2024年第51卷第4期文章目次
2024, 51(4):1-11.
DOI: 10.12177/emca.2024.018
摘要:
两级式光伏逆变器的中间直流母线电压的稳定性是光伏逆变器良好的发电质量和长期运行的关键。光伏逆变器的发电功率易受到光照强度、温度等环境因素的影响，该功率波动会在直流母线电压上产生较大扰动。为了提升直流母线电压的抗扰性，改善逆变器的控制性能，提出了一种基于改进一阶线性自抗扰控制（LADRC）的光伏逆变器母线电压控制策略。采用改进一阶LADRC对逆变器双环控制中的电压外环控制器进行设计。在传统LADRC的线性扩张状态观测器的基础上，将状态变量表达式中系统控制量的分量去除，使得状态变量的观测误差方程中只含有与系统输入量相关的误差分量，减小了状态变量的观测误差。新增状态变量并引入前一控制周期的系统控制量，根据总和扰动表达式对总和扰动重新进行估计并补偿。在频域上对改进LADRC的控制性能进行分析，相较传统LADRC而言，改进LADRC的系统带宽增大，动态跟踪能力增强，在中低频段具有更小的扰动增益。仿真和试验表明改进LADRC具有更短的调节时间，系统动态性能具有较好的提升，直流母线电压的抗扰性增强。
两级式光伏逆变器的中间直流母线电压的稳定性是光伏逆变器良好的发电质量和长期运行的关键。光伏逆变器的发电功率易受到光照强度、温度等环境因素的影响，该功率波动会在直流母线电压上产生较大扰动。为了提升直流母线电压的抗扰性，改善逆变器的控制性能，提出了一种基于改进一阶线性自抗扰控制（LADRC）的光伏逆变器母线电压控制策略。采用改进一阶LADRC对逆变器双环控制中的电压外环控制器进行设计。在传统LADRC的线性扩张状态观测器的基础上，将状态变量表达式中系统控制量的分量去除，使得状态变量的观测误差方程中只含有与系统输入量相关的误差分量，减小了状态变量的观测误差。新增状态变量并引入前一控制周期的系统控制量，根据总和扰动表达式对总和扰动重新进行估计并补偿。在频域上对改进LADRC的控制性能进行分析，相较传统LADRC而言，改进LADRC的系统带宽增大，动态跟踪能力增强，在中低频段具有更小的扰动增益。仿真和试验表明改进LADRC具有更短的调节时间，系统动态性能具有较好的提升，直流母线电压的抗扰性增强。
2024, 51(4):12-19.
DOI: 10.12177/emca.2024.007
摘要:
斜坡式重力储能系统(GESS)放电时通常将上堆场重物块运送至下堆场。然而，当放电过程中系统负荷需求出现波动时，现有方案难以通过及时调整重物块数量来调节输出功率，导致重力储能系统响应不及时并造成额外能量损耗。通过在斜坡两侧增加辅助堆场并将斜坡分为两段，通过控制顶部堆场重物块释放数量、斜坡堆场释放高度以及斜坡堆场重物块抓取位置，实现了重力储能系统输出功率的精确控制与负荷需求的快速响应。基于Matlab/Simulink平台搭建了两段式斜坡重力储能系统仿真模型，验证了所提方法的正确性与有效性。研究成果为斜坡式重力储能系统放电功率的快速调节与精确控制提供了重要参考。
斜坡式重力储能系统(GESS)放电时通常将上堆场重物块运送至下堆场。然而，当放电过程中系统负荷需求出现波动时，现有方案难以通过及时调整重物块数量来调节输出功率，导致重力储能系统响应不及时并造成额外能量损耗。通过在斜坡两侧增加辅助堆场并将斜坡分为两段，通过控制顶部堆场重物块释放数量、斜坡堆场释放高度以及斜坡堆场重物块抓取位置，实现了重力储能系统输出功率的精确控制与负荷需求的快速响应。基于Matlab/Simulink平台搭建了两段式斜坡重力储能系统仿真模型，验证了所提方法的正确性与有效性。研究成果为斜坡式重力储能系统放电功率的快速调节与精确控制提供了重要参考。
2024, 51(4):20-28.
DOI: 10.12177/emca.2024.006
摘要:
光伏(PV)全直流汇集与送出系统中，高压直流(HVDC)侧发生短路故障导致功率消纳能力下降，光伏无法及时感知故障而功率不变，导致系统过压停运。为解决此问题，提出了一种基于主动电压抬升的故障穿越策略，当高压直流变压器高压侧子模块电压上升到某一水平时，增加中压侧投入的子模块总数以提升中压直流电压，配合具有故障态P-V下垂特性的最大功率点跟踪(MPPT)装置，实现子模块未过压情况下最大功率点跟踪进入限功率模式，实现高压直流变压器端口功率平衡，达到降低子模块过压、完成故障穿越的效果。对所提策略下HVDC变压器子模块过压进行了分析，并仿真验证了策略的有效性和必要性。
光伏(PV)全直流汇集与送出系统中，高压直流(HVDC)侧发生短路故障导致功率消纳能力下降，光伏无法及时感知故障而功率不变，导致系统过压停运。为解决此问题，提出了一种基于主动电压抬升的故障穿越策略，当高压直流变压器高压侧子模块电压上升到某一水平时，增加中压侧投入的子模块总数以提升中压直流电压，配合具有故障态P-V下垂特性的最大功率点跟踪(MPPT)装置，实现子模块未过压情况下最大功率点跟踪进入限功率模式，实现高压直流变压器端口功率平衡，达到降低子模块过压、完成故障穿越的效果。对所提策略下HVDC变压器子模块过压进行了分析，并仿真验证了策略的有效性和必要性。
2024, 51(4):29-39.
DOI: 10.12177/emca.2024.011
摘要:
减少轴向磁场电机永磁体空载涡流损耗的方法主要有：减小定子槽开口宽度、增大气隙长度、永磁体分块、使用屏蔽层和磁性槽楔等。基于轴向磁场电机的简化二维分析模型，分析了减小定子槽开口宽度和增大气隙长度、使用屏蔽层和磁性槽楔降低空载涡流损耗的效果。通过三维电磁场仿真，研究了永磁体不同分块方式对减少空载涡流损耗的效果。研究结果表明，减小定子槽开口宽度的效果最佳；虽然增加气隙长度可以显著减小涡流损耗，但永磁体用量迅速增加；永磁体分块减小涡流效果较好，且周向分块方式最好；屏蔽层起反作用；使用分段磁性槽楔效果比减小定子槽开口宽度稍微差一点，但加工难度要低些。
减少轴向磁场电机永磁体空载涡流损耗的方法主要有：减小定子槽开口宽度、增大气隙长度、永磁体分块、使用屏蔽层和磁性槽楔等。基于轴向磁场电机的简化二维分析模型，分析了减小定子槽开口宽度和增大气隙长度、使用屏蔽层和磁性槽楔降低空载涡流损耗的效果。通过三维电磁场仿真，研究了永磁体不同分块方式对减少空载涡流损耗的效果。研究结果表明，减小定子槽开口宽度的效果最佳；虽然增加气隙长度可以显著减小涡流损耗，但永磁体用量迅速增加；永磁体分块减小涡流效果较好，且周向分块方式最好；屏蔽层起反作用；使用分段磁性槽楔效果比减小定子槽开口宽度稍微差一点，但加工难度要低些。
2024, 51(4):40-49.
DOI: 10.12177/emca.2024.021
摘要:
针对电励磁双凸极发电机静态偏心故障，首先对于发电机的气隙长度进行了等效解析建模，并对静偏心程度与磁链、电磁转矩以及气隙磁密等重要特性的关系进行了理论推导。然后，通过Ansys有限元建立12/8三相电励磁双凸极发电机的2D有限元模型，并对电磁信号理论分析结果进行验证。最后，利用Workbench中耦合电磁、模态与谐响应分析模块对发电机的径向振动信号进行有限元仿真。研究结果表明，仿真结果与理论分析结果基本吻合，证明静偏心故障中偏心率对于电励磁双凸极发电机性能具有一定的影响，为后续其静偏心故障诊断提供理论基础。
针对电励磁双凸极发电机静态偏心故障，首先对于发电机的气隙长度进行了等效解析建模，并对静偏心程度与磁链、电磁转矩以及气隙磁密等重要特性的关系进行了理论推导。然后，通过Ansys有限元建立12/8三相电励磁双凸极发电机的2D有限元模型，并对电磁信号理论分析结果进行验证。最后，利用Workbench中耦合电磁、模态与谐响应分析模块对发电机的径向振动信号进行有限元仿真。研究结果表明，仿真结果与理论分析结果基本吻合，证明静偏心故障中偏心率对于电励磁双凸极发电机性能具有一定的影响，为后续其静偏心故障诊断提供理论基础。
2024, 51(4):50-59.
DOI: 10.12177/emca.2024.019
摘要:
永磁同步电机因其高功率密度、高效率以及高可靠性，被广泛应用在各个领域。在对机械角度有要求的应用场合一般使用位置传感器来获取电机转子的机械位置信息，这样会降低控制系统的可靠性、集成度以及功率密度。为了在不借助位置传感器的情况下实现对永磁电机的机械角度辨识，设计了一台表贴式永磁同步电机(SPMSM)的电磁。通过在转子上添加不同高度的辅助齿，使得电机拓扑的电感包含转子机械角度信息。使用有限元仿真软件分析了添加辅助齿对电机反电动势、输出转矩以及三相电感的负面影响。最后在0.75 kW的SPMSM平台上验证了所提拓扑结构的机械角度辨识能力。
永磁同步电机因其高功率密度、高效率以及高可靠性，被广泛应用在各个领域。在对机械角度有要求的应用场合一般使用位置传感器来获取电机转子的机械位置信息，这样会降低控制系统的可靠性、集成度以及功率密度。为了在不借助位置传感器的情况下实现对永磁电机的机械角度辨识，设计了一台表贴式永磁同步电机(SPMSM)的电磁。通过在转子上添加不同高度的辅助齿，使得电机拓扑的电感包含转子机械角度信息。使用有限元仿真软件分析了添加辅助齿对电机反电动势、输出转矩以及三相电感的负面影响。最后在0.75 kW的SPMSM平台上验证了所提拓扑结构的机械角度辨识能力。
2024, 51(4):60-69.
DOI: 10.12177/emca.2024.010
摘要:
光储直柔系统出现新能源出力和负荷变化等扰动后，直流母线电压将发生波动，这对直流空调电机的稳定运行提出了挑战。分析了直流空调驱动系统与交流空调驱动系统的拓扑结构及优缺点，研究了滑模观测器、最大转矩电流比和超前角弱磁相结合的控制策略，通过识别直流母线电压的波动，可以快速调节电机的控制参数。在Matlab/Simulink软件中搭建了采用上述控制策略的空调电机仿真模型，并依据空调的实际运行工况进行了仿真验证。结果表明，该控制策略实现了直流母线电压波动下空调电机的全速域稳定运行。
光储直柔系统出现新能源出力和负荷变化等扰动后，直流母线电压将发生波动，这对直流空调电机的稳定运行提出了挑战。分析了直流空调驱动系统与交流空调驱动系统的拓扑结构及优缺点，研究了滑模观测器、最大转矩电流比和超前角弱磁相结合的控制策略，通过识别直流母线电压的波动，可以快速调节电机的控制参数。在Matlab/Simulink软件中搭建了采用上述控制策略的空调电机仿真模型，并依据空调的实际运行工况进行了仿真验证。结果表明，该控制策略实现了直流母线电压波动下空调电机的全速域稳定运行。
2024, 51(4):70-81.
DOI: 10.12177/emca.2024.017
摘要:
为了提高永磁同步电机调速系统的抗干扰能力，提出了一种鲁棒H∞控制方法。首先，根据鲁棒H∞控制原理，提出了永磁同步电机H∞速度控制设计方法，并介绍了求解方法。设计加权函数时考虑了跟踪性能、干扰抑制、输出限制和模型不确定性。通过伯德图详细说明了性能加权函数对动态性能的影响，并给出了加权函数的设计方法。然后，在考虑参数不确定性和未建模动态的情况下，为进一步提高系统的抗干扰能力，通过Luenberger扰动观测器将扰动作为前馈补偿观测，并将其反馈到速度控制器中，以加速动态响应，增强对扰动的抑制能力。最后，通过试验对比了传统比例积分控制器、H∞速度控制器和所提的复合速度控制器，试验结果验证了所提复合速度控制器的有效性。
为了提高永磁同步电机调速系统的抗干扰能力，提出了一种鲁棒H∞控制方法。首先，根据鲁棒H∞控制原理，提出了永磁同步电机H∞速度控制设计方法，并介绍了求解方法。设计加权函数时考虑了跟踪性能、干扰抑制、输出限制和模型不确定性。通过伯德图详细说明了性能加权函数对动态性能的影响，并给出了加权函数的设计方法。然后，在考虑参数不确定性和未建模动态的情况下，为进一步提高系统的抗干扰能力，通过Luenberger扰动观测器将扰动作为前馈补偿观测，并将其反馈到速度控制器中，以加速动态响应，增强对扰动的抑制能力。最后，通过试验对比了传统比例积分控制器、H∞速度控制器和所提的复合速度控制器，试验结果验证了所提复合速度控制器的有效性。
2024, 51(4):82-89.
DOI: 10.12177/emca.2024.022
摘要:
目前在深井泵市场中，感应潜水电机的应用较为广泛，但是普遍体积大、效率低，水泵耗能严重。永磁同步电机具有高效率、高功率因数以及大功率密度等优点。因此用永磁同步电机代替感应电机作为深井泵的驱动设备，既能提高电机的性能，又能节能减费，响应国家“碳减排”的号召。为了满足最新电机能效等级的要求，根据深井泵对其配套电机要求的特殊性，针对市面上一款22 kW的深井泵用感应潜水电机，设计出一款相同型号的永磁同步潜水电机。运用有限元分析计算，对其在额定工况下性能参数以及各类损耗和感应电机的数据进行对比分析，并对所设计的永磁同步电机进行温度场仿真验证其合理性。对两种电机生产成本以及能耗值进行经济效益评估，计算结果证明所设计的永磁同步潜水电机在一定的时间内便可以完成电机的成本回收，性价比优越，同时为同类深井泵用电机的设计分析提供参考。
目前在深井泵市场中，感应潜水电机的应用较为广泛，但是普遍体积大、效率低，水泵耗能严重。永磁同步电机具有高效率、高功率因数以及大功率密度等优点。因此用永磁同步电机代替感应电机作为深井泵的驱动设备，既能提高电机的性能，又能节能减费，响应国家“碳减排”的号召。为了满足最新电机能效等级的要求，根据深井泵对其配套电机要求的特殊性，针对市面上一款22 kW的深井泵用感应潜水电机，设计出一款相同型号的永磁同步潜水电机。运用有限元分析计算，对其在额定工况下性能参数以及各类损耗和感应电机的数据进行对比分析，并对所设计的永磁同步电机进行温度场仿真验证其合理性。对两种电机生产成本以及能耗值进行经济效益评估，计算结果证明所设计的永磁同步潜水电机在一定的时间内便可以完成电机的成本回收，性价比优越，同时为同类深井泵用电机的设计分析提供参考。
2024, 51(4):90-101.
DOI: 10.12177/emca.2024.015
摘要:
针对单向耦合法分析屏蔽式永磁同步电机电磁场和温度场时计算精度低的问题，提出了一种磁热双向耦合法。首先，建立了磁热耦合计算模型。其次，采用双向耦合法分析了屏蔽套材料对电机性能的影响，并与单向耦合计算结果进行了比较。最后，建立了电机三维模型，利用有限元软件进行了电磁场和三维温度场分析。研究结果表明所提的磁热双向耦合计算方法可以有效提高电磁场和温度场的计算精度，此外屏蔽套采用不导电不导磁材料可有效提高屏蔽式永磁同步电机效率，降低电机温升。这不仅为屏蔽式永磁同步电机的设计提供了参考，同时对于保证电机高效和可靠运行具有重要意义。
针对单向耦合法分析屏蔽式永磁同步电机电磁场和温度场时计算精度低的问题，提出了一种磁热双向耦合法。首先，建立了磁热耦合计算模型。其次，采用双向耦合法分析了屏蔽套材料对电机性能的影响，并与单向耦合计算结果进行了比较。最后，建立了电机三维模型，利用有限元软件进行了电磁场和三维温度场分析。研究结果表明所提的磁热双向耦合计算方法可以有效提高电磁场和温度场的计算精度，此外屏蔽套采用不导电不导磁材料可有效提高屏蔽式永磁同步电机效率，降低电机温升。这不仅为屏蔽式永磁同步电机的设计提供了参考，同时对于保证电机高效和可靠运行具有重要意义。
2024, 51(4):102-109.
DOI: 10.12177/emca.2024.009
摘要:
针对开关磁阻电机在滞环控制策略中存在的较大转矩脉动问题，在传统直接瞬时转矩控制的基础上引入了反向传播(BP)神经网络控制策略，以转矩误差的平方为性能指标函数对直接瞬时转矩控制进行优化调整，抑制了电机在运行时的转矩脉动。进一步，在整体双闭环控制策略基础上，引入滑模控制对转速环节进行改进，提高了系统的响应速度和鲁棒性。最后，利用Matlab/Simulink对传统直接瞬时转矩控制和改进直接瞬时转矩控制进行仿真测试，验证了所提策略的有效性和可行性。
针对开关磁阻电机在滞环控制策略中存在的较大转矩脉动问题，在传统直接瞬时转矩控制的基础上引入了反向传播(BP)神经网络控制策略，以转矩误差的平方为性能指标函数对直接瞬时转矩控制进行优化调整，抑制了电机在运行时的转矩脉动。进一步，在整体双闭环控制策略基础上，引入滑模控制对转速环节进行改进，提高了系统的响应速度和鲁棒性。最后，利用Matlab/Simulink对传统直接瞬时转矩控制和改进直接瞬时转矩控制进行仿真测试，验证了所提策略的有效性和可行性。
2024, 51(4):110-118.
DOI: 10.12177/emca.2024.013
摘要:
以用于轨道交通牵引系统的电励磁磁通切换直线磁悬浮同步电动机(EEFSLMSM)为研究对象。首先分析了EEFSLMSM的结构，并对该电机的运行原理及其电磁推力与悬浮力产生的原理进行了研究。其次，建立了EEFSLMSM的数学模型，推导了该电机的电压、磁链方程以及电磁推力、悬浮力的数学表达式。然后，通过Ansys Maxwell分析了EEFSLMSM的磁场分布和空载反电动势波形，并对电机的调磁能力进行了研究。最后，通过Ansys有限元计算分析，得出了电磁推力、悬浮力和电枢电流以及励磁电流之间的关系。研究结果验证了EEFSLMSM运行的可行性，为牵引及悬浮一体化的设计提供了理论参考。
以用于轨道交通牵引系统的电励磁磁通切换直线磁悬浮同步电动机(EEFSLMSM)为研究对象。首先分析了EEFSLMSM的结构，并对该电机的运行原理及其电磁推力与悬浮力产生的原理进行了研究。其次，建立了EEFSLMSM的数学模型，推导了该电机的电压、磁链方程以及电磁推力、悬浮力的数学表达式。然后，通过Ansys Maxwell分析了EEFSLMSM的磁场分布和空载反电动势波形，并对电机的调磁能力进行了研究。最后，通过Ansys有限元计算分析，得出了电磁推力、悬浮力和电枢电流以及励磁电流之间的关系。研究结果验证了EEFSLMSM运行的可行性，为牵引及悬浮一体化的设计提供了理论参考。
《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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