流环和脉冲宽度调制信号输出的稳定性。针对这一问题，提出了解耦双同步坐标系下基于单相Park变换的虚拟同步控制策略(DDSRF-VSG-Spark)。首先，通过解耦双同步参考坐标系实现正序分量与负序分量解耦，然后采用单相Park变换技术实现脉冲宽度调制信号和电流的稳定输出。最后，通过仿真对比验证，电网电压单相跌落期间，DDSRF-VSG-Spark能够保证系统的稳定运行。
2023, 50(10):46-53.
DOI: 10.12177/emca.2023.115
摘要:
为了提高调速伺服系统的跟踪性能，提出了一种基于LuGre模型的调速伺服系统自抗扰控制策略。利用LuGre摩擦模型对摩擦扰动进行辨识，并对其进行前馈补偿，在速度环和电流环分别加入一阶自抗扰控制器，对剩余扰动进行实时估计并补偿。ADRC弥补了摩擦模型的非绝对完美的问题，LuGre模型也缓解了ADRC的计算压力，互为补充，提高了性能。仿真结果表明：所提控制策略响应速度快、调节时间短、超调低，提高了系统的控制速度和精度。
为了提高调速伺服系统的跟踪性能，提出了一种基于LuGre模型的调速伺服系统自抗扰控制策略。利用LuGre摩擦模型对摩擦扰动进行辨识，并对其进行前馈补偿，在速度环和电流环分别加入一阶自抗扰控制器，对剩余扰动进行实时估计并补偿。ADRC弥补了摩擦模型的非绝对完美的问题，LuGre模型也缓解了ADRC的计算压力，互为补充，提高了性能。仿真结果表明：所提控制策略响应速度快、调节时间短、超调低，提高了系统的控制速度和精度。
2023, 50(10):54-61.
DOI: 10.12177/emca.2023.117
摘要:
研究用于轨道交通的横向磁场电励磁磁通切换磁悬浮直线电机特殊结构下的温升问题，设计冷却系统以保证电机正常运行。分析电机的结构和运行原理，建立了三维稳态温度场数学模型，并推导出边界条件方程。考虑电机各部分热交换的情况，确定各材料的导热系数以及电机不同部分的对流换热系数。通过有限元方法计算出电机的铜损耗与铁损耗，并求出相应的生成热。利用三维有限元法对电机不同工况下的温度场进行计算，得到了电机铁心、电枢、励磁绕组的温度场分布情况。最后，设计冷却系统，比较自然风冷和强制水冷的温度分布，证明该冷却系统装置的可行性和合理性。
研究用于轨道交通的横向磁场电励磁磁通切换磁悬浮直线电机特殊结构下的温升问题，设计冷却系统以保证电机正常运行。分析电机的结构和运行原理，建立了三维稳态温度场数学模型，并推导出边界条件方程。考虑电机各部分热交换的情况，确定各材料的导热系数以及电机不同部分的对流换热系数。通过有限元方法计算出电机的铜损耗与铁损耗，并求出相应的生成热。利用三维有限元法对电机不同工况下的温度场进行计算，得到了电机铁心、电枢、励磁绕组的温度场分布情况。最后，设计冷却系统，比较自然风冷和强制水冷的温度分布，证明该冷却系统装置的可行性和合理性。
2023, 50(10):62-69.
DOI: 10.12177/emca.2023.121
摘要:
为进一步提高永磁同步电机自抗扰控制器(ADRC)的调速控制性能，简化控制器参数整定的复杂程度，提出了一种复合ADRC控制策略。首先，速度环采用模糊参数整定的滑模自抗扰控制器，并分析了主要参数的整定方法。其次，设计了滑模转矩观测器，来估计实时的负载转矩。最后，设计电流环，采用有限集模型预测控制(FCS-MPC)，对三相两电平电压源型逆变器的8种开关序列遍历寻优，并抑制转矩的脉动。仿真结果表明：该复合控制策略能有效提高永磁同步电机ADRC的控制性能，增强系统的抗扰动能力以及鲁棒性，控制性能优于传统的ADRC控制和PI控制。
为进一步提高永磁同步电机自抗扰控制器(ADRC)的调速控制性能，简化控制器参数整定的复杂程度，提出了一种复合ADRC控制策略。首先，速度环采用模糊参数整定的滑模自抗扰控制器，并分析了主要参数的整定方法。其次，设计了滑模转矩观测器，来估计实时的负载转矩。最后，设计电流环，采用有限集模型预测控制(FCS-MPC)，对三相两电平电压源型逆变器的8种开关序列遍历寻优，并抑制转矩的脉动。仿真结果表明：该复合控制策略能有效提高永磁同步电机ADRC的控制性能，增强系统的抗扰动能力以及鲁棒性，控制性能优于传统的ADRC控制和PI控制。
2023, 50(10):70-75.
DOI: 10.12177/emca.2023.114
摘要:
为了提高表贴式永磁同步电机（SPMSM）无传感器控制系统的精度和稳定性，针对传统PI控制存在鲁棒性不足的问题，提出了一种采用带有线性校正项的快速超螺旋滑模模型参考自适应系统观测器（FSTA-SM-MRASO）。所提观测器将快速超螺旋算法（FSTA）与模型参考自适应系统（MRAS）观测器相结合，构建了基于FSTA-SM-MRASO的SPMSM无传感器矢量控制系统。通过MATLAB/Simulink平台进行仿真，验证了所提策略的有效性。
为了提高表贴式永磁同步电机（SPMSM）无传感器控制系统的精度和稳定性，针对传统PI控制存在鲁棒性不足的问题，提出了一种采用带有线性校正项的快速超螺旋滑模模型参考自适应系统观测器（FSTA-SM-MRASO）。所提观测器将快速超螺旋算法（FSTA）与模型参考自适应系统（MRAS）观测器相结合，构建了基于FSTA-SM-MRASO的SPMSM无传感器矢量控制系统。通过MATLAB/Simulink平台进行仿真，验证了所提策略的有效性。
2023, 50(10):76-80.
DOI: 10.12177/emca.2023.030
摘要:
为了更加有效地对变压器绕组松动故障进行监测与识别，提出了一种变压器绕组松动故障的混沌特征分析方法。首先，针对振动信号的混沌动力学特性，采用互信息量法和G-P算法分别确定延迟时间和嵌入维数，对变压器振动信号进行相空间重构；其次，通过判断最大Lyapunov指数是否为正，进而证明变压器振动信号的混沌特性，在此基础上分析不同程度的绕组松动故障对相空间轨迹变化的影响；最后，将关联维数、Kolmogorov熵和最大Lyapunov指数作为一组混沌特征用以量化变压器绕组发生松动故障前后振动信号的混沌特性。结果表明：变压器振动信号的最大Lyapunov指数均大于0，证实了其具有混沌特性，所得到的混沌特征能够有效反映变压器绕组松动故障。研究结果为变压器绕组松动状态监测提供了一种理论依据。
为了更加有效地对变压器绕组松动故障进行监测与识别，提出了一种变压器绕组松动故障的混沌特征分析方法。首先，针对振动信号的混沌动力学特性，采用互信息量法和G-P算法分别确定延迟时间和嵌入维数，对变压器振动信号进行相空间重构；其次，通过判断最大Lyapunov指数是否为正，进而证明变压器振动信号的混沌特性，在此基础上分析不同程度的绕组松动故障对相空间轨迹变化的影响；最后，将关联维数、Kolmogorov熵和最大Lyapunov指数作为一组混沌特征用以量化变压器绕组发生松动故障前后振动信号的混沌特性。结果表明：变压器振动信号的最大Lyapunov指数均大于0，证实了其具有混沌特性，所得到的混沌特征能够有效反映变压器绕组松动故障。研究结果为变压器绕组松动状态监测提供了一种理论依据。
2023, 50(10):81-90.
DOI: 10.12177/emca.2023.113
摘要:
针对变压器绕组铁心机械故障诊断精度不足的问题，提出了一种基于改进自适应白噪声完整集成经验模态分解(ICEEMDAN)多尺度模糊熵(MFE)和多元宇宙优化算法优化核极限学习机(MVO-KELM)的变压器绕组铁心机械故障诊断方法。首先，为了避免虚假模态分量的产生，采用改进的ICEEMDAN对变压器原始振动信号进行分解。其次，利用Pearson相关系数法选取相关性最高的模态分量，并计算其MFE值。然后，将MFE值作为特征量构建特征数据集，并利用MVO优化KELM的核参数和正则化系数。最后，将特征数据集输入所建MVO-KELM模型进行分类识别，实现高准确率诊断目标。试验结果表明，所提方法具有优秀的诊断精度和稳定性，能够精确诊断变压器绕组铁心不同松动程度的故障，诊断准确率达到了99%以上，可为变压器现场检修策略的制定提供一定的指导。
针对变压器绕组铁心机械故障诊断精度不足的问题，提出了一种基于改进自适应白噪声完整集成经验模态分解(ICEEMDAN)多尺度模糊熵(MFE)和多元宇宙优化算法优化核极限学习机(MVO-KELM)的变压器绕组铁心机械故障诊断方法。首先，为了避免虚假模态分量的产生，采用改进的ICEEMDAN对变压器原始振动信号进行分解。其次，利用Pearson相关系数法选取相关性最高的模态分量，并计算其MFE值。然后，将MFE值作为特征量构建特征数据集，并利用MVO优化KELM的核参数和正则化系数。最后，将特征数据集输入所建MVO-KELM模型进行分类识别，实现高准确率诊断目标。试验结果表明，所提方法具有优秀的诊断精度和稳定性，能够精确诊断变压器绕组铁心不同松动程度的故障，诊断准确率达到了99%以上，可为变压器现场检修策略的制定提供一定的指导。
2023, 50(10):91-99.
DOI: 10.12177/emca.2023.123
摘要:
基于信号分析的异步电动机的转子断条与偏心故障诊断方法中，常用传统的电机电流信号特征分析（MCSA）方法。由于采样频率偏低、强大的基波旁瓣效应等因素的影响，会导致特征频率成分被淹没、难以量化故障程度等问题。因此，提出了一种基于自适应粒子群优化逐序支持向量机（APSO-SSVM）的异步电动机故障诊断方法。首先，利用经验小波变换（EWT）对原始信号进行滤波；然后，对滤波后的信号进行特征提取并输入到SSVM诊断模型中；最后，通过APSO算法确定各次序下SVM模型的最佳超参数，从而实现转子断条数量的精确故障诊断。
基于信号分析的异步电动机的转子断条与偏心故障诊断方法中，常用传统的电机电流信号特征分析（MCSA）方法。由于采样频率偏低、强大的基波旁瓣效应等因素的影响，会导致特征频率成分被淹没、难以量化故障程度等问题。因此，提出了一种基于自适应粒子群优化逐序支持向量机（APSO-SSVM）的异步电动机故障诊断方法。首先，利用经验小波变换（EWT）对原始信号进行滤波；然后，对滤波后的信号进行特征提取并输入到SSVM诊断模型中；最后，通过APSO算法确定各次序下SVM模型的最佳超参数，从而实现转子断条数量的精确故障诊断。
《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
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- 刊号：ISSN 1673-6540
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