2023年第50卷第12期文章目次
2023, 50(12):1-9.
DOI: 10.12177/emca.2023.156
摘要:
针对传统滚动轴承动力学模型忽略了滚动体接触形貌的问题，以滚珠进入-离开缺陷全过程分析为基础，结合滚动轴承几何-运动原理建立局部缺陷的等效轮廓量化表征函数，由此构建了一种改进的滚动轴承系统故障动力学模型。基于动力学模型的理论分析和数值仿真，研究了滚动轴承外圈局部缺陷定位尺寸与多通道振动信号融合特征之间的映射关系，为定位诊断特征和指标提取提供了机理指引。针对实际信号中存在噪声干扰影响定位公式诊断精度的问题，研究了多通道时间序列自适应分解算法对含噪仿真信号和试验信号的处理性能。结果表明，张量奇异谱分解方法能够很好地提取出隐藏在原始多通道信号中的定位诊断特征。
针对传统滚动轴承动力学模型忽略了滚动体接触形貌的问题，以滚珠进入-离开缺陷全过程分析为基础，结合滚动轴承几何-运动原理建立局部缺陷的等效轮廓量化表征函数，由此构建了一种改进的滚动轴承系统故障动力学模型。基于动力学模型的理论分析和数值仿真，研究了滚动轴承外圈局部缺陷定位尺寸与多通道振动信号融合特征之间的映射关系，为定位诊断特征和指标提取提供了机理指引。针对实际信号中存在噪声干扰影响定位公式诊断精度的问题，研究了多通道时间序列自适应分解算法对含噪仿真信号和试验信号的处理性能。结果表明，张量奇异谱分解方法能够很好地提取出隐藏在原始多通道信号中的定位诊断特征。
2023, 50(12):10-20.
DOI: 10.12177/emca.2023.145
摘要:
当前基于逆变器基波脉宽调制激励的双三相永磁同步电机（DTP-PMSM）无位置传感器的算法无需注入高频信号即可实现低速和零速控制。但是，该方法在非零电压矢量期间需要多次对电流进行采样，算法的实施比较复杂，对硬件要求较高，阻碍了这种方法在工业中的实际运用。为此，本文研究了一种改进算法。该方法直接利用DTP-PMSM本身的凸极效应，从静止坐标系下，以同步采样的方式提取相邻两个PWM周期内平均电流变化率，进而实现转子位置估测。此新方法实现了为位置估测进行的电流采样与为电流环控制进行的电流采样之间的同步，大幅降低了算法的实施难度。论文最后通过仿真验证了所提新方法在低速和零速运行条件下的有效性。
当前基于逆变器基波脉宽调制激励的双三相永磁同步电机（DTP-PMSM）无位置传感器的算法无需注入高频信号即可实现低速和零速控制。但是，该方法在非零电压矢量期间需要多次对电流进行采样，算法的实施比较复杂，对硬件要求较高，阻碍了这种方法在工业中的实际运用。为此，本文研究了一种改进算法。该方法直接利用DTP-PMSM本身的凸极效应，从静止坐标系下，以同步采样的方式提取相邻两个PWM周期内平均电流变化率，进而实现转子位置估测。此新方法实现了为位置估测进行的电流采样与为电流环控制进行的电流采样之间的同步，大幅降低了算法的实施难度。论文最后通过仿真验证了所提新方法在低速和零速运行条件下的有效性。
2023, 50(12):21-31.
DOI: 10.12177/emca.2023.146
摘要:
针对变压器故障样本类别不平衡造成分类模型准确率偏低的问题，提出一种基于样本集成学习和蛇优化算法（SO）优化支持向量机（SVM）的变压器故障诊断模型。该模型先利用EasyEnsemble采样器对样本进行多次欠采样后生成类别平衡的多个子集；然后以Bagging策略训练SO优化关键参数后的SVM模型，综合各个分类器结果得到最终故障类型。通过算例对所提模型有效性进行验证，数据表明，SO-SVM的故障诊断相比于RF、SVM、KNN等模型，诊断准确率分别提高了3.44%、6.89%、10.92%，AUC值分别提高了0.026 4、0.042 5、0.081 2；在同一分类器下，SO-SVM模型相比于SMOTE和ADASYN样本平衡方法，诊断准确率分别提高了4.59%、2.87%，说明SO-SVM模型对不平衡样本的故障诊断能力更优。
针对变压器故障样本类别不平衡造成分类模型准确率偏低的问题，提出一种基于样本集成学习和蛇优化算法（SO）优化支持向量机（SVM）的变压器故障诊断模型。该模型先利用EasyEnsemble采样器对样本进行多次欠采样后生成类别平衡的多个子集；然后以Bagging策略训练SO优化关键参数后的SVM模型，综合各个分类器结果得到最终故障类型。通过算例对所提模型有效性进行验证，数据表明，SO-SVM的故障诊断相比于RF、SVM、KNN等模型，诊断准确率分别提高了3.44%、6.89%、10.92%，AUC值分别提高了0.026 4、0.042 5、0.081 2；在同一分类器下，SO-SVM模型相比于SMOTE和ADASYN样本平衡方法，诊断准确率分别提高了4.59%、2.87%，说明SO-SVM模型对不平衡样本的故障诊断能力更优。
2023, 50(12):32-41.
DOI: 10.12177/emca.2023.151
摘要:
新能源汽车领域竞争的加剧，对驱动电机噪声、振动与声振粗糙度（NVH）性能提出了更高的要求。其中气隙偏心可能导致车用电机出现振动和噪声问题。本文以一台额定功率35 kW的车用永磁同步电机为研究对象，采用解析和有限元仿真相结合的方法分别分析转子动偏心和转子静偏心对车用电机电磁力特性的影响。并建立了电机结构的有限元模态仿真模型，准确分析车用电机的工作模态。在声学仿真分析基础之上，分析了不同程度的动偏心率和静偏心率对汽车电机两个关键工作点电磁噪声频谱特性的影响。最后，通过半消音室内的电机噪声测试试验验证理论分析的正确性。
新能源汽车领域竞争的加剧，对驱动电机噪声、振动与声振粗糙度（NVH）性能提出了更高的要求。其中气隙偏心可能导致车用电机出现振动和噪声问题。本文以一台额定功率35 kW的车用永磁同步电机为研究对象，采用解析和有限元仿真相结合的方法分别分析转子动偏心和转子静偏心对车用电机电磁力特性的影响。并建立了电机结构的有限元模态仿真模型，准确分析车用电机的工作模态。在声学仿真分析基础之上，分析了不同程度的动偏心率和静偏心率对汽车电机两个关键工作点电磁噪声频谱特性的影响。最后，通过半消音室内的电机噪声测试试验验证理论分析的正确性。
2023, 50(12):42-53.
DOI: 10.12177/emca.2023.143
摘要:
为了提高风电功率短期预测精度，本文提出了一种基于ICEEMDAN-SE-MSGJO-LSTM-EC模型的短期风电功率预测模型。首先，通过ICEEMDAN对原始风功率信号进行分解并通过样本熵计算熵值相近的分量相加重构。其次，建立MSGJO-LSTM预测模型，通过改进金豺优化算法（MSGJO）优化LSTM网络参数，对各模态分量进行预测。最后，通过对各模态分量预测结果进行误差修正（EC）并将所有模态预测结果相加得到最终预测结果。以新疆某风电场为例，采用本文所提预测模型进行仿真分析，试验结果表明本文基于ICEEMDAN-SE-MSGJO-LSTM-EC的预测模型预测精度更高。
为了提高风电功率短期预测精度，本文提出了一种基于ICEEMDAN-SE-MSGJO-LSTM-EC模型的短期风电功率预测模型。首先，通过ICEEMDAN对原始风功率信号进行分解并通过样本熵计算熵值相近的分量相加重构。其次，建立MSGJO-LSTM预测模型，通过改进金豺优化算法（MSGJO）优化LSTM网络参数，对各模态分量进行预测。最后，通过对各模态分量预测结果进行误差修正（EC）并将所有模态预测结果相加得到最终预测结果。以新疆某风电场为例，采用本文所提预测模型进行仿真分析，试验结果表明本文基于ICEEMDAN-SE-MSGJO-LSTM-EC的预测模型预测精度更高。
2023, 50(12):54-65.
DOI: 10.12177/emca.2023.154
摘要:
随着新能源占比的升高，在水电资源丰富的云南电网中，依赖传统机组一次调频已不能满足云南异步联网系统频率稳定性的要求。针对大型水电水锤效应引起的功率反调问题，提出了一种计及负荷频率特性的风储联合调频控制策略。首先建立了传统电源（水轮机）、双馈风机、储能系统、综合负荷的频域模型传递函数；然后采用直流潮流法简化电网，得到了负荷扰动下风储节点频率响应解析式。在电力系统仿真程序PSD\|BPA中搭建含风储、水机、负荷的四机系统。通过对解析式的理论分析和四机系统的仿真验证，分析了静态负荷模型比例、频率特征参数以及储能占比等因素对系统频率的影响。结果表明，计及负荷频率特性的风储联合调频能有效减小系统频率偏差。
随着新能源占比的升高，在水电资源丰富的云南电网中，依赖传统机组一次调频已不能满足云南异步联网系统频率稳定性的要求。针对大型水电水锤效应引起的功率反调问题，提出了一种计及负荷频率特性的风储联合调频控制策略。首先建立了传统电源（水轮机）、双馈风机、储能系统、综合负荷的频域模型传递函数；然后采用直流潮流法简化电网，得到了负荷扰动下风储节点频率响应解析式。在电力系统仿真程序PSD\|BPA中搭建含风储、水机、负荷的四机系统。通过对解析式的理论分析和四机系统的仿真验证，分析了静态负荷模型比例、频率特征参数以及储能占比等因素对系统频率的影响。结果表明，计及负荷频率特性的风储联合调频能有效减小系统频率偏差。
2023, 50(12):66-73.
DOI: 10.12177/emca.2023.141
摘要:
针对双三相永磁同步电机（PMSM）矢量控制系统中定子相电流的谐波问题，在采用传统两矢量空间矢量脉宽调制算法的基础上，提出基于最大四矢量的空间矢量脉宽调制算法的磁场定向控制策略。其次，针对最大四矢量的空间矢量脉宽调制算法计算量大，设计复杂的问题，又提出了基于虚拟电压矢量的空间矢量脉宽调制算法的改进型磁场定向控制策略。最后，通过MATLAB/Simulink仿真平台，验证所提出的改进型控制算法策略的有效性。
针对双三相永磁同步电机（PMSM）矢量控制系统中定子相电流的谐波问题，在采用传统两矢量空间矢量脉宽调制算法的基础上，提出基于最大四矢量的空间矢量脉宽调制算法的磁场定向控制策略。其次，针对最大四矢量的空间矢量脉宽调制算法计算量大，设计复杂的问题，又提出了基于虚拟电压矢量的空间矢量脉宽调制算法的改进型磁场定向控制策略。最后，通过MATLAB/Simulink仿真平台，验证所提出的改进型控制算法策略的有效性。
2023, 50(12):74-82.
DOI: 10.12177/emca.2023.159
摘要:
稀土永磁同步电机性能优越，但稀土永磁材料价格昂贵导致电机成本增加。因此，提出了一种新型少稀土永磁同步电机，其永磁体采用组合磁极Halbach结构。分析了少稀土组合磁极永磁同步电机的结构特点，并在此基础上，提出了少稀土T型、HAT型和LREH型三种组合磁极Halbach永磁同步电机拓扑结构。从电机空载反电动势、空载齿槽转矩和额定负载电磁转矩等方面分析了三种拓扑结构少稀土永磁同步电机，并与稀土永磁同步电机进行对比分析。在等转矩条件下研究了钕铁硼和铁氧体两种永磁体厚度对少稀土组合磁极永磁同步电机材料成本的影响。对比分析了稀土永磁同步电机和三种少稀土永磁同步电机的材料成本。有限元仿真结果表明LREH型少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机具有更好的转矩性能和更低的材料成本。
稀土永磁同步电机性能优越，但稀土永磁材料价格昂贵导致电机成本增加。因此，提出了一种新型少稀土永磁同步电机，其永磁体采用组合磁极Halbach结构。分析了少稀土组合磁极永磁同步电机的结构特点，并在此基础上，提出了少稀土T型、HAT型和LREH型三种组合磁极Halbach永磁同步电机拓扑结构。从电机空载反电动势、空载齿槽转矩和额定负载电磁转矩等方面分析了三种拓扑结构少稀土永磁同步电机，并与稀土永磁同步电机进行对比分析。在等转矩条件下研究了钕铁硼和铁氧体两种永磁体厚度对少稀土组合磁极永磁同步电机材料成本的影响。对比分析了稀土永磁同步电机和三种少稀土永磁同步电机的材料成本。有限元仿真结果表明LREH型少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机具有更好的转矩性能和更低的材料成本。
2023, 50(12):83-91.
DOI: 10.12177/emca.2023.153
摘要:
为改善单相两电平PWM整流器的动态性能，本文在传统外环采用PI控制，内环采用功率前馈解耦直接功率控制的双闭环控制方法基础上，提出一种改进控制策略，即引入基于线性自抗扰(LADRC)的电压外环，以减小直流侧电压的超调量,提高系统的响应速度，并增强其抗负载扰动能力。进一步在功率前馈解耦控制的基础上，引入二阶广义积分(SOGI)构建虚拟正交分量，以提高网侧电流对电压的追踪能力，提升系统的动态性能。最后，通过MATLAB/Simulink建立系统仿真模型并进行仿真，对所提出改进控制策略的可行性和有效性进行了验证。
为改善单相两电平PWM整流器的动态性能，本文在传统外环采用PI控制，内环采用功率前馈解耦直接功率控制的双闭环控制方法基础上，提出一种改进控制策略，即引入基于线性自抗扰(LADRC)的电压外环，以减小直流侧电压的超调量,提高系统的响应速度，并增强其抗负载扰动能力。进一步在功率前馈解耦控制的基础上，引入二阶广义积分(SOGI)构建虚拟正交分量，以提高网侧电流对电压的追踪能力，提升系统的动态性能。最后，通过MATLAB/Simulink建立系统仿真模型并进行仿真，对所提出改进控制策略的可行性和有效性进行了验证。
2023, 50(12):92-100.
DOI: 10.12177/emca.2023.142
摘要:
永磁同步电机传统有限集模型预测速度控制策略中电压矢量方向固定，可选矢量范围具有一定局限性，输出电压的突然变化，会导致电流纹波较大。因此，提出了一种基于电压细分的有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)直接速度控制策略。所提策略在FCS-MPC方案中引入了一组具有可调振幅和可移动原点特征的有限电压细分矢量作为候选电压，同时为了获得更准确的电流预测，使用了双线性变换(即Tustin变换)积分近似。该控制器能够预测未来电流和速度，并使用脉宽调制输出最佳细分电压。采用两电平三相逆变器驱动的永磁同步电机进行仿真验证结果表明，与传统的FCS-MPC方案相比，所提策略有效地减小了电流纹波，拓宽了电压矢量选择的范围，同时提高了电机鲁棒性。
永磁同步电机传统有限集模型预测速度控制策略中电压矢量方向固定，可选矢量范围具有一定局限性，输出电压的突然变化，会导致电流纹波较大。因此，提出了一种基于电压细分的有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)直接速度控制策略。所提策略在FCS-MPC方案中引入了一组具有可调振幅和可移动原点特征的有限电压细分矢量作为候选电压，同时为了获得更准确的电流预测，使用了双线性变换(即Tustin变换)积分近似。该控制器能够预测未来电流和速度，并使用脉宽调制输出最佳细分电压。采用两电平三相逆变器驱动的永磁同步电机进行仿真验证结果表明，与传统的FCS-MPC方案相比，所提策略有效地减小了电流纹波，拓宽了电压矢量选择的范围，同时提高了电机鲁棒性。
2023, 50(12):101-107.
DOI: 10.12177/emca.2023.149
摘要:
永磁电机定子装压过盈量会造成电机主磁场变化，使实际电机的性能偏离设计值。为了优化设计，依据铁磁学理论和磁路定律，研究过盈量对定子铁心产生应力、应变的影响，提出定子磁压降与过盈量的解析方程。以一台560 kW电机为研究对象，建立求解模型并进行仿真运算和试验，证实了求取最优过盈量的有效性。本文的分析结果对永磁电机优化设计提供了一定的借鉴意义。
永磁电机定子装压过盈量会造成电机主磁场变化，使实际电机的性能偏离设计值。为了优化设计，依据铁磁学理论和磁路定律，研究过盈量对定子铁心产生应力、应变的影响，提出定子磁压降与过盈量的解析方程。以一台560 kW电机为研究对象，建立求解模型并进行仿真运算和试验，证实了求取最优过盈量的有效性。本文的分析结果对永磁电机优化设计提供了一定的借鉴意义。
2023, 50(12):108-117.
DOI: 10.12177/emca.2023.147
摘要:
为了解决宽转子无轴承开关磁阻电机由于开关型供电方式以及双凸极铁心结构在运行过程中容易导致转矩脉动很大的问题，本文对其转子极结构进行改进，提出在转子极两侧开槽的优化设计方案。旨在通过增大开槽处的气隙磁阻，提高用于产生转矩的切向分量的气隙磁密，从而降低转矩脉动。对所开槽进行参数化处理，使用控制变量法分析各开槽参数对转矩性能的影响，以性能指标最优为目标确定开槽参数。利用场路耦合的方法将电机有限元分析模型和直接瞬时转矩控制电路模型结合起来，实现电机系统的动态运行。仿真结果表明转子极开槽后能够有效降低宽转子无轴承开关磁阻电机的转矩脉动，提升平均转矩，并且对径向悬浮力的影响很小。
为了解决宽转子无轴承开关磁阻电机由于开关型供电方式以及双凸极铁心结构在运行过程中容易导致转矩脉动很大的问题，本文对其转子极结构进行改进，提出在转子极两侧开槽的优化设计方案。旨在通过增大开槽处的气隙磁阻，提高用于产生转矩的切向分量的气隙磁密，从而降低转矩脉动。对所开槽进行参数化处理，使用控制变量法分析各开槽参数对转矩性能的影响，以性能指标最优为目标确定开槽参数。利用场路耦合的方法将电机有限元分析模型和直接瞬时转矩控制电路模型结合起来，实现电机系统的动态运行。仿真结果表明转子极开槽后能够有效降低宽转子无轴承开关磁阻电机的转矩脉动，提升平均转矩，并且对径向悬浮力的影响很小。
2023, 50(12):118-125.
DOI: 10.12177/emca.2023.150
摘要:
针对主动配电网中某些智能终端异常，导致保护失效的问题，提出一种适用于智能终端异常的配电网自适应保护方法。该方法根据各智能终端（STU）量测到的开关量和电流量，对开关的通断和各STU的运行状态进行判断。设计了一种适用于线路和环网柜的自适应保护方案与判据，在STU异常的情况下，分别对传统区域保护和自适应保护进行分析。通过PSCAD仿真软件对本文所提方法进行验证。结果表明该方法可有效应对STU异常导致保护失效的情况。
针对主动配电网中某些智能终端异常，导致保护失效的问题，提出一种适用于智能终端异常的配电网自适应保护方法。该方法根据各智能终端（STU）量测到的开关量和电流量，对开关的通断和各STU的运行状态进行判断。设计了一种适用于线路和环网柜的自适应保护方案与判据，在STU异常的情况下，分别对传统区域保护和自适应保护进行分析。通过PSCAD仿真软件对本文所提方法进行验证。结果表明该方法可有效应对STU异常导致保护失效的情况。
《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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