2024年第51卷第10期文章目次
2024, 51(10):1-8.
DOI: 10.12177/emca.2024.099
摘要:
本文以自通风型牵引电机为研究对象,对气动噪声特征进行了分析,包括噪声的物理度量、气动噪声的鉴别以及气动噪声的分类。通过空载噪声试验,分析原型机的噪声成分,确定主要噪声源。基于CFD理论计算电机整机稳态流场,获取系统风阻、速度分布等参数,根据流动特性预测评估电机气动噪声。通过进出风结构与动力风扇的优化设计,从声源上降噪,并采用隔声罩从噪声传播路径上控制噪声。经试验验证,在高转速段,采用通风优化设计与声学措施使电机气动噪声得到明显改善,结论可为自通风型牵引电机的降噪设计提供理论参考。
本文以自通风型牵引电机为研究对象,对气动噪声特征进行了分析,包括噪声的物理度量、气动噪声的鉴别以及气动噪声的分类。通过空载噪声试验,分析原型机的噪声成分,确定主要噪声源。基于CFD理论计算电机整机稳态流场,获取系统风阻、速度分布等参数,根据流动特性预测评估电机气动噪声。通过进出风结构与动力风扇的优化设计,从声源上降噪,并采用隔声罩从噪声传播路径上控制噪声。经试验验证,在高转速段,采用通风优化设计与声学措施使电机气动噪声得到明显改善,结论可为自通风型牵引电机的降噪设计提供理论参考。
2024, 51(10):9-18.
DOI: 10.12177/emca.2024.105
摘要:
针对电压监测器记录下配电变压器低压侧接地故障难以准确定位的问题,本文提出基于负序电压变化的优化电压骤降(Vdip)方法。首先,通过非对称故障定位概率计算方法比较馈电变电站的负序电流和配电变压器低压侧负序电压确定不对称故障定位的概率;然后,基于此概率对接地故障定位进行确认;最后,针对频率偏差和间谐波等问题,提出基于滑动窗平均的间谐波消除方法。通过对谐振接地配电网短接辅助电阻进行仿真试验,并在某地区电网22 kV谐振接地网络中进行验证,其中平均接地故障定位误差为1.06 km。试验结果表明,本文方法可在规避间谐波干扰下,实现高达98.7%的故障定位精确率,且模型各性能指标均优于现有方法。
针对电压监测器记录下配电变压器低压侧接地故障难以准确定位的问题,本文提出基于负序电压变化的优化电压骤降(Vdip)方法。首先,通过非对称故障定位概率计算方法比较馈电变电站的负序电流和配电变压器低压侧负序电压确定不对称故障定位的概率;然后,基于此概率对接地故障定位进行确认;最后,针对频率偏差和间谐波等问题,提出基于滑动窗平均的间谐波消除方法。通过对谐振接地配电网短接辅助电阻进行仿真试验,并在某地区电网22 kV谐振接地网络中进行验证,其中平均接地故障定位误差为1.06 km。试验结果表明,本文方法可在规避间谐波干扰下,实现高达98.7%的故障定位精确率,且模型各性能指标均优于现有方法。
2024, 51(10):19-28.
DOI: 10.12177/emca.2024.097
摘要:
针对永磁同步电机无差拍预测控制共模电压较大的问题,在一个控制周期内采用相位相反的基本电压矢量来生成虚拟零电压矢量抑制共模电压,并采用动态选择虚拟电压矢量生成方式来减小开关频率。为了提升无差拍预测控制性能,构造12个虚拟非零电压矢量来增加备选电压矢量。仿真结果表明:与7个基本备选电压矢量相比,基于19个备选电压矢量的无差拍预测控制降低转矩脉动6.89%,降低磁链脉动13.33%,同时共模电压也得到有效抑制。相较固定生成方式,动态选择虚拟电压矢量生成方式可降低开关频率25.89%。虽然该方法可有效提升系统性能,但增加遍历次数,极大增大计算量。为提高算法实时性,提出一种通过判断理想电压矢量所在区域来确定最优电压矢量简化确定方法,无需遍历计算,减小运算负担。基于STM32H743IIT6单片机实时性试验表明:相较于7个基本电压矢量,采用19个电压矢量算法执行时间增大273.40%,最优电压矢量简化确定方法执行时间减小88.09%。
针对永磁同步电机无差拍预测控制共模电压较大的问题,在一个控制周期内采用相位相反的基本电压矢量来生成虚拟零电压矢量抑制共模电压,并采用动态选择虚拟电压矢量生成方式来减小开关频率。为了提升无差拍预测控制性能,构造12个虚拟非零电压矢量来增加备选电压矢量。仿真结果表明:与7个基本备选电压矢量相比,基于19个备选电压矢量的无差拍预测控制降低转矩脉动6.89%,降低磁链脉动13.33%,同时共模电压也得到有效抑制。相较固定生成方式,动态选择虚拟电压矢量生成方式可降低开关频率25.89%。虽然该方法可有效提升系统性能,但增加遍历次数,极大增大计算量。为提高算法实时性,提出一种通过判断理想电压矢量所在区域来确定最优电压矢量简化确定方法,无需遍历计算,减小运算负担。基于STM32H743IIT6单片机实时性试验表明:相较于7个基本电压矢量,采用19个电压矢量算法执行时间增大273.40%,最优电压矢量简化确定方法执行时间减小88.09%。
2024, 51(10):29-39.
DOI: 10.12177/emca.2024.102
摘要:
针对由三棱柱布置形成的三轨电磁悬浮系统耦合点多,悬浮控制难度大的问题,提出一种模糊滑模控制方法以实现对各耦合点的单独控制。根据三轨电磁悬浮系统的特定结构对该系统模型的旋转运动进行解耦分析,解出可以独立控制旋转偏移角与悬浮气隙高度的控制量,建立模糊化输入、输出和模糊规则,将模糊化后的控制量与系统误差进行滑模控制,使系统悬浮误差快速收敛到零。为了验证模糊滑模控制器对系统悬浮的控制效果,搭建模糊滑模控制仿真及试验模型。结果表明,相较于原有的控制方法,模糊滑模控制响应速度快,抗干扰能力强,有利于悬浮过程中的振动控制。
针对由三棱柱布置形成的三轨电磁悬浮系统耦合点多,悬浮控制难度大的问题,提出一种模糊滑模控制方法以实现对各耦合点的单独控制。根据三轨电磁悬浮系统的特定结构对该系统模型的旋转运动进行解耦分析,解出可以独立控制旋转偏移角与悬浮气隙高度的控制量,建立模糊化输入、输出和模糊规则,将模糊化后的控制量与系统误差进行滑模控制,使系统悬浮误差快速收敛到零。为了验证模糊滑模控制器对系统悬浮的控制效果,搭建模糊滑模控制仿真及试验模型。结果表明,相较于原有的控制方法,模糊滑模控制响应速度快,抗干扰能力强,有利于悬浮过程中的振动控制。
2024, 51(10):40-50.
DOI: 10.12177/emca.2024.109
摘要:
低压配电网中因断零与缺相故障对电网公司造成的安全隐患和经济损失一直是电网公司迫切解决的难题,随着智能化检测设备在电网中普及,可利用智能电表采集的低压侧负载电压和各序电流数据开展故障检测。首先,建立基于Transformer神经网络(TNN)和双向长短期记忆(Bi-LSTM)的混合模型TNN-BL;其次,通过选择合适的损失函数和正则化函数完善模型以进一步提高模型检测性能;最后,采用南网数据集对模型性能进行试验验证。试验结果表明,该方法拥有更有效的特征提取能力,相比于其他故障检测方法具有更高的检测准确度和更强的鲁棒性。
低压配电网中因断零与缺相故障对电网公司造成的安全隐患和经济损失一直是电网公司迫切解决的难题,随着智能化检测设备在电网中普及,可利用智能电表采集的低压侧负载电压和各序电流数据开展故障检测。首先,建立基于Transformer神经网络(TNN)和双向长短期记忆(Bi-LSTM)的混合模型TNN-BL;其次,通过选择合适的损失函数和正则化函数完善模型以进一步提高模型检测性能;最后,采用南网数据集对模型性能进行试验验证。试验结果表明,该方法拥有更有效的特征提取能力,相比于其他故障检测方法具有更高的检测准确度和更强的鲁棒性。
2024, 51(10):51-63.
DOI: 10.12177/emca.2024.101
摘要:
针对永磁同步电机调速控制系统突加负载时导致转速波动较大的问题,提出了一种基于分数阶扩展滑模扰动观测器(FOESMDO)的转速环新型无模型控制方案。新算法为了改善调速系统的动、静态性能,建立了不含电机参数的永磁同步电机新型超局部模型,以此为研究对象,借助快速终端滑模控制和改进型滑模切换函数设计新型无模型滑模控制器;同时为了提高扰动估计的准确性及减小滑模控制存在的抖振现象,改进算法采用分数阶扩展滑模扰动观测器进行超局部结构中未知部分的在线估计;最后,将所提出的基于FOESMDO的新型切换函数快速终端滑模控制方法同传统方法进行仿真对比,验证了新型无模型控制算法(FOESMDO?ISFFTSMC)在提高调速系统的响应速度和抗干扰能力方面的优异性能。
针对永磁同步电机调速控制系统突加负载时导致转速波动较大的问题,提出了一种基于分数阶扩展滑模扰动观测器(FOESMDO)的转速环新型无模型控制方案。新算法为了改善调速系统的动、静态性能,建立了不含电机参数的永磁同步电机新型超局部模型,以此为研究对象,借助快速终端滑模控制和改进型滑模切换函数设计新型无模型滑模控制器;同时为了提高扰动估计的准确性及减小滑模控制存在的抖振现象,改进算法采用分数阶扩展滑模扰动观测器进行超局部结构中未知部分的在线估计;最后,将所提出的基于FOESMDO的新型切换函数快速终端滑模控制方法同传统方法进行仿真对比,验证了新型无模型控制算法(FOESMDO?ISFFTSMC)在提高调速系统的响应速度和抗干扰能力方面的优异性能。
2024, 51(10):64-75.
DOI: 10.12177/emca.2024.106
摘要:
多相自励磁同步电机通过在定子侧注入高频谐波电流励磁实现零低速域无刷励磁。然而已有的研究对所注入高频电流的相位尚未充分探讨,限制了在零低速域励磁电流和转矩的进一步提升。针对上述问题,首先基于分数槽集中绕组磁动势原理推导数学公式,分析注入高频电流进行励磁的机制;其次,探讨了高频电流的相位对励磁效果的影响,并提出相位优化策略;最后,采用Maxwell建立了自励磁电机模型,并进行有限元分析对所提策略进行验证。研究结果表明:高频电流相位优化策略在100 r/min时,感应电势增强了17.5%,励磁电流上升了7.5%,转矩增大了6.6%,转矩脉动同比减少71.58%。
多相自励磁同步电机通过在定子侧注入高频谐波电流励磁实现零低速域无刷励磁。然而已有的研究对所注入高频电流的相位尚未充分探讨,限制了在零低速域励磁电流和转矩的进一步提升。针对上述问题,首先基于分数槽集中绕组磁动势原理推导数学公式,分析注入高频电流进行励磁的机制;其次,探讨了高频电流的相位对励磁效果的影响,并提出相位优化策略;最后,采用Maxwell建立了自励磁电机模型,并进行有限元分析对所提策略进行验证。研究结果表明:高频电流相位优化策略在100 r/min时,感应电势增强了17.5%,励磁电流上升了7.5%,转矩增大了6.6%,转矩脉动同比减少71.58%。
2024, 51(10):76-87.
DOI: 10.12177/emca.2024.098
摘要:
绕组换相时的转矩跌落是造成开关磁阻电机转矩脉动大的主要原因之一。针对该问题,本文在分析普通开关磁阻电机转矩脉动成因的基础上,研究了一种结构性优化与直接瞬时转矩控制相结合的转矩脉动抑制方法。通过增设内定子以及辅助绕组,构造一种周向错角开关磁阻电机,由内定子上的辅助绕组提供辅助转矩,以补偿外定子上主绕组在换相期间的转矩跌落。之后设计了直接瞬时转矩控制策略,根据转矩偏差信号以及扇区信号来直接切换功率变换器的工作模式,具有快速响应和转矩精确控制的优点。最后,在场-路耦合联合仿真环境下,搭建该电机六相绕组的直接瞬时转矩控制电路,对比分析了启动、加减速以及增、卸负载三种工况下的转矩特性以及转速特性。仿真结果表明,改进后的电机具有很好的转矩脉动抑制功能,且运行特性良好。
绕组换相时的转矩跌落是造成开关磁阻电机转矩脉动大的主要原因之一。针对该问题,本文在分析普通开关磁阻电机转矩脉动成因的基础上,研究了一种结构性优化与直接瞬时转矩控制相结合的转矩脉动抑制方法。通过增设内定子以及辅助绕组,构造一种周向错角开关磁阻电机,由内定子上的辅助绕组提供辅助转矩,以补偿外定子上主绕组在换相期间的转矩跌落。之后设计了直接瞬时转矩控制策略,根据转矩偏差信号以及扇区信号来直接切换功率变换器的工作模式,具有快速响应和转矩精确控制的优点。最后,在场-路耦合联合仿真环境下,搭建该电机六相绕组的直接瞬时转矩控制电路,对比分析了启动、加减速以及增、卸负载三种工况下的转矩特性以及转速特性。仿真结果表明,改进后的电机具有很好的转矩脉动抑制功能,且运行特性良好。
2024, 51(10):88-97.
DOI: 10.12177/emca.2024.110
摘要:
分数槽集中绕组(FSCW)结构感应电机气隙中含有丰富的磁动势谐波,电机直接启动会带来巨大的冲击电流和较大的转矩脉动,选择合适的电机启动方法在确保提供电机启动所需的能量,同时最大程度地降低其成本、提高效率。本文将基于FSCW结构的感应电机研究硬启动和软启动这两种不同的启动方式。全电压法(硬启动)是最简单的方法,但其可能会对电机寿命产生影响;降压降频启动(软启动)则是另一个方法,可以减少启动所需的能量消耗。首先,根据绕组理论建立感应电机的数学模型;通过电磁耦合理论的电磁转矩理论,分析了硬启动和软启动两种工况下的启动转矩、非主导极对数谐波磁场对转矩脉动的影响;然后,基于虚位移法推导出电磁转矩表达式;最后,基于电磁转矩理论讨论了两种启动方式下的电磁转矩和转矩脉动。此外,还通过理论计算、有限元仿真和试验验证了软启动的可行性和稳定性。
分数槽集中绕组(FSCW)结构感应电机气隙中含有丰富的磁动势谐波,电机直接启动会带来巨大的冲击电流和较大的转矩脉动,选择合适的电机启动方法在确保提供电机启动所需的能量,同时最大程度地降低其成本、提高效率。本文将基于FSCW结构的感应电机研究硬启动和软启动这两种不同的启动方式。全电压法(硬启动)是最简单的方法,但其可能会对电机寿命产生影响;降压降频启动(软启动)则是另一个方法,可以减少启动所需的能量消耗。首先,根据绕组理论建立感应电机的数学模型;通过电磁耦合理论的电磁转矩理论,分析了硬启动和软启动两种工况下的启动转矩、非主导极对数谐波磁场对转矩脉动的影响;然后,基于虚位移法推导出电磁转矩表达式;最后,基于电磁转矩理论讨论了两种启动方式下的电磁转矩和转矩脉动。此外,还通过理论计算、有限元仿真和试验验证了软启动的可行性和稳定性。
2024, 51(10):98-106.
DOI: 10.12177/emca.2024.107
摘要:
本文研究用于混合励磁磁通切换直线磁悬浮电动机(HEFSLMSM)磁悬浮列车。由于原自抗扰控制(ADRC)算法的扩张状态观测器是基于传统fal函数设计而易产生抖振、收敛速度慢及超调量过大等现象。为了提高悬浮系统的性能,提出了一种改进自抗扰控制策略。 根据HEFSLMSM特有原理和运行机制,建立了其数学模型,推导出电机励磁回路电压方程、磁悬浮力方程和运动方程,设计出满足“小误差、大增益,大误差、小增益,连续光滑,处处可导,原点对称”的sfal函数,取代原有fal函数。建立改进ADRC的仿真模型,并通过仿真试验与ADRC和比例积分微分控制器进行了比较。仿真结果表明,采用改进 ADRC的HEFSLMSM磁悬浮系统在动态性能方面具有明显优势,能有效抑制各种不确定的扰动,从而保证了系统的稳定性和精度。
本文研究用于混合励磁磁通切换直线磁悬浮电动机(HEFSLMSM)磁悬浮列车。由于原自抗扰控制(ADRC)算法的扩张状态观测器是基于传统fal函数设计而易产生抖振、收敛速度慢及超调量过大等现象。为了提高悬浮系统的性能,提出了一种改进自抗扰控制策略。 根据HEFSLMSM特有原理和运行机制,建立了其数学模型,推导出电机励磁回路电压方程、磁悬浮力方程和运动方程,设计出满足“小误差、大增益,大误差、小增益,连续光滑,处处可导,原点对称”的sfal函数,取代原有fal函数。建立改进ADRC的仿真模型,并通过仿真试验与ADRC和比例积分微分控制器进行了比较。仿真结果表明,采用改进 ADRC的HEFSLMSM磁悬浮系统在动态性能方面具有明显优势,能有效抑制各种不确定的扰动,从而保证了系统的稳定性和精度。
2024, 51(10):107-119.
DOI: 10.12177/emca.2024.094
摘要:
分数槽集中绕组(FSCW)感应电机中存在大量非主导极对数谐波,导致其转矩脉动及铁心损耗较大。针对此问题,以一台定子15槽、转子18槽的FSCW双馈感应电机为研究对象,对该类电机的转矩特性和铁心损耗特性进行了研究。首先,介绍了FSCW双馈感应电机的结构及工作原理,推导了其在双馈工况下的定子电流方程;其次,通过绕组函数法及匝数函数法求解了特定极槽配合下定转子前n次谐波自感和互感之和;然后,基于虚位移法对电磁转矩进行理论计算,并将理论计算结果与有限元仿真结果以及试验测量结果进行对比分析;最后,对不同工况下的转矩特性及铁心损耗特性进行了分析,得到了不同转差率下的电磁转矩脉动频率和铁心损耗的变化规律,即转矩脉动频率随转差率减小而增大,铁心损耗随转差率的减小而降低。
分数槽集中绕组(FSCW)感应电机中存在大量非主导极对数谐波,导致其转矩脉动及铁心损耗较大。针对此问题,以一台定子15槽、转子18槽的FSCW双馈感应电机为研究对象,对该类电机的转矩特性和铁心损耗特性进行了研究。首先,介绍了FSCW双馈感应电机的结构及工作原理,推导了其在双馈工况下的定子电流方程;其次,通过绕组函数法及匝数函数法求解了特定极槽配合下定转子前n次谐波自感和互感之和;然后,基于虚位移法对电磁转矩进行理论计算,并将理论计算结果与有限元仿真结果以及试验测量结果进行对比分析;最后,对不同工况下的转矩特性及铁心损耗特性进行了分析,得到了不同转差率下的电磁转矩脉动频率和铁心损耗的变化规律,即转矩脉动频率随转差率减小而增大,铁心损耗随转差率的减小而降低。
《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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