基于复合超材料的多种结构的太赫兹频率开关

超材料可以应用于调制器,能够吸收特定频率的太赫兹波。然而当超材料的结构参数一旦确定,就只能在特定的共振频率产生完美吸收。设计了三种复合超材料结构探究复合超材料的共振,这三种结构的超材料均以石英为衬底,在该基底上加工一层具有开口的金属谐振环。三种结构分别是单开口的金属谐振圆环,单开口的金属谐振方框和不对称双开口的金属谐振方框。在三种结构的开口中填入光敏材料氧化铟,改变氧化铟的电导率对这些复合超材料结构的太赫兹的调制特性进行了研究,同时对三种结构太赫兹频率开关的不同共振频率的电场分布进行了数值模拟。对于单开口不同形状的金属谐振环,共振频率不同,但都随着氧化铟电导率的增加,共振峰的吸收强度逐渐减小,从对应的电场分布图中可以看到,随着氧化铟电导率的增加,间隙边缘处的场强越来越弱,谐振峰吸收强度也就越来越弱,这个过程可以被认为是太赫兹波在共振频率的动态开关。对于不对称双开口的金属谐振方框,在偏离金属框中央处的开口填入氧化铟,这个结构可以看到两个谐振峰,随着电导率的增加,一个谐振峰吸收强度逐渐减弱,而另一个谐振峰吸收强度无明显变化,由此可得吸收强度随电导率增加而减弱的谐振峰为法诺共振,而另一个吸收强度一直无明显变化的谐振峰为偶极共振。从对应场分布图可以看到,法诺共振入射的太赫兹波的能量主要集中在金属谐振环的右侧金属臂上,而且随着电导率的增大,右侧金属臂的间隙处积累的电荷越来越多;而偶极共振入射的太赫兹波的能量主要集中在金属谐振环的左侧金属臂上,电导率增加,偶极共振的电场分布无明显变化。

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。

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.

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。

考虑电感饱和的逆变器变开关频率控制仿真

不当操作会导致电感饱和状态下逆变器功率损耗严重,为了提升频率控制的稳定性,提出考虑电感饱和的逆变器变开关频率控制方法。根据逆变器的构成获取相关参数的矢量关系,利用基尔霍夫电压定律生成电感饱和状态的逆变器数学模型,通过旋转构建逆变器在dp坐标系下的数学模型,用于预测推导逆变器的电压值。设计开关控制的三大核心成分,分别为功率鉴定器、频率鉴定器和频率滞环比较器,利用电压定向矢量控制方法分别从三个核心成分中得出逆变器的损耗、功率控制结果以及频率状态量误差,完成逆变器变开关频率控制。实验结果表明,所提方法的电压控制效果较好,频率控制稳定性较高。

基于改进PWM的低开关频率SPMSM电流纹波抑制

传统SVPWM由于其电压利用率高等优点被广泛应用在电机控制中,然而随着开关频率的降低,输出电流纹波会加剧,其将面临系统损耗增加、输出转矩脉动等问题,对系统稳定性和动态性能带来不利影响。针对这一问题,本文提出了一种基于改进混合PWM的电流纹波抑制策略。通过构建静止坐标系下的电流纹波矢量模型,分析了低开关频率下的纹波加剧的原因。通过分析电压矢量作用时间和顺序与电流纹波之间的关系,选取了两种能够抑制电流纹波的开关序列。通过在线计算不同序列的电流纹波并根据结果切换输出,实现了对低开关频率下电流纹波的有效抑制。搭建了实物实验平台,实践验证了该抑制策略的有效性和可行性。

MMC低开关频率的自适应降损控制策略

针对半桥型模块化多电平换流器(MMC),本文提出了一种低开关频率的自适应降损策略,解决了最近电平逼近调制(NLM)策略和基于排序算法的电容均压控制策略导致的换流阀功率器件开关损耗较高的问题。首先,分析了MMC内部悬浮电容均压效果与其开关频率间的制约关系,明确实际工程应用对子模块电容电压均衡性的要求,为后续低开关频率的自适应降损控制策略提供理论依据。其次,基于所设置子模块电容电压动态限值、流经子模块的电流方向以及子模块工作状态,确定每个周期内子模块投入优先级,从而减少非必要的子模块附加投切动作,降低子模块开关频率。然后,利用线性插值方法,实现不同系统传输功率下子模块电容电压动态限值的自适应调整,进一步降低子模块开关频率。最后,基于在Matlab搭建的MMC仿真模型,验证了本文所提方法。

低开关频率下基于高频方波电压注入法的永磁同步电机无位置传感器控制策略

文章提出了一种永磁同步电机低开关频率下利用注入的高频方波电压在低速工况下估计转子位置的方法。通过注入电压产生的q轴电流变化量获得估算转子位置误差的结论,设计龙贝格状态观测器利用q轴电流变化量估算转子位置,并给出了一种简单的龙贝格状态观测器零极点的设计方法。试验结果表明,文章所提的无位置传感器控制策略在低开关频率下估算转速与转子位置能准确跟踪真实值。

基于三相逆变器变开关频率和变直流母线电压的PMSM控制

针对三相电压源逆变器应用固定开关频率和额定直流母线电压的空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)驱动方式时存在直流电压利用率低、绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar tran⁃sistors,IGBT)损耗较高的缺点,建立永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)和基于输出周期的IGBT损耗控制模型,在此基础上以输出电流质量为约束条件,以开关频率和直流母线电压为约束变量,应用猫鼬优化算法获得基于输出周期的IGBT损耗最优的开关频率和直流母线电压。对所提出的策略进行仿真和实验,通过比较输出电流总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)、电流波形、IGBT损耗和结温等验证所提策略在保证控制系统性能的条件下降低三相电压源逆变器损耗,增加三相电压源逆变器的可靠性。

永磁同步电机模糊自适应低开关频率模型预测电流控制

在永磁同步电机有限集模型预测控制中没有脉宽调制环节,最优电压矢量直接作用于逆变器,开关频率高。为降低开关频率,拟通过永磁同步电机模型预测电流控制系统的代价函数中,引入权重系数自适应调整的开关频率控制项。首先,建立模型预测电流控制模型,分析运行工况及控制周期对开关频率的影响;其次,在代价函数中引入开关频率控制项,分析开关频率控制项权重系数对开关频率和电机控制性能的影响规律;然后,基于模糊控制理论设计权重系数自适应调整的模型预测电流控制系统,通过检测定子电流和参考电流的控制误差值作为模糊控制的输入量,开关项权重系数作为模糊输出量,实现开关项权重系数的自适应调整。仿真结果表明,模糊自适应开关项权重系数控制方式相比于固定权重系数控制,在转速为500r/min时电流谐波增大0.36%时而开关频率降低1.5kHz左右,在2000r/min时开关频率降低0.8kHz左右。

永磁同步电机双矢量固定开关频率模型预测控制研究

为了解决传统的永磁同步电机双矢量模型预测电流控制中开关频率高、计算量大的问题,提出一种固定开关频率双矢量模型预测控制策略。利用传统的双矢量模型预测控制的参考电压矢量所在扇区的变化规律,通过构造新的电压矢量选择表,将电压矢量的选择范围从7个降为2个;同时提出一种基于d、q轴电压差的作用时间计算方法,以降低计算量和固定开关频率。最后,通过搭建仿真模型和永磁同步电机实验平台,对传统的双矢量模型预测电流控制策略和所提控制策略进行对比分析和验证,仿真和实验结果显示出该文所提控制策略相对传统的双矢量模型预测电流控制策略的优越性,验证了其可行性和正确性。

低开关频率下五电平逆变器双波段特定谐波消除方法

针对低开关频率下传统方法在求解多电平逆变器特定谐波消除(Selective harmonic elimination pulse width modulation,SHEPWM)的非线性方程组时存在初始值选取困难、非线性方程组转化复杂、容易得到局部最优解问题,提出一种新的求解方法。首先利用三角函数公式变换非线性方程组,其次通过设定约束条件将非线性方程组转化为线性方程组进行求解。以五电平U型逆变器(Modified packed U-cells,MPUC)为研究对象,将拓宽调制度的双波段SHEPWM控制方法与新方法结合得到调制度在[0,1.15]的精确解,并将新方法求解与智能算法求解进行对比。对比显示新方法在低调制度下具有更好的总谐波畸变率(Total harmonic distortion,THD)。最后以仿真和试验证明新方法可以有效消除五电平逆变器的五次谐波。

永磁电机电磁振动及变开关频率振动抑制技术试验探究

针对变频器驱动的永磁电机电磁振动特点,采用时域、频域均方根值及1/3倍频程值评价了周期和随机开关频率脉宽调制方案对永磁电机高频电磁振动性能的影响。首先理论分析变频器供电下的电机电磁场和电磁力特性,然后介绍常用的周期开关频率和随机开关频率高频电磁振动抑制原理,最后在一台永磁电机上对两种抑制技术进行全方位的评价和试验验证,结果表明,采用变频器供电时,电机电磁振动会引入显著的开关频率及其倍数附近谐波分量,采用周期和随机开关频率的方案虽然能够降低开关频率电磁振动的幅值,但会增加其他振动频谱分量。相比于传统的固定开关频率方式,无论从整个时域上的均方根值,还是频域上的均方根值和1/3倍频程值,两种技术方案下电机电磁振动均会增加,抑制效果有限。

基于双分频带的新型随机开关频率SVPWM策略

传统固定开关频率空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)技术导致的高次谐波使得电驱动系统电磁干扰问题较为严重,随机开关频率(random switching frequency,RSF)-SVPWM可用于改善此类现象。文中阐述了SVPWM技术与RSF-SVPWM技术的原理,探讨了RSF-SVPWM策略中扩频范围增大对系统的影响。为在扩频范围较小时仍能达到很好的高次谐波分散效果,提出一种基于双分频带的新型RSF-SVPWM策略。该策略以原中心开关频率为中点划分2个局部分频带,设置各自的局部中心频率点与扩频范围;以两相静止坐标系下理想β轴电压分量正负为标准,判断每一开关周期所属具体分频带后,使得开关频率围绕该分频带中的局部中心频率点进行各自的随机化。仿真与实验结果表明,该新型RSF-SVPWM策略相比于较大扩频范围的传统RSF-SVPWM策略,高次谐波分散效果相当,同时可降低系统电流环脉动,使得输出电磁转矩较为平稳,有助于推进电驱动系统在高端行业领域中的应用。

高开关频率功率变换器多速率模型预测控制方法

为保证有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)在功率变换器运行效果,其采样频率一般设定为10~50 kHz。但由于会出现连续多个采样周期输出同一开关状态现象,实际开关频率仅为采样频率的10%~20%,影响控制精度。在SiC、GaN等高速器件应用场景中,一味地提升采样频率实现高开关频率输出,将对数字处理器造成极大地运算负担。针对上述问题,提出一种多速率模型预测控制方法(multi-rate model predictive control,MR-MPC)方法,通过构建低采样输入、高控制输出的双速率MR-MPC离散预测模型,并引入多层次递归优化技术,实现计算负担和控制性能之间平衡。最后,搭建5 kW电机测试平台进行实验验证与分析,MR-MPC继承了传统FCS-MPC处理复杂控制目标的能力,并可在低运算负担条件下,实现输出开关频率多速率倍频,且倍频比例越高,系统动稳态性能越优,不失为高开关频率功率变换器通用型设计方法之一。

电动汽车电机总成开关频率噪声分析与优化

为降低某电动汽车电机总成在开关频率附近产生的高频电磁噪声,减少终端客户的抱怨,在分析电机总成开关频率噪声产生机理的基础上,探讨控制开关频率噪声的方法,提出随机开关频率策略并分析其对开关频率噪声的影响;最后进行台架试验,结果表明采用随机开关频率策略可在不提高开关频率的情况下显著降低开关频率噪声。

基于共同二次Lyapunov函数的频率可控的Boost变换器切换律

针对最小型切换律开关频率过高难以应用于工程实际的问题,建立了Boost变换器CCM运行的切换系统模型,基于共同二次Lyapunov函数提出1种新的切换律。根据切换律的数学表达式,分析变换器的稳态性能及动态性能,描述该切换律对变换器开关频率的调节机制。仿真及实验表明,在该切换律的作用下,Boost变换器开关频率可控,不会出现切换系统特有的芝诺行为,且与现有控制策略相比,变换器的动态性能好,在受到外部扰动时电压波动更小,调节时间更短。

基于电流纹波预测的交错并联三相逆变器任意功率因数全范围软开关策略

随着分布式能源的大力发展,新的并网标准要求并网逆变器具有更宽的功率因数运行范围,实现对电网的无功补偿;同时,为实现高频化及高转换效率,软开关技术是一种重要的途径。因此,文中提出一种基于交错并联三相逆变器拓扑的任意功率因数全范围软开关控制策略。采用断续脉宽调制通过变开关频率来控制电感电流脉动的大小,使开关管开通前开关管的输出电容放电至0,以实现零电压开通(zero voltage switching,ZVS)。首先,分析采用电流脉动预测理论实现ZVS的工作原理;其次,给出不同功率因数下全范围ZVS所需的开关频率自适应运行原则等,基于电流纹波预测理论及负载环境计算和选取开关频率,因此在全范围及全功率因数均可实现ZVS;最后,通过搭建一台3.5 kVA全SiC MOSFET实验样机,验证所提出控制策略的有效性。

低开关频率下的地铁牵引电机定子磁链控制技术

降低开关频率造成地铁牵引电机定子磁链谐波较大,无法保证其安全稳定运行。为此,在低开关频率约束下,提出基于连续型操作的牵引电机定子磁链控制技术。计算旋转磁场和转子的转速差,利用定子电阻、电角速率等参数创建牵引电机等效电路,明确牵引电机运行情况;将定子静止坐标系中的电流与磁链视作变量创建滑模观测器,获得定子磁链当前观测值;运用间接定子量控制法增强牵引电机低速控制能力,推导定子磁链与电磁转矩在静止坐标系中的空间向量;面对中高速运行电机速率,采用连续多磁链控制策略,将磁链轨迹从圆形平滑过渡到多边形,完成平滑的定子磁链闭环控制。实验结果表明,所提方法很好地控制了转矩波动与电流冲击,提高了牵引电机系统的整体控制能力,在长时间工作下依旧能保证地铁可靠运行。

一种低开关频率PWM整流器的满意预测控制策略

结合满意控制和模型预测控制两者的优点,提出一种三电平脉宽调制(pulse width modulation,PWM)整流器的满意预测复合控制方案,实现了低开关频率下PWM整流器的高效运行,进而降低开关损耗、抑制电磁干扰。给出三电平PWM整流器的离散数学模型,分析其模型预测控制的实现方法,着重探讨满意预测控制器的设计,并给出PWM整流器隶属度的模糊判决方案。针对三电平拓扑存在的高du/dt冲击问题,给出其对应优化开关序列,消除du/dt冲击的同时,降低了系统计算耗时。仿真和实验结果表明,系统在低开关频率下运行时能有效抑制输入电流畸变,保证较高的功率因数,并保持良好的动稳态性能。