2023年第50卷第8期文章目次
2023, 50(8):1-8.
DOI: 10.12177/emca.2023.082
摘要:
针对永磁同步电机（PMSM）高频注入无感算法在估算电机角度时容易产生滞后而影响转速控制精度的问题，提出了一种基于线性自抗扰控制的永磁同步电机无传感器控制策略。通过使用简化的线性自抗扰控制算法，对永磁同步电机速度闭环进行优化控制，同时采用高频正弦电压注入的无传感器角度观测算法，获取电机转子的角度及转速信息。最后，通过仿真分析与实物试验，验证了该控制策略可以有效提高永磁同步电机转子角度与转速的估算精度，提升系统的控制效果，且具有较好的工程应用前景。
针对永磁同步电机（PMSM）高频注入无感算法在估算电机角度时容易产生滞后而影响转速控制精度的问题，提出了一种基于线性自抗扰控制的永磁同步电机无传感器控制策略。通过使用简化的线性自抗扰控制算法，对永磁同步电机速度闭环进行优化控制，同时采用高频正弦电压注入的无传感器角度观测算法，获取电机转子的角度及转速信息。最后，通过仿真分析与实物试验，验证了该控制策略可以有效提高永磁同步电机转子角度与转速的估算精度，提升系统的控制效果，且具有较好的工程应用前景。
2023, 50(8):9-17.
DOI: 10.12177/emca.2023.094
摘要:
GaN器件具备更快的开关速度，可以降低噪音，显著减小伺服驱动器体积，但电磁干扰(EMI)问题更加突出。采用随机载波频率调制策略(RCFPWM)可有效抑制EMI，但载波频率随机化后使转矩脉动更为剧烈。因此，提出一种基于Markov链的混合载波频率调制策略(Markov-HCFPWM)，采用混合载波频率调制减小相邻开关周期的载波频率差值，采用Markov链使局部平均载波频率接近期望值。仿真和试验结果表明，所提策略相较RCFPWM策略在有效抑制EMI的前提下也可减小转矩脉动。
GaN器件具备更快的开关速度，可以降低噪音，显著减小伺服驱动器体积，但电磁干扰(EMI)问题更加突出。采用随机载波频率调制策略(RCFPWM)可有效抑制EMI，但载波频率随机化后使转矩脉动更为剧烈。因此，提出一种基于Markov链的混合载波频率调制策略(Markov-HCFPWM)，采用混合载波频率调制减小相邻开关周期的载波频率差值，采用Markov链使局部平均载波频率接近期望值。仿真和试验结果表明，所提策略相较RCFPWM策略在有效抑制EMI的前提下也可减小转矩脉动。
2023, 50(8):18-25.
DOI: 10.12177/emca.2023.086
摘要:
绕组热点温度是配电变压器在线监测的重要指标，而现有的绕组温升在线计算方法未考虑箔式绕组结构产生的影响。通过配电变压器不同谐波下等效电阻比值对箔式绕组结构进行辨识，然后对比线绕式和箔式两种绕组结构发热差异，对一种通过绕组电阻变化计算绕组温升的算法进行了在线修正。该方法提供了一种通过谐波电阻比值预测箔式绕组热点温度的新思路。
绕组热点温度是配电变压器在线监测的重要指标，而现有的绕组温升在线计算方法未考虑箔式绕组结构产生的影响。通过配电变压器不同谐波下等效电阻比值对箔式绕组结构进行辨识，然后对比线绕式和箔式两种绕组结构发热差异，对一种通过绕组电阻变化计算绕组温升的算法进行了在线修正。该方法提供了一种通过谐波电阻比值预测箔式绕组热点温度的新思路。
2023, 50(8):26-31.
DOI: 10.12177/emca.2023.085
摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)模型预测转矩控制(MPTC)系统中存在的权重系数设计困难，以及稳态转矩、磁链脉动大的问题，提出了一种基于占空比优化的无权重模型预测转矩控制方法。首先建立PMSM无权重MPTC，每一控制周期内根据所定义的评估项计算交互误差，最小交互误差对应的电压矢量即为最优矢量，从而取消了权重系数设计。然后在无权重MPTC的基础上，引入占空比优化环节，所采用的占空比计算方法综合考虑了磁链和转矩因素，可有效抑制转矩、磁链脉动。仿真分析表明所提基于占空比优化的无权重模型预测转矩控制系统性能良好。
针对永磁同步电机(PMSM)模型预测转矩控制(MPTC)系统中存在的权重系数设计困难，以及稳态转矩、磁链脉动大的问题，提出了一种基于占空比优化的无权重模型预测转矩控制方法。首先建立PMSM无权重MPTC，每一控制周期内根据所定义的评估项计算交互误差，最小交互误差对应的电压矢量即为最优矢量，从而取消了权重系数设计。然后在无权重MPTC的基础上，引入占空比优化环节，所采用的占空比计算方法综合考虑了磁链和转矩因素，可有效抑制转矩、磁链脉动。仿真分析表明所提基于占空比优化的无权重模型预测转矩控制系统性能良好。
2023, 50(8):32-37.
DOI: 10.12177/emca.2023.095
摘要:
以无工频变压器牵引传动系统前端的单相级联H桥整流器(CHBR)为研究对象，构建了其数学模型，在电压电流双闭环控制策略的基础上，引入无锁相环技术，改进瞬态电流控制策略。实现了系统发生扰动时，网侧电流对电压相位频率的快速精确追踪。进一步地，对传统附加平衡电压控制策略加以改进，增加模糊控制技术，解决了CHBR在非理想电网或负载大范围投切载时，存在的直流侧各级电容电压不平衡、压差大等问题。最后，利用MATLAB/Simulink进行仿真，对所提策略在CHBR运行时的快速响应和抗干扰能力进行了验证。
以无工频变压器牵引传动系统前端的单相级联H桥整流器(CHBR)为研究对象，构建了其数学模型，在电压电流双闭环控制策略的基础上，引入无锁相环技术，改进瞬态电流控制策略。实现了系统发生扰动时，网侧电流对电压相位频率的快速精确追踪。进一步地，对传统附加平衡电压控制策略加以改进，增加模糊控制技术，解决了CHBR在非理想电网或负载大范围投切载时，存在的直流侧各级电容电压不平衡、压差大等问题。最后，利用MATLAB/Simulink进行仿真，对所提策略在CHBR运行时的快速响应和抗干扰能力进行了验证。
2023, 50(8):38-45.
DOI: 10.12177/emca.2023.087
摘要:
受数据样本难以区分和数据平衡性不佳影响，采用声振信号的变压器状态识别模型往往准确率低下。针对这一问题，引入了Focal损失，根据样本训练过程的准确度动态反馈权重，从而构成了Focal-XGBoost优化模型。先通过一组贴合变压器频谱的滤波器充分提取声振信号有效信息，再作XGBoost-PCA筛选降低样本维度。然后采用Focal损失优化原模型中的Softmax目标函数形成Focal-XGBoost模型，并在输入上述样本后根据准确率波动作Focal的超参数优化，进而输出变压器状态识别结果。10 kV和110 kV变压器的试验结果表明，相较传统SVM、KNN等学习模型，Focal-XGBoost减少了XGBoost测试样本中难分样本的误分量44.7%，从而使模型识别准确率更高；此外，非均匀提取在平均精度损失低于0.5%的基础上压缩50%样本空间，进一步降低了模型训练成本。
受数据样本难以区分和数据平衡性不佳影响，采用声振信号的变压器状态识别模型往往准确率低下。针对这一问题，引入了Focal损失，根据样本训练过程的准确度动态反馈权重，从而构成了Focal-XGBoost优化模型。先通过一组贴合变压器频谱的滤波器充分提取声振信号有效信息，再作XGBoost-PCA筛选降低样本维度。然后采用Focal损失优化原模型中的Softmax目标函数形成Focal-XGBoost模型，并在输入上述样本后根据准确率波动作Focal的超参数优化，进而输出变压器状态识别结果。10 kV和110 kV变压器的试验结果表明，相较传统SVM、KNN等学习模型，Focal-XGBoost减少了XGBoost测试样本中难分样本的误分量44.7%，从而使模型识别准确率更高；此外，非均匀提取在平均精度损失低于0.5%的基础上压缩50%样本空间，进一步降低了模型训练成本。
2023, 50(8):46-51.
DOI: 10.12177/emca.2023.089
摘要:
针对传统直线电机位置检测精度严重依赖于光栅、磁栅、容栅等传感器本身精度且传感器的安装精度要求高、成本高等问题。基于磁场解析法对不同永磁体形状对线性霍尔的影响进行磁场分析，得出在不同检测距离磁场电角度与位置的关系。在此基础上提出能够实现精准位置检测的面包形永磁体结构，且基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）搭建直线电机位置反馈试验平台，以实现直线电机的高精度位置检测。结果表明，利用霍尔传感器感应所设计的面包形磁钢实现直线电机位置检测，具有安装方式影响小，系统可靠性高的优点，测试直线电机速度波动在5%以内，重复精度1.54 μm。
针对传统直线电机位置检测精度严重依赖于光栅、磁栅、容栅等传感器本身精度且传感器的安装精度要求高、成本高等问题。基于磁场解析法对不同永磁体形状对线性霍尔的影响进行磁场分析，得出在不同检测距离磁场电角度与位置的关系。在此基础上提出能够实现精准位置检测的面包形永磁体结构，且基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）搭建直线电机位置反馈试验平台，以实现直线电机的高精度位置检测。结果表明，利用霍尔传感器感应所设计的面包形磁钢实现直线电机位置检测，具有安装方式影响小，系统可靠性高的优点，测试直线电机速度波动在5%以内，重复精度1.54 μm。
2023, 50(8):52-59.
DOI: 10.12177/emca.2023.090
摘要:
大多数多电平逆变器通过前级结构产生不同水平的电压，后级连接到H桥臂以改变输出电压的方向。由于H桥谐波成分高，并且增加了成本，故提出一种差分对称型五电平逆变器。该逆变器拓扑结构对称、控制简单、谐波低，不需要额外的桥臂来改变输出电压的方向，其本身既能产生多个电平又能改变输出电压方向。此外，该逆变器在一个运行周期中，电容均只有一个模态放电，因此电容充电时间大于放电时间，故有足够的能量供给负载。利用MATLAB/Simulink对所提逆变器进行了仿真分析，并搭建了样机进行试验验证，仿真和试验结果与理论分析一致，证明了所提逆变器的有效性。
大多数多电平逆变器通过前级结构产生不同水平的电压，后级连接到H桥臂以改变输出电压的方向。由于H桥谐波成分高，并且增加了成本，故提出一种差分对称型五电平逆变器。该逆变器拓扑结构对称、控制简单、谐波低，不需要额外的桥臂来改变输出电压的方向，其本身既能产生多个电平又能改变输出电压方向。此外，该逆变器在一个运行周期中，电容均只有一个模态放电，因此电容充电时间大于放电时间，故有足够的能量供给负载。利用MATLAB/Simulink对所提逆变器进行了仿真分析，并搭建了样机进行试验验证，仿真和试验结果与理论分析一致，证明了所提逆变器的有效性。
2023, 50(8):60-65.
DOI: 10.12177/emca.2023.083
摘要:
表贴式永磁游标电机内部电磁参数复杂多变，MATLAB/Simulink不能精确反映不同运行工况下电机的实际电磁性能。将交叉耦合理论应用于表贴式永磁游标电机的磁链、电感和转矩模型的研究中，分析计算了交叉耦合对表贴式永磁游标电机磁链、电感和转矩的影响。基于ANSYS Maxwell、Simplorer及MATLAB/Simulink软件建立了场路联合仿真的电机驱动控制系统模型，测试了电机的驱动性能，并与 MATLAB/Simulink 定参数仿真结果进行了对比。理论分析和仿真结果表明，因电机内部电磁状态的实时变化，采用联合仿真分析方法的计算结果具有更高的准确性。
表贴式永磁游标电机内部电磁参数复杂多变，MATLAB/Simulink不能精确反映不同运行工况下电机的实际电磁性能。将交叉耦合理论应用于表贴式永磁游标电机的磁链、电感和转矩模型的研究中，分析计算了交叉耦合对表贴式永磁游标电机磁链、电感和转矩的影响。基于ANSYS Maxwell、Simplorer及MATLAB/Simulink软件建立了场路联合仿真的电机驱动控制系统模型，测试了电机的驱动性能，并与 MATLAB/Simulink 定参数仿真结果进行了对比。理论分析和仿真结果表明，因电机内部电磁状态的实时变化，采用联合仿真分析方法的计算结果具有更高的准确性。
2023, 50(8):66-72.
DOI: 10.12177/emca.2023.093
摘要:
为了设计出起动性能好，运行更加稳定的V形内置式永磁同步电机，通过改善空气隔磁槽结构的方法对空载反电势、气隙磁密、齿槽转矩、转矩脉动进行优化。将空气隔磁槽几何参数作为待优化变量，采用拉丁超立方抽样算法进行多目标优化，得到最优参数组合。优化后齿槽转矩下降了45%，转矩脉动下降了4.4%，电磁转矩提升了5.2%。优化结果理想，验证了该永磁同步电机优化方案的合理性。
为了设计出起动性能好，运行更加稳定的V形内置式永磁同步电机，通过改善空气隔磁槽结构的方法对空载反电势、气隙磁密、齿槽转矩、转矩脉动进行优化。将空气隔磁槽几何参数作为待优化变量，采用拉丁超立方抽样算法进行多目标优化，得到最优参数组合。优化后齿槽转矩下降了45%，转矩脉动下降了4.4%，电磁转矩提升了5.2%。优化结果理想，验证了该永磁同步电机优化方案的合理性。
2023, 50(8):73-83.
DOI: 10.12177/emca.2023.091
摘要:
电网电压跌落的瞬间，风力发电机定子和转子产生冲击电压和冲击电流，对电网安全造成影响。为实现无刷双馈风力发电机低电压穿越，保证风电机组在电网电压跌落下不间断运行，对电网电压跌落下无刷双馈发电机定子电压和电流进行暂态分析，搭建了无刷双馈发电机在功率绕组静止坐标系下的数学模型，推导并分析了电网电压跌落瞬间其功率绕组磁链、控制绕组电压动态变化过程，并提出一种积分滑模直接功率控制与故障穿越控制相结合的控制策略，完成无刷双馈发电机低电压穿越控制。通过MATLAB/Simulink和半实物仿真试验平台进行验证，仿真和试验结果证明所推导功率绕组磁链和控制绕组电压动态变化过程的正确性及控制策略的有效性，该控制策略有效抑制了定子控制绕组侧电压和电流畸变，提高了无刷双馈发电机的低电压穿越性能。
电网电压跌落的瞬间，风力发电机定子和转子产生冲击电压和冲击电流，对电网安全造成影响。为实现无刷双馈风力发电机低电压穿越，保证风电机组在电网电压跌落下不间断运行，对电网电压跌落下无刷双馈发电机定子电压和电流进行暂态分析，搭建了无刷双馈发电机在功率绕组静止坐标系下的数学模型，推导并分析了电网电压跌落瞬间其功率绕组磁链、控制绕组电压动态变化过程，并提出一种积分滑模直接功率控制与故障穿越控制相结合的控制策略，完成无刷双馈发电机低电压穿越控制。通过MATLAB/Simulink和半实物仿真试验平台进行验证，仿真和试验结果证明所推导功率绕组磁链和控制绕组电压动态变化过程的正确性及控制策略的有效性，该控制策略有效抑制了定子控制绕组侧电压和电流畸变，提高了无刷双馈发电机的低电压穿越性能。
2023, 50(8):84-90.
DOI: 10.12177/emca.2023.021
摘要:
为了更加准确有效地诊断变压器绕组松动故障，提出了一种基于变分模态分解(VMD)和鲸鱼优化支持向量机(WOA-SVM)的变压器绕组松动故障诊断方法。首先，对某10 kV变压器进行模拟故障试验，测量其振动信号；随后，采用VMD将非平稳的振动信号分解成多个本征模态函数(IMF)，并计算各层IMF的能量熵，构成特征向量；最后，将特征向量输入鲸鱼算法(WOA)优化的支持向量机(SVM)中训练出分类模型，实现变压器绕组松动故障诊断。结果表明，所提方法适用于变压器绕组松动故障诊断，并且相较于传统的改进SVM分类模型，所提方法的故障识别准确率更高。
为了更加准确有效地诊断变压器绕组松动故障，提出了一种基于变分模态分解(VMD)和鲸鱼优化支持向量机(WOA-SVM)的变压器绕组松动故障诊断方法。首先，对某10 kV变压器进行模拟故障试验，测量其振动信号；随后，采用VMD将非平稳的振动信号分解成多个本征模态函数(IMF)，并计算各层IMF的能量熵，构成特征向量；最后，将特征向量输入鲸鱼算法(WOA)优化的支持向量机(SVM)中训练出分类模型，实现变压器绕组松动故障诊断。结果表明，所提方法适用于变压器绕组松动故障诊断，并且相较于传统的改进SVM分类模型，所提方法的故障识别准确率更高。
《电机与控制应用》
月刊，1959年创刊
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- 刊号：ISSN 1673-6540
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