具有低开关频率的感应电机无传感器控制

着眼于传统低开关频率控制方法对无感磁链观测带来不利影响的问题,提出了一种具有低开关频率的感应电机无传感器控制方法.使用速度自适应滑模观测器与预测控制方法相结合,构成感应电机无传感器预测控制系统.其可以在较高采样频率下,有效降低开关频率,并保证系统具有较高的动态特性.同时,滑模思想的引入使观测器具有较强的鲁棒性.实验结果表明,所提出的低开关频率无传感器控制策略具有较高的控制精度和较强的抗干扰性能,研究的自适应滑模观测器在稳态和动态实验中均具有良好的观测精度,其中电流环响应时间可以达到1.52 ms,可以实现75 r·min^(–1)及以上转速范围内的稳定观测及运行,且系统最高平均开关频率保持在500 Hz上下,为较低的水平.

基于磁感的变压器和感应电机等效矢量磁路分析

电机学等传统电机理论对变压器和感应电机的工作机理分析多采用等效电路的方法,将实际磁量等效为电量来表示,在一定程度上让二者的分析变得复杂化。可是,传统磁路理论中仅有磁阻元件,难以定量表征磁通与磁动势之间存在的相位差和铁心中的损耗等,进而成为分析的瓶颈。为此,该文引入新的磁路参数——磁感,并利用磁阻和磁感双元件构成的矢量磁路理论,建立适用于变压器和感应电机分析的等效矢量磁路,推导了不同工况下的磁路方程,并以变压器为例,从磁路角度绘制了相量图。对变压器和感应电机在不同工况下的主要特性进行定量计算,通过实验结果验证了分析方法的有效性。相较于等效电路分析方法,该文所提的等效矢量磁路分析方法省去了匝数归算、频率归算等过程,因而概念清晰、计算简洁。该文研究不仅为电机等电磁装备的分析设计提供了全新的方法,而且有望推动《电机学》教材的改革,降低电机学相关内容的学习难度。

基于扩展卡尔曼滤波的直线感应电机速度观测

为解决在直线感应电机(linear induction motor,LIM)高性能闭环控制系统取消速度传感器后,速度闭环中缺少速度反馈信息问题,在考虑LIM边端效应前提下,实现了一种基于扩展卡尔曼滤波算法的速度观测器。首先,基于考虑边端效应的三相LIM数学模型,推导出具有合适增益和协方差更新矩阵的扩展卡尔曼滤波观测器,并基于LIM的矢量控制系统,将观测器辨识的速度参数反馈到速度闭环系统中。然后,在Simulink中搭建带有速度观测器的LIM矢量控制系统模型,对观测器的辨识速度和电机实际速度进行对比。结果表明,利用辨识速度进行闭环控制可以保证系统稳定运行。在3种负载情况下,观测器的预测速度和实际速度之间的误差在0.51%~2.34%之间。对系统多种动态性能进行分析可知,基于扩展卡尔曼滤波观测器的LIM矢量控制系统,随着负载增大,预测速度的误差增大,推力误差减小,磁链幅值误差略微增大。因此,在考虑边端效应情况下,基于扩展卡尔曼滤波的观测器可以代替速度传感器实现空载和带载时的三相LIM控制。

基于超扭曲滑模的双定子绕组感应电机转速磁通控制

针对双定子绕组感应电机DSWIMs(dual-stator winding induction machines)在传统直接转矩和磁通控制下转矩、磁通和电流纹波大,在低速下控制磁通难度大、噪声大等问题,提出1种基于超扭曲滑模控制器STSMC(super twisting sliding mode controller)的DSWIMs新型转速和磁通直接控制方法。通过设计满足李雅普诺夫稳定条件的有限时间收敛误差为0的非线性控制器,提出1种DSWIMs新型转矩分配算法,可使DSWIMs在较宽的转速范围内运行,并包括零转速,所需电磁转矩由2组绕组根据其额定功率提供。此外,针对DSWIMs设计了1种基于滑模控制的全阶观测器,能够高精度地估计绕组磁通、磁通角和转子转速,以实现最优磁通状态。最后,在1个3.3 kWDSWIM驱动系统上进行实验测试,评估所提DSWIM控制方案的性能,实验结果证明了所提控制方法、转矩分配算法和全阶观测器在不同速度区域的有效性。

矩形边界限定形式的感应电机低开关频率预测控制研究

圆形边界限定形式预测控制对电流畸变的限定在各方向均相同,无法通过增大边界圆半径进一步降低开关频率。因此,该文提出一种矩形边界限定形式的预测控制方法。首先,深入分析感应电机数学模型,发现感应电机转子子系统的低通物理特性,以及励磁电流波动对电磁转矩的影响不显著;其次,利用该特性,将限定边界改为矩形,对转矩电流与励磁电流进行独立约束,适度增加励磁电流畸变允许限值,扩大电流轨迹运动范围,延长开关状态切换时长;再次,探究电流矢量梯度同边界约束间的数学关系,提出该方法下电压矢量筛选与寻优准则,筛选出最优矢量;最终,进行实验对比。实验结果证明,在相同系统动态特性和转矩波动下,相较于圆形边界限定策略,矩形边界限定策略可以进一步降低开关频率。

基于自抗扰的感应电机无模型预测电流控制

针对采用传统比例积分(proportional integral,PI)控制算法的感应电机在面对复杂扰动时控制性能降低的问题,基于矢量控制系统,提出了感应电机的自抗扰(active disturbance rejection control,ADRC)无模型预测控制(model-free predictive control,MFPC)方法。首先,结合转速环和磁链环数学模型,设计了转速环和磁链环的ADRC控制器,对负载变化和内参摄动产生的内外扰动进行观测并补偿。其次,为避免内环控制器对电机参数的依赖,基于无模型控制原理,建立了dq电流环的超局部方程,将控制量之外的变量视为干扰量,并引入非线性扩张状态观测器估计干扰量。最后,结合预测控制思想设计了电流环控制器,得到开关状态作用于逆变器。仿真与实验结果表明提出的算法相对PI算法有更好的抗扰性和鲁棒性,可以有效提高感应电机的动态和稳态性能。

基于动态磁网络法大型感应电机阻抗参数及起动特性计算

为提高大型感应电机动态阻抗参数及起动特性计算的准确性及计算效率,构建了考虑电机转子转速变化引起气隙磁导变化的非线性动态磁网络模型。以一台6.5 MW大型感应电机为例,分析起动电流变化对电机内各处饱和程度的影响机理,在此基础上,根据磁力线路径及电机内饱和程度确定动态磁网络模型中的非线性磁导的计算方法。将动态磁网络模型与转子趋肤效应模型相结合,提出计及漏磁并考虑转子转速变化及饱和偏移现象的电机动态阻抗参数的计算方法。推导并建立基于转子多回路法的大型感应电机的动态数学模型,根据电机瞬态过程中的电磁耦合关系,确定动态数学模型与磁网络模型的动态耦合求解方法,提出大型电机瞬态过程中考虑电流、转速、饱和及趋肤程度变化的动态阻抗参数及起动特性的计算方法。通过与有限元计算结果及实验结果对比,验证了所提出计算方法的正确性。

五相感应电机变采样周期模型预测控制策略

针对无调制模块的模型预测控制器MPC(model predictive controller)存在的谐波含量高问题,提出1种新型基于模型的变采样周期MPC策略,并将其应用于五相感应电机驱动系统。分析了MPC对时间固定离散化所带来的问题,而引入调制或调制替代来解决此问题将使控制系统复杂度增加,故遵循更简单、自然的思路,基于追击算法来改变采样间隔,结合MPC确定最优控制动作和实施时间,实现变采样周期MPC方案。利用五相感应电机驱动系统开展实验,实验结果验证了新型变采样周期MPC优良的参考跟踪和电流谐波性能。

低载波比牵引系统的感应电机特征根离散化模型研究

在大功率和高速电机驱动领域,电机控制系统将运行于低载波比工况。传统的一阶欧拉、二阶双线性等降阶离散化模型在低载波比下由于离散化误差过大,对应的状态观测将出现幅值和相位的稳态误差,严重时甚至出现发散不收敛现象。针对上述问题,该文提出了感应电机特征根离散化模型。通过构建感应电机的复矢量模型状态空间方程,将满秩的状态转移矩阵进行对角化,得到状态转移矩阵的精确离散化结果,该模型在低载波比时仍具有较高的离散化精度。同时,提出了一种基于伯德图的离散化误差定量分析方法,通过定量对比不同离散化模型和连续域模型之间观测变量的幅值和相位误差,从理论上证明了提出方法的优越性。最后,通过仿真和实验验证了上述感应电机特征根离散化模型在低载波比下均具有良好的稳态精度与暂态跟随性能。

基于混合谐波注入的潜水感应电机电磁噪声削弱

针对感应电机在变频供电时会在绕组中产生时间谐波而导致电机的电磁振动和噪声增大的问题,提出了一种采用混合谐波注入的改进型正弦脉宽调制控制策略。以一台1120 kW的潜水感应电机为研究对象,通过对电机进行3、9次混合谐波注入,削弱了电压的调制波和载波谐波及其边带谐波分量,从而降低了电机的振动和噪声。对3、9次混合谐波注入方法中的谐波占比系数进行优化,进一步强化了对边带谐波的削弱效果,整体降低了电机噪声。最后通过对采用混合谐波注入方法的电机与优化前的常规电机进行铁耗、铜耗等方面的性能对比,验证了所提策略在不影响电机的基本性能的前提下,有效削弱了电机的电磁噪声。

感应电机损耗最小化预测控制策略研究

针对传统感应电机效率优化算法在复杂工况下存在鲁棒性和动态性能差的问题,提出了一种基于损耗模型控制算法的感应电机效率优化预测控制策略。搭建考虑铁损的电机功率损耗模型,包含铁损、铜损以及漏感等因素,提高了损耗模型的精度。采用模型参考自适应观测器估计损耗模型中的定子电阻,设计电流模型为参考模型,电压模型为可调模型。基于电机铁损模型构建连续集模型预测电流控制器,提升系统的动态性能。实验结果验证了所提算法的可行性和有效性。

基于扩张滑模-锁相环的感应电机无速度传感器矢量控制

在高性能感应电机无速度传感器矢量控制系统中,需要对转子磁链与转速进行准确的估计,而电动势项包含直流偏置,影响了转子磁链的准确估计。而且传统的正交锁相环方法在加减速工况下,转速估计难以收敛至实际值。该文针对这两个问题,首先,设计一种以定子电流与电动势为状态变量的Super-Twisting滑模观测器,结合可编程滤波器来估计转子磁链,以提升转子磁链估计精度;其次,提出一种基于扩张滑模锁相环的速度估计方法,提高加减速工况下的转速估计性能;最后,通过1.5 kW感应电机测试平台验证所提方法的有效性。

基于二阶变增益滑模的感应电机电压模型磁链观测器

针对无速度传感器感应电机驱动系统,基于二阶滑模的电压模型磁链观测器可以有效提升传统开环电压模型观测器的转速估计鲁棒性。然而,现有二阶滑模电压模型观测器仍然存在以下2个问题:1)滑模观测器常数增益与可变稳定性条件间的不匹配问题;2)由于存在直流偏置,需要采用非理想积分器来估计转子磁链。针对这2个问题,该文提出相应解决方案:1)改进二阶滑模观测器结构,并根据稳定性条件设计可变增益,以同时实现宽调速范围内的观测器稳定性与抖振抑制;2)根据滑模观测器的输出,设计一种带直流偏置补偿的积分器,以提升磁链估计精确度。最后,在3.7 kW的感应电机实验装置上进行对比实验,证明所提方法有效性。

基于模糊扩展卡尔曼的直线感应电机无速度传感器控制

直线感应电机(linear induction motor,LIM)可实现无接触、无摩擦的直线运动,具有爬坡强、横断面小、低噪音等优势,在中低速磁悬浮与城市轨道交通中被广泛应用。其中,基于观测器的电机无速度传感器矢量控制方法,是解决速度传感器成本高、可靠性低、维护难等问题的有效途径。针对LIM速度辨识受系统内外扰动影响导致观测精度下降问题,提出基于模糊扩张卡尔曼滤波(Fuzzy Extended Kalman Filter,FEKF)的速度观测方法,提高观测器鲁棒性。首先在αβ坐标系下建立考虑动态边端效应的LIM数学模型,利用LIM的实时电流和电压作为输入信号,以电流、磁链和速度作为状态变量,推导出基于扩展卡尔曼滤波(extended kalman filter,EKF)观测器电机状态空间方程的离散模型,利用EKF对LIM的速度和磁链进行在线观测,并用于实现LIM的矢量控制。其次,为提高EKF的噪声协方差矩阵Q对LIM系统内外扰动的鲁棒性,引入模糊控制方法对矩阵Q进行自适应调整,实现速度与磁链的估计精度。具体通过计算系统理论残差与实际残差的偏离程度得到噪声调节因子,实时调整噪声协方差矩阵Q,并在下一周期更新模糊扩展卡尔曼的反馈增益矩阵,提高对速度与磁链的估计精度。之后对系统的能观性与FEKF的收敛性进行分析,探明矩阵Q中各参数的边界及整定规律。最后通过仿真和硬件在环实验验证所提FEKF优化算法的有效性,结果表明FEKF能有效提高对LIM速度辨识准确性,实现LIM无速度传感器矢量控制。

能够校正相位误差的感应电机全阶磁链观测器

感应电机的传统全阶磁链观测器,采用预估校正法进行离散时转子磁链估计相位的误差较小。但是电机高速运行时,随着载波比的减小,估计相位误差会随之增大,进而引起电机控制性能下降。有鉴于此,通过分析磁链相位误差的影响以及电机控制变量之间的相互作用关系,推导出一种具有相位误差自校正功能的改进全阶磁链观测器。最后在感应电机实验平台上验证了改进全阶观测器的有效性。

考虑感应电机负荷特性的主动配电网电压模型预测控制

针对高比例新能源并网引发主动配电网电压越限问题,提出了一种考虑感应电机负荷特性的主动配电网电压模型预测控制方法。首先,通过建立感应电机负荷的稳态模型,分析了其有功和无功与并网点电压的耦合关系,提出考虑感应电机负荷特性的配电网状态估计方法,实现了对关键状态量的实时在线监测。然后,计及各类电压调节资源,构建考虑感应电机负荷特性的电压模型预测控制方法,并通过状态预测、滚动优化和反馈控制3个关键环节,在维持配电网电压安全的前提下,以最低调节成本实现感应电机负荷并网点电压与设定值的偏差最小化。最后,基于IEEE33节点系统算例进行仿真,验证了所提方法在提高状态估计精度、改善电压控制效果方面的有效性。

基于改进互联型全阶观测器的直线感应电机在线参数辨识

由于直线感应电机特殊结构和动态边端效应等影响,其励磁电感和次级损耗电阻的变化机理和规律复杂,为提高观测器对励磁电感和次级损耗电阻的辨识精度和性能,提出一种基于改进互联型全阶观测器的直线感应电机双参数在线辨识方法.首先,根据考虑动态边端效应的直线感应电机T型等效电路,建立双参数变化的电机状态空间方程,并分析参数变化及耦合特性对电机极点影响;其次,为减小参数耦合对辨识精度的影响,建立双参数互联的低耦合辨识模型,完成互联型全阶自适应观测器设计,采用Popov超稳定性理论推导励磁电感和次级电阻在线辨识的自适应律,实现双参数在线辨识;然后,为提高观测器的稳定性和收敛速度,结合新型极点配置法完成反馈增益矩阵的推导与设计;最后,搭建仿真模型和硬件在环辨识模型进行实验验证.结果表明:新型全阶自适应观测器在启动加速阶段时励磁电感和损耗电阻辨识误差在0.01%左右;在负载动态时损耗电阻辨识误差在0.03%左右.

考虑边端效应及参数变化的直线感应电机MRAS速度观测方法

以轨道交通直线感应电机(Linear Induction Motor,LIM)牵引驱动系统速度观测器为研究对象,针对边端效应及电机参数变化导致辨识结果实时性、鲁棒性不足的问题,提出一种基于二阶超螺旋滑模的改进模型参考自适应系统(Model Reference Adaptive System,MRAS)速度观测方法。首先,以计及动态边端效应的初次级电压电流磁链方程为核心,设计直线感应电机标准MRAS速度观测器,降低边端效应对速度辨识性能的影响。然后,进一步分析初级集肤效应和初次级横向错位对标准MRAS速度观测器辨识性能的影响。在此基础上,基于二阶超螺旋算法对MRAS参考模型进行改进,利用主滑模面和辅助滑模面对次级磁链观测的干扰项进行补偿,同时抑制由于滑模算法引入的系统抖振,提高了速度观测器的鲁棒性和动态性能。最后,搭建仿真和硬件在环实验环境进行算法验证。实验结果表明:励磁互感及其他电机参数随边端效应修正因子变化,标准MRAS观测器在突加负载、引入测量误差和电机参数突变的工况下,速度辨识误差明显;改进的MRAS观测器能够实现直线感应电机速度的快速、准确辨识,基于该速度观测器的矢量控制策略,在突加负载、引入测量误差和电机参数突变的工况下,控制性能满足设计要求。研究结果能为轨道交通直线感应电机无速度传感器牵引驱动系统的研究提供一定借鉴。

偏斜转子槽形感应电机正反转性能差异的研究

转子槽形沿径向偏斜后的电机电磁性能受电机转向影响。为减小偏斜转子槽形电机正反转时的性能差异,提出一种槽身偏斜槽形,保证槽形的槽口区域轴对称。基于转子槽漏磁模型,对比径向偏斜与槽身偏斜槽形,探讨槽形偏斜后的等效磁路变化,以及转子槽漏抗与主电抗参数随偏斜距离的变化规律。利用冻结磁导率法隔断主磁通的气隙路径,假设由槽内导体电流产生的转子漏磁场仅包括槽漏磁场,计算电机正反转下不同槽形偏斜距离时的槽漏抗值,并根据等效电路模型计算相应的主电抗值。最后,仿真计算两类偏斜转子槽电机的输出转矩与功率因数,结果表明转子槽身偏斜电机正反转时的性能接近,而且受槽形偏斜距离的影响较小。偏斜转子槽形的不对称槽口区域是引起电机正反转性能差异的主要原因。

基于ICEEMDAN与POA-SVM的感应电机故障诊断

针对感应电机定子电流故障特征提取困难,支持向量机(SVM)惩罚系数c和核函数参数g的选择对诊断结果影响较大等问题,提出一种改进自适应噪声平均总体经验模态分解(ICEEMDAN)与鹈鹕优化算法(POA)优化支持向量机(POA-SVM)相结合的感应电机故障诊断方法。首先,利用ICEEMDAN经陷波器滤除工频的定子电流获得一系列固有模态函数(IMF);然后,选取各状态信号的前7阶IMF分量并计算能量熵作为故障特征向量;最后,将故障特征向量输入POA-SVM模型得到诊断结果。通过仿真软件Ansoft/Maxwell建立电机模型来获得电流数据,诊断准确率达到了100%,实现了感应电机的故障诊断。为进一步验证诊断方法的优越性,搭建电机故障模拟试验台来采集电流信号,结果表明,该方法在空载、半载和满载3种负载情况下诊断准确率均可达到97.5%以上,与其他故障诊断方法相比,所提方法对感应电机电气故障具有更好的识别能力。