2023年第50卷第9期文章目次
2023, 50(9):1-7.
DOI: 10.12177/emca.2023.098
摘要:
现代多电飞机技术不断发展，对航空电源系统提出了更高的要求。依据航空起动发电机具有可靠性高、功率密度高、电源容量大的要求，设计了一种高速轴向电励磁双凸极电机（DSAEM）。对电机的基本结构和工作原理进行了描述，建立了电机的数学模型，并通过有限元仿真加以验证，详细分析了电机的磁场、电感、空载特性和负载特性。结果表明，高速轴向电励磁双凸极电机具有完全对称的三相磁链，可输出更稳定的电压，其电机绕组的空间利用率高、功率密度大、效率高，可满足航空电源的基本需求。
现代多电飞机技术不断发展，对航空电源系统提出了更高的要求。依据航空起动发电机具有可靠性高、功率密度高、电源容量大的要求，设计了一种高速轴向电励磁双凸极电机（DSAEM）。对电机的基本结构和工作原理进行了描述，建立了电机的数学模型，并通过有限元仿真加以验证，详细分析了电机的磁场、电感、空载特性和负载特性。结果表明，高速轴向电励磁双凸极电机具有完全对称的三相磁链，可输出更稳定的电压，其电机绕组的空间利用率高、功率密度大、效率高，可满足航空电源的基本需求。
2023, 50(9):8-13.
DOI: 10.12177/emca.2023.101
摘要:
针对皮带运输用永磁外转子电动滚筒电机散热能力弱、转矩密度低、绕组温度高等问题，设计了一套基于710 kW电动滚筒的水冷系统，该系统通过流固耦合的方法建立三维场求解模型，并进行求解计算。同时分析了水道构型、水流量、水套外径、壁厚、水道数量、高度等参数对温升的影响。通过仿真分析和温升试验，验证了所设计的水冷系统有利于提高电动滚筒的散热能力，为进一步提高电动滚筒的转矩密度提供参考依据。
针对皮带运输用永磁外转子电动滚筒电机散热能力弱、转矩密度低、绕组温度高等问题，设计了一套基于710 kW电动滚筒的水冷系统，该系统通过流固耦合的方法建立三维场求解模型，并进行求解计算。同时分析了水道构型、水流量、水套外径、壁厚、水道数量、高度等参数对温升的影响。通过仿真分析和温升试验，验证了所设计的水冷系统有利于提高电动滚筒的散热能力，为进一步提高电动滚筒的转矩密度提供参考依据。
2023, 50(9):14-19.
DOI: 10.12177/emca.2023.109
摘要:
传统的高速磁浮列车采用双边并联供电模式，上下行线路各需要三台变流器，这种供电方式虽然可以减小馈线电缆上的损耗，增加供电系统的可靠性，但产生的输出电流受变流器容量本身的限制，从而导致牵引力和速度能力受限。为了解决上述问题，提出了一种高速磁浮双边串联供电的牵引力及速度提升方法，在不改变传统变流器输出能力和绝缘的情况下，将电机首尾分别接在双边变流器上，改变输出电压的相角，实现磁浮列车牵引力和速度能力的提升。最后，在Simulink中建立牵引供电系统模型，验证发现双边串联供电在最高速度时的电压小于双边并联供电的电压，其更有利于速度的提升。
传统的高速磁浮列车采用双边并联供电模式，上下行线路各需要三台变流器，这种供电方式虽然可以减小馈线电缆上的损耗，增加供电系统的可靠性，但产生的输出电流受变流器容量本身的限制，从而导致牵引力和速度能力受限。为了解决上述问题，提出了一种高速磁浮双边串联供电的牵引力及速度提升方法，在不改变传统变流器输出能力和绝缘的情况下，将电机首尾分别接在双边变流器上，改变输出电压的相角，实现磁浮列车牵引力和速度能力的提升。最后，在Simulink中建立牵引供电系统模型，验证发现双边串联供电在最高速度时的电压小于双边并联供电的电压，其更有利于速度的提升。
2023, 50(9):20-27.
DOI: 10.12177/emca.2023.110
摘要:
通过电机运动学方程建立以负载惯量、黏性阻尼系数、负载重力力矩和负载初始位置角度为需辨识参数的拟合模型函数式，通过基于该模型函数的非线性回归方法拟合得到这四个参数，从而得到非惯量的负载转矩，使其前馈补偿经典电机PI控制方法中的电流环，实现对时变负载转矩的补偿。仿真结果验证了该方法能使速度响应较快跟踪输入的速度命令，避免较大速度误差的出现。
通过电机运动学方程建立以负载惯量、黏性阻尼系数、负载重力力矩和负载初始位置角度为需辨识参数的拟合模型函数式，通过基于该模型函数的非线性回归方法拟合得到这四个参数，从而得到非惯量的负载转矩，使其前馈补偿经典电机PI控制方法中的电流环，实现对时变负载转矩的补偿。仿真结果验证了该方法能使速度响应较快跟踪输入的速度命令，避免较大速度误差的出现。
2023, 50(9):28-34.
DOI: 10.12177/emca.2023.105
摘要:
为了提高永磁直线同步电机(PMLSM)控制系统的动态响应速度和鲁棒性，提出了一种基于扰动估计补偿的固定时间积分滑模控制（DFISMC）方法。首先，在积分滑模面的基础上，引入了一种固定时间滑模控制算法，保证系统可以在固定时间内到达平衡点。其次，设计了一种随系统状态动态调整的控制率增益函数f(s)，进一步加快了收敛速度。最后，设计自适应超螺旋扰动观测器估计内部和外部不匹配扰动，并采用前馈补偿的方式将观测值引入控制律，增强了系统的抗干扰能力。仿真结果表明，DFISMC方法不仅保证了系统全局鲁棒性，而且有效提高了系统的跟踪精度和响应速度。
为了提高永磁直线同步电机(PMLSM)控制系统的动态响应速度和鲁棒性，提出了一种基于扰动估计补偿的固定时间积分滑模控制（DFISMC）方法。首先，在积分滑模面的基础上，引入了一种固定时间滑模控制算法，保证系统可以在固定时间内到达平衡点。其次，设计了一种随系统状态动态调整的控制率增益函数f(s)，进一步加快了收敛速度。最后，设计自适应超螺旋扰动观测器估计内部和外部不匹配扰动，并采用前馈补偿的方式将观测值引入控制律，增强了系统的抗干扰能力。仿真结果表明，DFISMC方法不仅保证了系统全局鲁棒性，而且有效提高了系统的跟踪精度和响应速度。
2023, 50(9):35-41.
DOI: 10.12177/emca.2023.107
摘要:
针对双电机伺服系统同步控制精度问题，在命令滤波的基础上设计离散跟踪与同步控制方案。通过建立双电机系统离散动力学方程，降低了命令滤波器反步法设计过程中的计算难度，还能同时处理虚拟控制信号。在控制器设计中定义补偿信号消除误差，进而提高跟踪性能。结果表明，神经网络可以高效处理电机运行中轴转矩或齿隙等带来的非线性扰动。最终通过Lyapunov分析控制方法的稳定性，结果表明双电机伺服系统在该控制器作用下具有良好的跟踪及同步性能。
针对双电机伺服系统同步控制精度问题，在命令滤波的基础上设计离散跟踪与同步控制方案。通过建立双电机系统离散动力学方程，降低了命令滤波器反步法设计过程中的计算难度，还能同时处理虚拟控制信号。在控制器设计中定义补偿信号消除误差，进而提高跟踪性能。结果表明，神经网络可以高效处理电机运行中轴转矩或齿隙等带来的非线性扰动。最终通过Lyapunov分析控制方法的稳定性，结果表明双电机伺服系统在该控制器作用下具有良好的跟踪及同步性能。
2023, 50(9):42-48.
DOI: 10.12177/emca.2023.099
摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)发生匝间短路故障时故障匝数难以诊断的问题，提出了在离线状态下对电机发生故障的匝数进行精确诊断的方法。首先分析了绕组发生匝间短路故障前后的电机模型，通过在离线的故障电机电路中接入激励源的方式，提取出了故障相电流的幅值和相位，结合激励源参数、电路参数，建立了故障匝数指示器。仿真结果表明，该方法可以准确地计算出从无故障状态到全绕组故障状态范围内发生短路的绕组匝数。该方法可以直接在电机上实施，不需要在目标电机上加装复杂的设备或添加额外传感器，在永磁同步电机的检修等方面具有良好的使用价值。
针对永磁同步电机(PMSM)发生匝间短路故障时故障匝数难以诊断的问题，提出了在离线状态下对电机发生故障的匝数进行精确诊断的方法。首先分析了绕组发生匝间短路故障前后的电机模型，通过在离线的故障电机电路中接入激励源的方式，提取出了故障相电流的幅值和相位，结合激励源参数、电路参数，建立了故障匝数指示器。仿真结果表明，该方法可以准确地计算出从无故障状态到全绕组故障状态范围内发生短路的绕组匝数。该方法可以直接在电机上实施，不需要在目标电机上加装复杂的设备或添加额外传感器，在永磁同步电机的检修等方面具有良好的使用价值。
2023, 50(9):49-56.
DOI: 10.12177/emca.2023.106
摘要:
为了准确有效地识别变压器内部的潜伏性机械故障，提出了一种基于时变滤波经验模态分解(TVFEMD)和麻雀搜索算法优化最小二乘支持向量机(SSA-LSSVM)的变压器内部机械故障诊断方法。首先，对铁心处于不同松动状态的变压器进行振动信号采集；其次，利用时变滤波改进的经验模态分解（EMD）对所得振动信号进行分解，以获取多个本征模态函数(IMF)即模态分量；然后，采用相关系数法计算IMF分量与原始振动信号的相关性，并计算相关性最大的IMF分量的样本熵，以此构建特征向量集；最后，以诊断准确率最高为目标函数，利用SSA对LSSVM的正则化参数和核函数参数进行优化，搭建SSA-LSSVM诊断模型，并利用诊断模型对特征向量集进行诊断识别，实现变压器铁心内部潜伏性机械故障的诊断。试验结果表明，所提方法能够有效识别变压器内部潜伏性机械故障，识别准确率达到了98%以上，比对比算法的识别准确率高出5%以上，达到了高识别准确率的诊断效果。
为了准确有效地识别变压器内部的潜伏性机械故障，提出了一种基于时变滤波经验模态分解(TVFEMD)和麻雀搜索算法优化最小二乘支持向量机(SSA-LSSVM)的变压器内部机械故障诊断方法。首先，对铁心处于不同松动状态的变压器进行振动信号采集；其次，利用时变滤波改进的经验模态分解（EMD）对所得振动信号进行分解，以获取多个本征模态函数(IMF)即模态分量；然后，采用相关系数法计算IMF分量与原始振动信号的相关性，并计算相关性最大的IMF分量的样本熵，以此构建特征向量集；最后，以诊断准确率最高为目标函数，利用SSA对LSSVM的正则化参数和核函数参数进行优化，搭建SSA-LSSVM诊断模型，并利用诊断模型对特征向量集进行诊断识别，实现变压器铁心内部潜伏性机械故障的诊断。试验结果表明，所提方法能够有效识别变压器内部潜伏性机械故障，识别准确率达到了98%以上，比对比算法的识别准确率高出5%以上，达到了高识别准确率的诊断效果。
2023, 50(9):57-62.
DOI: 10.12177/emca.2023.022
摘要:
为了深入研究变压器振动信号包含的大量故障信息，提出了一种基于S变换奇异值分解(ST-SVD)与鲸鱼优化支持向量机(WOA-SVM)模型的变压器绕组松动故障诊断方法。首先，基于变压器故障模拟试验平台采集变压器绕组处于不同状态下的振动信号。其次，对变压器振动信号进行S变换获取其时频矩阵。再次，计算出时频矩阵对应的幅值矩阵进行SVD，并定义特征向量。最后，采用鲸鱼优化算法优化SVM模型参数，并输入特征向量完成故障诊断。试验结果表明，所提方法故障识别准确率高于传统方法模型，适用于变压器绕组松动故障诊断。
为了深入研究变压器振动信号包含的大量故障信息，提出了一种基于S变换奇异值分解(ST-SVD)与鲸鱼优化支持向量机(WOA-SVM)模型的变压器绕组松动故障诊断方法。首先，基于变压器故障模拟试验平台采集变压器绕组处于不同状态下的振动信号。其次，对变压器振动信号进行S变换获取其时频矩阵。再次，计算出时频矩阵对应的幅值矩阵进行SVD，并定义特征向量。最后，采用鲸鱼优化算法优化SVM模型参数，并输入特征向量完成故障诊断。试验结果表明，所提方法故障识别准确率高于传统方法模型，适用于变压器绕组松动故障诊断。
2023, 50(9):63-69.
DOI: 10.12177/emca.2023.102
摘要:
为了提高电机轴承故障诊断的准确率，针对电机轴承故障不稳定的振动信号及故障特征提取困难问题，提出了一种基于变分模态分解（VMD）能量熵与卷积神经网络（CNN）相结合的电机轴承故障诊断方法。为了使故障的特征更精确地体现出来，采取三维度的能量熵提取办法，将轴承故障分为内圈磨损、外圈磨损和保持架断裂三类，然后每个类别再细分为负载为0%、25%和50%三种情况，共9种情况。利用VMD方法将故障信号分解得到内禀模态函数(IMF)的分量并提取各个维度IMF的能量熵值从而构成特征向量。结果表明该方法可以有效提高故障诊断正确率。
为了提高电机轴承故障诊断的准确率，针对电机轴承故障不稳定的振动信号及故障特征提取困难问题，提出了一种基于变分模态分解（VMD）能量熵与卷积神经网络（CNN）相结合的电机轴承故障诊断方法。为了使故障的特征更精确地体现出来，采取三维度的能量熵提取办法，将轴承故障分为内圈磨损、外圈磨损和保持架断裂三类，然后每个类别再细分为负载为0%、25%和50%三种情况，共9种情况。利用VMD方法将故障信号分解得到内禀模态函数(IMF)的分量并提取各个维度IMF的能量熵值从而构成特征向量。结果表明该方法可以有效提高故障诊断正确率。
2023, 50(9):70-77.
DOI: 10.12177/emca.2023.103
摘要:
海上风电经柔性直流输电技术（即基于电压源换流器的高压直流输电系统，VSC-HVDC）送出系统中受端电网故障不仅影响受端换流站交直流侧系统的运行状态，严重情况下也会阻碍送端换流站和海上风电机组的正常运行。针对这一实际问题，分析了海上风电经VSC-HVDC送出系统中受端电网发生不对称故障的传播机理，提出了一种基于Lyapunov函数方法的负序分量抑制策略。首先，建立了海上风电机组经VSC-HVDC送出系统的拓扑结构，并分析了受端电网发生不对称故障的传播机理。其次，根据受端换流站的数学模型推导出满足Lyapunov函数全局稳定性的负序开关函数，并求解出开关函数的系数，进一步设计出相应的Lyapunov函数控制器。最后，基于MATLAB/Simulink软件仿真将所提策略与传统PI控制进行对比，验证了所提策略的正确性和有效性。
海上风电经柔性直流输电技术（即基于电压源换流器的高压直流输电系统，VSC-HVDC）送出系统中受端电网故障不仅影响受端换流站交直流侧系统的运行状态，严重情况下也会阻碍送端换流站和海上风电机组的正常运行。针对这一实际问题，分析了海上风电经VSC-HVDC送出系统中受端电网发生不对称故障的传播机理，提出了一种基于Lyapunov函数方法的负序分量抑制策略。首先，建立了海上风电机组经VSC-HVDC送出系统的拓扑结构，并分析了受端电网发生不对称故障的传播机理。其次，根据受端换流站的数学模型推导出满足Lyapunov函数全局稳定性的负序开关函数，并求解出开关函数的系数，进一步设计出相应的Lyapunov函数控制器。最后，基于MATLAB/Simulink软件仿真将所提策略与传统PI控制进行对比，验证了所提策略的正确性和有效性。
2023, 50(9):78-84.
DOI: 10.12177/emca.2023.097
摘要:
光伏逆变系统是基于传统下垂控制方法来实现有功功率的平均分配，但这会造成光伏单元最大功率制约及浪费。因此，为了提升光伏单元输出能量的最优利用率，提出了一种光伏逆变器改进型下垂控制策略。该策略基于变步长的扰动观察法进行光伏电板最大功率的跟踪控制，其最大输出功率约束将生成下垂有功功率补偿量，将其叠加到传统下垂控制有功功率对应频率参考值的修正，且保持无功功率对应的电压幅值不变，从而实现并联系统中光伏单元的最大功率输出。通过PSIM电力电子仿真软件对光伏逆变最大功率约束下垂控制策略进行仿真验证。结果表明，变步长的扰动观察法及改进型下垂控制策略在实际应用中的有效性及可行性。
光伏逆变系统是基于传统下垂控制方法来实现有功功率的平均分配，但这会造成光伏单元最大功率制约及浪费。因此，为了提升光伏单元输出能量的最优利用率，提出了一种光伏逆变器改进型下垂控制策略。该策略基于变步长的扰动观察法进行光伏电板最大功率的跟踪控制，其最大输出功率约束将生成下垂有功功率补偿量，将其叠加到传统下垂控制有功功率对应频率参考值的修正，且保持无功功率对应的电压幅值不变，从而实现并联系统中光伏单元的最大功率输出。通过PSIM电力电子仿真软件对光伏逆变最大功率约束下垂控制策略进行仿真验证。结果表明，变步长的扰动观察法及改进型下垂控制策略在实际应用中的有效性及可行性。
《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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