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。

基于开口变压器法的交流电机定子非激励相绕组匝间短路检测研究

为了解决交流电机定子绕组中线圈绝缘损伤引起匝间短路故障无法准确、快速定位的问题,提出将检测转子绕组匝间短路的开口变压器法移植到检测交流电机定子绕组匝间短路,定子单相添加激励源,非激励相绕组设置故障点,开口变压器检测故障点所在槽,分析故障前后开口变压器绕组感应电动势的变化。首先阐述开口变压器检测定子非激励相的工作原理,分析正常和故障状态下通过开口变压器铁心漏磁通的表达式,进一步得到开口变压器绕组感应电动势表达式,获取故障变化规律。随后建立交流电机电磁仿真模型,进行仿真分析,最后用一台定子样机进行实验验证。结果表明:故障状态下,随着故障程度的加深,故障点所在槽的开口变压器感应电动势随之减小,证明了开口变压器可以作为离线检测交流电机定子非激励相绕组匝间短路故障的有效手段。

基于Kriging代理模型的无刷双馈发电机转子优化设计

无刷双馈发电机由于其自身没有电刷、滑环等结构特点,因此被认为是最有希望成为风力发电系统的主流发电机之一。无刷双馈发电机是依靠转子的磁场调制机理实现机电能量转换,其转子的耦合能力是影响电机性能的重要因素。因此本文提出了一种串联笼条辅助磁障转子的新型转子结构,分析了该种转子不同结构参数对电机性能的影响,并提出一种基于Kriging代理模型的多目标差分进化算法的无刷双馈发电机转子优化设计方法。首先建立该种新型转子的参数化模型,通过Kriging代理模型建立优化变量与优化目标之间的响应关系,再利用多目标差分进化算法找到最优的变量组合,最后通过有限元仿真对电机的性能进行分析。

孤岛微电网多虚拟同步发电机频率无差协调控制策略

传统虚拟同步发电机的频率控制为有差控制,且虚拟惯量的引入使得虚拟同步发电机呈现二阶振荡特性,导致孤岛微电网多虚拟同步发电机并联系统在受到负荷扰动时面临频率偏移和有功超调的问题。针对此,提出了一种多虚拟同步发电机频率无差协调控制方法。该方法包含了兼具有功精确分配的频率无差调节控制和阻尼改进控制两部分,通过利用母线频率全局一致的“通信”效果,以分散式的形式协调系统内各台虚拟同步发电机,可主动消除微电网频率稳态偏差且实现各台虚拟同步发电机按照容量承担负荷有功功率,并抑制系统的有功超调。最后,通过仿真和实验验证了所提控制方法的有效性。

基于加速退化试验的漏电信号调理电路性能退化及可靠性研究

在电子电路服役过程中,元器件退化会引起电路输出特性变化,降低电子电路的可靠性。漏电信号调理电路作为一种电子电路,其可靠性直接决定了漏电断路器的可靠性。以漏电信号调理电路为研究对象,首先基于灵敏度分析方法确定影响电路性能退化的关键元器件,并对漏电信号调理电路进行了以温度为加速应力、动作电流值为退化特征量的恒定应力加速退化试验;其次根据不同温度应力下的试验数据建立基于Wiener过程的漏电信号调理电路性能退化模型,并利用极大似然估计法求取退化模型的未知参数,进而得出寿命预测的概率密度函数和可靠度函数;最后利用阿伦尼斯(Arrhenius)方程外推出正常应力下漏电信号调理电路的预测寿命。相关结论可为不同电子电路的寿命预测及可靠度分析提供支撑。

绝缘轴承对变频电机高频轴电流的抑制机理与效果

随着功率半导体器件的发展,脉宽调制技术被广泛应用于变频电机调速系统,显著提高了电机的动态性能,同时也带来了严重的轴承电蚀问题。绝缘轴承具有安装便捷、可靠性高的优点,是目前轨道交通、风力发电等行业主要采用的电蚀抑制措施。但是绝缘轴承对于变频器引起的高频轴电流的抑制机理、抑制效果及其与绝缘涂层参数之间的关系,有待于进行更深入的理论和实验研究。该文分析了变频电机轴电流的产生机理,建立了考虑绝缘涂层参数的变频电机轴电流等效电路模型;分析了全膜润滑稳态过程和放电击穿瞬态过程中,绝缘轴承对于轴电压和轴电流的抑制效果,以及涂层厚度、介电常数对抑制效果的影响。搭建了变频电机轴电流测试平台,进行了绝缘轴承和普通轴承的对比实验。仿真和测试结果表明,采用绝缘轴承可以降低润滑油膜上所承载的一部分电压,可以大大减小轴电流的击穿次数及幅值。

基于比例谐振内模扩张状态观测器的PMLSM推力波动抑制策略

定位力是永磁同步直线电机(PMLSM)产生推力波动的主要原因,导致振动和噪声,恶化驱动系统运行性能。针对这一问题,该文提出一种基于比例谐振内模扩张状态观测器(PR-IMESO)的PMLSM推力波动抑制策略以提高系统控制精度和运行性能。首先,对PMLSM推力波动进行建模与分析,针对推力波动中占比较大的定位力分量,根据内模原理研究考虑定位力模型的内模扩张状态观测器(IMESO),并在观测器中引入谐振项以加强对二次脉动定位力的抑制。所提出抑制策略对PMLSM定位力具有良好的观测及补偿能力,还可对其余未建模的复杂动子推力波动进行抑制,具有较好的推力波动整体抑制效果。最后,在一台750 W的PMLSM实验平台上验证所提出抑制策略的有效性。

基于ADE优化的IPMSM全速域无传感器控制

为了实现内置式永磁同步电机(IPMSM)全速域的无传感器控制和切换速域的平滑过渡,提出了一种基于自适应差分进化(ADE)算法优化的复合控制方法。分别在零低速域、中高速域采用旋转高频电压注入法和滑模观测器法来对电机转速和转子位置进行估算,并在切换速域采用基于ADE算法的权重系数优化法来实现上述两种控制方法的平滑切换,从而实现IPMSM全速域无传感器控制。仿真结果表明:提出的复合控制方法能够实现电机全速域的无感控制和切换速域的平滑过渡,且具有良好的稳定性。

基于高频正交方波注入法的永磁同步电机控制研究

针对传统高频注入法解调过程复杂和观测精度受非理想因素时延影响的不足,提出一种基于高频正交方波注入法的零低速位置估计方法。首先,考虑估计旋转轴系注入的低可靠性,选择将高频信号注入静止轴系,采用简单代数运算提取出高频响应电流,通过解调正向虚拟高频响应电流初步估计转子位置;然后,针对主要非理想因素进行影响分析,在此基础上,通过解调负向虚拟高频响应电流提取出相位滞后角,完成补偿;最后,为避免启动阶段位置收敛错误,通过获取电感变化趋势判断出磁极极性。实验结果表明,所提算法在各类工况均能稳定收敛,且最大平均误差不超过1°,说明了算法的抗扰性以及准确性。

基于简化有限集模型预测电流控制的五相PMSM统一容错控制

在五相永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor,PMSM)中,有限集模型预测容错控制(finite control set model predictive fault tolerant control,FCS-MPFTC)存在计算量大、电流谐波含量高等问题。因此,该文提出一种简化FCS-MPFTC来实现相开路和短路故障情况下的统一容错控制。首先,将模型预测电流控制的电流代价函数等效转化为电压代价函数,并采用无差拍方法通过电流模型计算出参考电压。然后,基于抑制三次谐波电流为0的原则合成虚拟电压矢量(virtual voltage vector,V^(3));通过重构V^(3)和扇区,以直接获得参考电压矢量对应的最优电压矢量。最后,对传统和简化FCS-MPFTC在开路和短路故障下进行对比实验。结果表明,所提策略能够有效减小故障后计算量、转矩脉动以及电流谐波含量。

基于端部绕组模块的定子励磁无刷电机冷却方法

为了提升定子励磁无刷电机的冷却能力,提出了一种基于端部绕组模块的定子励磁无刷电机冷却方法.在电机端部绕组和定子铁芯叠片端部的间隙中插入端部绕组冷却(EWC)模块,以减小定子绕组热点区域和冷却介质之间的间隙,从而提高端部绕组的冷却能力.对非重叠式集中绕组长度计算模型进行改进,评估采用EWC模块前后电机定子电枢绕组长度的变化,分析EWC模块的电导率对电机定子损耗的影响.采用计算流体动力学(CFD)模型,对比EWC模块在不同铜耗和励磁源损耗密度下的冷却性能.结果表明,采用EWC模块可以使端部绕组的稳态温升降低约50%,热态时的绕组电阻降低7.51%,从而改善了定子的冷却条件.

基于变载波频率的永磁同步电机驱动系统效率优化控制

为降低永磁同步电机驱动系统的损耗,提高系统效率,提出了一种基于母线电流反馈的变载波频率优化控制方法.首先,建立了系统损耗数学模型,探究了载波频率与系统损耗的关系.然后,针对离线优化方法对于参数敏感的问题,设计了一种基于母线电流反馈的载波频率在线寻优方法.结果表明,在不同转速与负载条件下均存在使系统损耗最小的最优载波频率,其随转速与负载条件变化而变化.在各个工作点,系统损耗的计算值均与实测值基本吻合.在线寻优方法在中高负载情况下能够实现约0.6%的效率优化,并且在负载变化的情况下仍然能够实现损耗优化.

低复杂度永磁同步电机三矢量固定开关频率模型预测电流控制策略

针对传统永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)三矢量模型预测电流控制(three-vector model predictive current control,TV-MPCC)存在开关频率不固定和计算复杂的问题,提出一种固定开关频率TV-MPCC策略。利用前一周期的零电压矢量和参考电压矢量所在扇区来快速筛选所需最优电压矢量和次优电压矢量,避免了无效枚举计算,从而降低了开关频率和计算复杂度。引入系统d和q轴电流差参数,计算各电压矢量的作用时间,确保电压矢量作用时间恒大于零和开关频率固定。以三相两电平电压型逆变器驱动的表贴式PMSM为被控对象,通过仿真和实验对传统TV-MPCC策略和所提三矢量固定开关频率模型预测电流控制策略进行对比研究,仿真和实验结果表明,所提策略在保证系统稳态和动态性能的基础上,在固定和降低开关频率的同时,降低了计算复杂度。

采用改进遗传算法优化LS-SVM逆系统的外转子无铁心无轴承永磁同步发电机解耦控制

为了实现外转子无铁心无轴承永磁同步发电机(outer rotor coreless bearingless permanent magnet synchronous generator,ORC-BPMSG)的精确控制,提出一种基于改进遗传算法(improved genetic algorithm,IGA)优化最小二乘支持向量机(least square support vector machine,LS-SVM)逆系统的解耦控制策略。首先,基于ORC-BPMSG的结构及工作原理,推导其数学模型,并分析其可逆性。其次,建立LS-SVM回归方程,并采用IGA优化LS-SVM的性能参数,从而训练得到逆系统。然后,将逆系统与原系统串接,形成伪线性系统,实现了ORC-BPMSG的线性化和解耦。最后,将提出的控制方法与传统LS-SVM逆系统控制方法进行对比仿真和实验。仿真和实验结果表明:所提出的控制策略可以较好地实现ORC-BPMSG输出电压和悬浮力、以及悬浮力之间的解耦控制。

考虑系统稳定边界的同步调相机励磁与升压变参数联合优化

现有提升调相机动态无功特性的参数优化方法侧重于电磁参数的优化,这给生产企业带来较高的工艺要求和较大的成本压力。针对该问题提出考虑系统稳定约束的调相机励磁系统及升压变参数联合优化方法,分析其对电磁参数优化的可替代性。首先,推导了基于Park模型下调相机的无功频域特性,与6阶实用模型下的无功频域特性对比,基于调相机的Park模型可提升调相机动态无功特性的分析精度。然后,提出根据调相机并网系统的稳定边界确定参数的优化区间,采用频域灵敏度方法确定重点参数,并基于人工鱼群算法进行参数优化。最后,通过仿真结果表明,励磁系统与升压变参数的联合优化,可获得与仅优化电磁参数时相近的调相机动态无功性能,验证了电磁参数优化的可替代性,从而降低调相机的制造成本,扩大同步调相机的应用场合和范围。

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.

基于广域测量的汽轮发电机励磁反步控制方法

由于汽轮发电机励磁反步控制过程中没有实时获取发电机的运行数据,致使电机励磁反步控制效果较差,为此提出基于广域测量的汽轮发电机励磁反步控制方法。通过广域测量系统的同步相量测量单元,实时采集汽轮发电机功角与电流等运行数据,将采集的运行数据变更成标幺值形式,根据该形式建立汽轮发电机励磁控制的数学模型,获取励磁反步控制变量,并结合反步法,设计汽轮发电机励磁反步控制器,通过径向基函数神经网络估计控制器内的扰动,完成控制器扰动补偿。实验结果表明:该方法可精准采集汽轮发电机运行参数,有效反步控制汽轮发电机励磁,令汽轮发电机功角与转子角速度等迅速恢复至稳定状态,具备较优的反步控制效果;应用该方法后,可确保电网运行稳定性,降低故障后电网切机量。

高温超导直线同步电机电磁力仿真与实验研究

无铁芯超导直线同步电机(superconducting linear synchronous motor,SLSM)具有推力密度高、工作气隙大等优势,是超导磁浮列车的动力核心。由于会不可避免地受到弯道、道岔、横风和电源谐波等因素的影响,磁浮列车在运行过程中将发生多自由度运动,使电机次级姿态发生滚转或偏移,致使超导直线电机的电磁力性能发生改变,进而影响列车的运行稳定性。针对多变电机次级姿态下高温超导直线同步电机的三维力特性展开研究,首先分析悬浮车体多自由度运动对直线电机次级姿态的影响,并建立计算SLSM三维电磁力的有限元模型;其次,通过搭建超导同步直线电机样机,实验验证模型的有效性;最后,基于该模型研究无铁芯SLSM次级在发生横向偏移、法向偏移、侧滚、俯仰以及偏航条件下的三维电磁力输出特性及其变化规律,为超导磁浮列车运行性能优化提供了理论依据。

面向新型电力传感器的能量收集技术

电力传感器作为能源互联网的关键基础设施,其持续稳定的电力供应是保证能源互联网高效运行的前提。然而,传统供电方式存在诸多局限。全面梳理了面向新型电力传感器的能量收集技术,包括振动能量收集、温差能量收集、光伏能量收集和电磁能量收集等,这些技术利用环境中的分布式能源,通过不同的转换机理为传感器提供电力,有望解决供电难题。阐述了各种能量收集技术的应用现状,分析了目前所面临的关键技术挑战,如能量转换效率低、工作条件要求苛刻、器件可靠性和集成度有待提高等;探讨了未来能量收集技术的创新方向,包括开发新型高性能材料、优化器件结构设计、使用复合式收集技术等,以期实现更高的能量利用效率,满足新型电力传感器的实际需求,推动智能电网等相关领域的技术创新。

基于信赖域模型管理技术的永磁同步电机多目标优化

针对永磁同步电机多目标优化过程中要反复调用耗时的仿真分析且在整个设计域构建代理模型精度低的问题,提出基于信赖域模型管理技术的永磁同步电机多目标优化算法,该算法将整个设计域划分为一系列信赖域,在信赖域上构建径向基函数代理模型并采用微型多目标遗传算法近似优化,降低多目标优化中代理模型的精度要求。通过代理模型与电磁仿真模型的近似程度来调节信赖域的大小,通过缩放和平移信赖域,引导各个电机目标性能逐步逼近Pareto最优前沿面,加快收敛速度。为了进一步减少有限元仿真次数,引入遗传智能布点技术,通过样本遗传策略,遗传落在下个信赖域上的样本。通过算例验证了该算法具有较强的求解永磁同步电机多目标优化问题的能力及较高的求解效率。