Stator-Flux Oriented Continuous Control of Torque in Induction Motors

This paper analyzes dynamic equivalent circuit of induction motor and the relationship among inner fluxes, then presents a direct stator flux oriented continuous torque control (DSFOCTC) scheme of induction motor , which uses stator current vector control instead of voltage vector control. As a combination of direct torque control (DTC) and flux oriented vector control, it achieves round stator flux and continuous dynamic torque control resulting in less torque ripple than that in DTC. It reduces the dependence on rotor parameters, and is especially insensitive to rotor resistance. Finally, an induction motor speed control system incorporating this novel scheme is given and checked by simulation.

基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断研究

该文提出一种基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断方法。首先,建立电机的d轴等效磁路模型,分析均匀退磁故障后径向气隙磁密的变化规律;然后,获取电机的径向气隙磁密和定子电流信号,对各极下径向气隙磁密幅值进行归一化处理,并绘制雷达图,根据雷达图和比较相同定子电流幅值下健康电机和故障电机的各极下径向气隙磁密幅值的平均值,来诊断均匀退磁故障;利用空载各极下径向气隙磁密幅值的平均值计算故障程度。最后,仿真和实验结果均验证所提均匀退磁故障诊断方法的有效性。

气隙偏心对同步发电机定子绕组温升特性的影响

为了分析同步发电机气隙偏心对定子绕组的铜耗及温升的影响规律。首先理论推导了正常情况和偏心下的磁通密度及相应的铜耗,分析了绕组的温升特性;然后建立了CS-5型故障模拟发电机的三维有限元模型,计算得到了发电机在不同负载和不同故障程度下定子绕组的铜耗和温度变化规律;最后在CS-5型故障模拟发电机上对定子绕组温度进行了实测,所得实验结果和仿真数据与理论分析结论基本一致。研究发现:定子绕组直线段温度高于端部温度;定子绕组的铜耗和温度在气隙偏心工况下均高于正常情况,且随着偏心量和负载的增加呈现升高趋势;在静偏心下靠近小气隙一侧的绕组温度高于其他部位。

异步机定子磁势磁密关系研究

提出了磁势导密法,并据此论证了基波磁势能够同时产生基波磁密和谐波磁密;谐波磁势可能同时产生谐波磁密和基波磁密。

智能跑步机异步电机变频调速直接转矩控制

因智能跑步机控制系统存在延时的问题,导致跑步机的运行损耗高、效率低。为此,提出智能跑步机异步电机变频调速直接转矩控制方法。分析异步电机的变频调速效果,构建跑步机控制约束,将模型预测直接转矩控制算法作为非线性内部控制器的控制算法,估计定子磁链后预测定子磁链和电磁转矩,建立合适的目标函数,并采用末端输出控制法获取定子磁链和电磁转矩参考值,对跑步机系统延时加以补偿,完成智能跑步机异步电机变频调速直接转矩控制。实验结果表明,所提方法控制下的智能跑步机振幅曲线波动最小,电磁转矩在(0.5~1.5)N·m之间,稳定后的运行损耗和运行效率控制在67 W和0.77%左右,可有效减小跑步机的电磁转矩脉动,降低运行损耗,提高运行效率,且具有良好的平稳性。

新型双定子双凸极可变磁通记忆电机设计与性能比较

结合双凸极结构、双定子和混合永磁体的特点,提出了三种新型双定子双凸极可变磁通记忆电机(DS-DSVFMM)。通过采用高矫顽力和低矫顽力两组永磁体,实现了电机的高转矩密度和在线调磁功能。为了充分利用电机的内部空间,高矫顽力和低矫顽力永磁体以及调磁绕组都被放置在内定子中。建立该电机的简化等效磁路模型,并分析其磁通调节原理和特性;对三种不同结构DS-DSVFMM的调磁能力、负载转矩和抗退磁性能进行了研究和比较。对T形DS-DSVFMM进行加工和测试,并通过实验验证了该电机结构及其有限元分析的正确性。

定子结构优化对盘式电机齿槽转矩的影响分析

齿槽转矩会恶化电机性能,为削弱盘式永磁电机齿槽转矩,文章提出了定子偏移和不等定子齿靴两种结构优化方法。首先通过能量法与傅里叶分解推导出轴向电机齿槽转矩公式,进行定子槽口宽度优化得到原模型的最小齿槽转矩;然后用公式推导计算与有限元分析,得到定子偏移结构的偏移角度;最后通过理论分析和仿真计算得到基于最小齿槽转矩的不等定子齿靴扩张宽度比,不等定子齿靴结构可使定子上下两侧的齿槽转矩相互抵消。对比结果表明,不等定子齿靴结构对齿槽转矩削弱效果最好,当扩张宽度比取1.2时,齿槽转矩降低71%。

一种基于间接定子量的牵引电机三电平控制技术应用研究

为满足大功率牵引电传动应用场景对电机输出转矩高精度、快响应等要求,文章提出一种基于间接定子量控制(Indirect Stator Quantities Control,ISC)的牵引电机三电平驱动控制方法。首先,结合ISC控制特点和异步电机模型提出了一种动态弱磁控制方法,保证了电机在高速弱磁区转矩的高动态响应。其次,为有效解决传统三电平算法存在的中点电位不平衡问题,根据中点箝位型(Neutral Point Clamped,NPC)三电平逆变器不同开关矢量对中性点电位的不同作用,基于电荷周期平衡精准计算和比例积分(Proportional Integral,PI)控制器原理,提出了一种具有平衡精度高、抗干扰性能强的新型中点电位平衡控制策略。最后通过仿真研究与某轨道交通大功率异步电机对拖试验测试,试验结果表明文章所提出的控制方法具有高动态响应、高中点电位平衡度、高转矩控制精度等优点。

双层凸极型PCB定子AFPM设计优化

AFPM是当前研究热点,本文将一种新型的凸极型Halbach永磁阵列应用于该电机中,阐述了其结构与优点。借助三维有限元软件建立初步的参数化模型,进一步联合Workbench与Optislang仿真,通过GA进行全局多目标优化得到最优设计方案。优化后的新型永磁体阵列与相同尺寸的常规Halbach结构相比,减少了永磁体用量,降低了电机生产成本,提高了单位永磁体产生的基波磁密幅值和气隙磁密波形的正弦性。在保证理想的气隙磁场磁密大小情况下加入价格低廉的软磁材料降低了电机成本,为轴向磁通永磁电机的设计提供一定的参考。

新型Halbach阵列盘式永磁电机的磁场解析

基于印制电路板(PCB)技术的盘式永磁电机(AFPMM)提出一种新型Halbach阵列的转子结构,该阵列结构简单、易于优化。运用矢量磁位法对新型转子产生的空载气隙磁密进行解析推导,获得关于气隙磁场的数学模型。基于该模型,保持永磁体总用量不变,以永磁体极弧系数比和径向长度比作为优化变量,气隙磁密基波幅值和谐波畸变率作为优化目标,确立最优转子结构参数。三维有限元仿真结果表明,解析法所得的气隙磁密波形与有限元法基本一致,验证了所提出解析模型的合理性。与传统Halbach阵列相比,新型Halbach阵列气隙磁密基波幅值提升了10.3%,同时谐波畸变率由19.8%降至4.8%,优化效果明显,可以有效降低高频工况下电机的涡流损耗、提升电机效率。最后制造一台样机进行相关实验测试,验证了解析和仿真分析的正确性,对PCB定子AFPMM的设计具有一定参考价值。

一种永磁同步电机效率优化控制策略研究

为提升永磁同步电机的效率指标,提出一种基于跟踪微分器的效率优化控制策略,该策略通过建立损耗模型,分析损耗功率与定子磁链的极值关系,在直接转矩控制下重构损耗功率函数,将损耗功率函数的电机参数个数降到最少,利用跟踪微分器来求解永磁同步电机不同运行工况下的最优定子磁链。该控制策略不仅能实现控制系统的全局效率最优,而且具有良好的动态特性和较强的鲁棒性。通过与传统损耗模型控制策略进行仿真实验结果对比分析,验证了所提控制策略的有效性。

基于优化PWM的定子磁链轨迹跟踪控制研究

在异步电机的高性能控制方案中,为了降低开关损耗,采用优化脉宽调制(PWM)实现低开关频率下较小的电流谐波畸变。但在调制模式频繁切换时,优化PWM会产生电流和转矩冲击。因此,研究了将优化脉冲在线移位的闭环定子磁链轨迹跟踪控制方法,提出了由基于自控电机的降阶观测器与电机电流模型观测器组成的双观测器模型,实现了基波分量观测。结合电流谐波最小脉宽调制(CHMPWM)开关角,利用其重构参考磁链与实际磁链的差值,实现定子磁链轨迹跟踪。提出了无差拍下修正开关角小于2时的脉冲模式调整方案,消除了系统的动态调制误差,实现了低开关频率下异步电机的高性能控制。在开关频率为300 Hz以下的NPC型三电平逆变器上的仿真和试验证明了定子磁链轨迹跟踪控制策略的有效性。

定子无铁心轴向磁通永磁电机的绕组损耗与效率研究

定子无铁心轴向磁通永磁电机没有定子铁心,具有输出转矩平稳、质量轻、装配简单等优势,但同时也存在绕组涡流损耗大的问题。基于利兹线绕组,对定子无铁心轴向磁通电机的绕组涡流损耗进行了分析,给出了绕组涡流损耗计算的解析公式与有限元结合的非均匀分层混合计算模型,并通过简化的全绕组三维有限元模型,验证了混合计算模型的正确性和有效性。研究了以电机效率最大化为目标的利兹线规格选型方法。由于利兹线的实际制造工艺的问题,对电机效率进行了计算和分析,并给出了利兹线选型相关的定性结论。

基于数字孪生技术的牵引电机低转矩脉动虚拟控制方法研究

针对牵引电机存在的高转矩脉动问题,研究了基于数字孪生技术的牵引电机低转矩脉动虚拟控制方法:设备层获取物理实体牵引电机运行数据后,经通信接口将数据传输至数据层存储;软件层调用数据层中的数据,采用Unity 3D软件完成牵引电机由物理实体到虚拟的数字孪生,构建牵引电机虚拟机三维模型,并通过显示层虚拟仿真平台展示虚拟模型及相关数据,操控者从虚拟仿真平台观察、分析虚拟模型及相关数据后,利用连续型定子磁链轨迹的控制方法,在牵引电机转速增加的情况下,通过连续转换定子磁链轨迹来降低牵引电机的转矩脉动,完成牵引电机的低转矩脉动虚拟控制。试验结果表明:构建的牵引电机虚拟机模型与物理机实体结构相同,仿真度较高,可利用以虚控实,降低牵引电机的转矩脉动,消除转矩失控的情况,保障牵引电机的安全运行。

新型双定子交替极永磁电机宽调速电流控制研究

传统永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)因恒定永磁励磁而扩速困难;新型双定子交替极永磁(dual-stator consequent-pole permanent magnet,DSCPPM)电机,兼具双定子及混合励磁电机优势而更适合高转矩宽调速应用。此外,电流解耦控制器及电流分配策略是实现电机宽调速控制的关键。因此,该文提出一种适合DSCPPM的内模电流控制器,通过滤波带宽的单参数设计,实现复杂电机模型电流解耦控制及动态调节,显著降低多电流控制器参数整定难度。同时,该文提出一种宽调速电流分配策略,其将电机全速域分为恒转矩区、弱磁一区以及弱磁二区,分别以最大转矩电流比、最短路径以及最优弱磁电流为目标对电流轨迹进行优化,来实现电机宽调速运行。最后,通过样机实验结果验证所提控制策略的有效性。

轴向磁通永磁轮毂电机转矩密度分析

本文从设计角度出发分析轴向磁通永磁轮毂电机转矩密度提高方法,首先推导轴向磁通永磁轮毂电机转矩密度的解析表达式,分析不同拓扑结构转矩密度的优劣,通过定子多环磁路解析法分析轮毂电机中内径、外径等不同位置的齿部、轭部磁密规律。然后通过有限元软件,建立轴向磁通永磁轮毂电机三维仿真模型,分别研究了不同定子裂比、轭高占比、齿宽占比和空载气隙磁密的轴向磁通永磁轮毂电机转矩密度规律,通过试验验证了计算方法的正确性及准确性。

无磁轭轴向磁通风力发电机多目标偏好优化设计

为了实现小型风力发电机的高性能及微风启动,将3D打印赛钢塑料与混合Halbach阵列、模块化弹性定子铁心结合,提出一种无磁轭模块化轴向磁通风力发电机。根据设计要求,分析不同材料的重量,确定了电机的初步方案。在目标约束的基础上,以感应电动势波形畸变率为主要偏好,感应电动势、齿槽转矩为次要偏好进行优化设计。采用了改进的多目标遗传优化算法及响应面法对电机进行了多目标偏好优化,并与无偏好的优化结果对比,体现了偏好优化的优势。最后,通过有限元仿真及样机实验验证该电机性能。

基于超螺旋算法的永磁同步电机变结构自抗扰控制设计与验证

针对永磁同步电机直接转矩控制(direct torque control,DTC)存在较大的磁链,转矩脉动以及在低速运行段控制效果不佳等问题,提出了基于超螺旋滑模(super-twisting sliding mode,STSM)的变结构自抗扰控制(active-disturbance rejection controller,ADRC)调速方法.首先,设计基于幅值、相位补偿与死区补偿的定子磁链观测器,以解决直流漂移、积分饱和与开关时延的问题.其次,将传统直接转矩控制系统中的磁链环和转矩环上的滞环控制器替换成超螺旋滑模控制器以减小磁链和转矩脉动问题.再次,将变结构的思想引入到扩张状态观测器(extended state observer,ESO)的设计中,在速度环上设计了一种变结构自抗扰控制器.最后,通过搭建调速系统实验平台,对PI+STSM、ADRC+STSM与所提的变结构ADRC+STSM 3种控制方法开展对比实验,结果表明所提出方法的有效性和优越性.

双馈水轮发电机系统的快速功率响应控制技术

该文将快速功率响应控制技术应用到双馈水轮发电机系统中,探究该技术对提升系统有功功率响应速度和保持系统变频恒速运行带来的影响,首先介绍了转子侧励磁电流控制方式和快速功率响应控制策略,随后分析了水轮机非线性模型参数的选取要求与PID控制模式。在此基础上,使用电磁暂态仿真软件PSCAD构建了双馈水轮发电机仿真系统,该系统采用水轮机调节子系统和转子侧励磁子系统的联合控制,并与传统的功率主控法进行了对比。从仿真实验结果来看,使用改进控制方法的水轮发电机系统,有功功率响应时间明显缩短,响应速率提升了50%,可以用更短的时间实现变频恒速运行,达到了设计预期。

高速磁浮列车长定子直线同步电机铁耗分析

常导高速磁浮列车采用长定子直线同步电机(LLSM)驱动,其定动子铁耗与运行速度紧密相关,准确计算铁耗并分析其影响因素对更高运行速度的磁浮列车非常重要,本文基于有限元分析了LLSM的铁耗。根据磁场特性为LLSM建立了三种仿真模型,分别计算没有被动子覆盖区域的定子铁心磁场和被动子覆盖区域端部、中间的定动子铁心磁场,采用快速傅里叶变换得到了磁通密度基波和高次谐波分量;基于通用铁耗分立计算模型计算了各次磁通密度分量产生的铁耗,再根据叠加原理把三个区域磁通密度分量产生的铁耗相加就可以计算得到一段1.2 km长定子下LLSM的铁耗;对比不同速度下的铁耗得到了运行速度对铁耗的影响规律,同时也分析了铁心材料对铁耗的影响。结果表明,长定子铁耗主要由磁通密度的基波和5次、7次谐波产生,而动子铁耗则主要由齿槽效应引起的6次谐波磁通密度产生,两部分铁耗都随着运行速度的提高而快速增大。