高速高功率密度无轴承永磁薄片电机设计与优化

传统无轴承电机在高速和高功率密度之间难以取得平衡,为此围绕高速高功率密度无轴承永磁薄片电机,对其拓扑结构、绕组形式、主要尺寸等方面进行优化设计,在保证转速和功率密度的基础上有效地提升悬浮性能。通过对运行工况的分析,得出电机拓扑结构需具备的基本特点,提出一种采用环形集成绕组的表贴式无轴承永磁薄片电机。在兼顾转矩和悬浮力输出性能、机械防护可靠性的基础上,对电机的电磁气隙长度和永磁体参数等主要尺寸进行优化设计。针对电机饱和、绕组端部伸出等不利因素,分别采取了超前角弱磁、定子略长的性能提升策略,有效地避免了悬浮力的大幅度跌落。搭建20 000 r/min的无轴承永磁薄片电机有限元仿真模型并制造实物样机。通过对电磁转矩和主、被动悬浮力的分析,证明了本文设计的无轴承永磁薄片电机兼具良好的转矩与悬浮力输出性能,单位幅值电流产生的电磁转矩、主动悬浮力分别为0.166 N·m、4.4 N,电机输出功率10 kW、功率密度5.2 kW/kg。

改进型高增益耦合电感Boost-Sepic变换器

针对光伏电池输出电压等级低、稳定性差的问题,本文将Boost-Sepic变换器进行改进,并加入耦合电感与开关电容两种增益单元,提出一种高增益耦合电感组合Boost-Sepic变换器。首先将组合后的Boost-Sepic变换器中输入电感替换为耦合电感原边,保证输入侧电流连续并钳位开关管电压;同时将耦合电感倍压单元与开关电容进行串联以提高电压增益。采用无源钳位吸收回路回收耦合电感漏感的能量,抑制开关管两端产生的电压尖峰。详细分析了Boost-Sepic变换器的工作模态、电压增益、开关器件电压/电流应力及器件参数的选择,并与其他高增益变换器对比。最后,通过200 W实验样机验证了变换器的可行性与正确性。

独立运行双馈直流发电系统的转矩脉动和电流谐波抑制

本文针对独立运行的双馈直流发电系统,提出一种改进的自抗扰控制方法。针对超螺旋观测器无法跟踪高频信号的不足,设计了改进超螺旋观测器来观测转子电流导数中的基频和6倍频交流分量,设计基于改进超螺旋观测器的自抗扰转子电流控制器,抑制由不可控整流器引起的6倍频转矩脉动,同时降低了定子电流中的-5次和7次谐波分量。将基于超螺旋观测器的自抗扰控制器用于直流电压控制环,改善了直流电压调节过程的动态性能,提高了在负载变化条件下直流电压环的鲁棒性。以功率为6 kW的双馈直流发电系统为对象进行了仿真和实验,验证了该方法对转矩脉动与电流谐波的抑制能力,以及直流电压控制的有效性。

基于逆变器多模态输出电压的IGBT微小故障特征提取

针对逆变器IGBT模块发生微小故障引起特征信号变化,相较于电路正常运行信号十分微弱、难以检测的问题,提出一种通过采样逆变器端口输出电压来提取IGBT微小故障特征参数的方法。方波控制策略下,逆变器输出电压包含稳态和暂态两种工作模态,可进一步划分为6个暂态模态和6个稳态模态,因此利用Elman神经网络完成工作模态划分。暂态工作模态中,通过将开关状态下的逆变器等效成二阶系统,完成系统的参数辨识;基于此提出一种输出电压原始数据和系统辨识参数相融合的方法,提取二阶系统的超调量、峰值时间以及暂态电压斜率作为暂态故障特征参数,既降低了实际系统原始数据噪声的干扰,又避免了等效二阶系统参数辨识误差对故障特征提取效果的影响。仿真和实验验证了所提方法的有效性。

不同布设方式下平行线缆雷电感应耦合特性

针对不同线缆布设下线缆雷电感应耦合特性的问题,搭建由干扰线缆和受扰线缆组成的平行线缆雷电感应耦合仿真模型,研究干扰线缆注入8/20μs、10/1 000μs及0.5μs/100 kHz等雷电浪涌电流时,线缆间水平距离、受扰线缆相对高度和受扰线缆长度对受扰线缆端口负载感应电压的影响规律。结果发现:随两线缆间水平距离的增大,线缆感应电压呈指数衰减;当受扰线缆距地高度由零开始增加时,线缆感应电压近似呈线性快速增加,在两线缆高度相同时达到最大值,之后感应电压随线缆高度的继续增加近似呈线性缓慢减小;受扰线缆感应电压在受扰线缆长度等于干扰线缆长度时达到最大值,在此基础上,减小或增大受扰线缆长度,受扰线缆感应电压均近似呈线性缓慢减小。针对水平间距和相对高度的仿真结果开展验证性试验,试验与仿真结果基本吻合,波形幅值偏差小于5%。

一种永磁同步电机凸极信号测量方法

传统永磁同步电机凸极信号测量方法存在测试成本高、大功率场合不适用等不足,为此提出一种基于高频脉振电压注入法的永磁同步电机凸极信号测量方法。通过设置双同步参考坐标系使电动机矢量控制与高频电压注入法相互解耦,实现了在电动机旋转过程中完成凸极信号测量,不仅节省了使用配测设备的成本,而且适用于不同功率等级驱动系统,有效地提高了工程普适性。仿真和实验结果表明,所提方法可准确测量被测永磁同步电机的主凸极强度、次凸极分布规律以及不同负载工况下永磁同步电机的交叉饱和角,为高频电压注入法的实施、多凸极效应的抑制以及交叉饱和角补偿提供有效信息。

小样本条件下智能布点代理模型及优化设计

传统典型代理模型需要使用大量样本点实现高精度全局预测,对时间和计算资源的消耗很难满足工程和科学计算所需,鉴于优化设计依赖代理模型和优化算法,提出一种小样本条件下实现高效预测的智能布点模型。考虑到优化问题只需构建帕累托前沿附近(局部)的高精度代理模型,通过信赖域思想改进并实现智能布点方法,其采样空间与代理模型会根据预测精度的需求进行更新,提高了代理模型更新效率和预测精度。以小型非晶合金变压器为验证案例,在只有70组样本数据下对比了智能布点代理模型和传统典型正交实验方法,结果表明智能布点代理模型的预测精度相比传统代理模型提高了16%左右,验证了该代理模型在少样本情况下的有效建模和预测精度,并进行了优化设计。

杆塔雷电流多通道监测方法及其特性分析

通过采用多个罗氏线圈并联,模拟信号无源叠加的方式,可以对雷击时刻流经杆塔枝干的雷电流分量进行更精准地监测。通过建立多罗氏线圈并联外积分电路模型,根据外积分条件对电路模型进行动态特性(时域和频域)理论分析,可以得出电路模型输入输出关系的理论公式及应用条件。按照雷电流测量要求,对电路模型进行仿真分析;同时依据仿真参数制作传感器,并通过冲击电流实验对传感器进行实验验证。仿真和实验结果表明,所设计的多罗氏线圈并联外积分传感器能够正确还原雷击时刻流经杆塔枝干的雷电流波形,误差小于2%,动态特性符合实际测量要求,验证了理论结果的准确性,且所设计的电流传感器在实际雷电监测系统中得到了应用。

电动汽车车载移相全桥变换器改进研究

为提高电动汽车车载电源的效率,针对传统移相全桥DC/DC变换器的副边占空比丢失、变压器磁饱和、副边寄生振荡等问题,提出改进型的移相全桥拓扑结构,通过增加原副边的变比来减小占空比的丢失,串联隔直电容防止变压器磁饱和,采用二极管钳位电路抑制副边二极管的电压振荡。在详细分析移相全桥零电压开关(ZVS)控制策略的基础上,针对该拓扑结构的不同工作状态,分析了钳位二极管的工作原理,明确了变压器和谐振电感位置对电路的影响效果,探讨了副边同步整流在拓扑中的作用。得出该拓扑结构可以将MOS管的应力抑制在输入电压范围之内。最后研制了一台3 kW的样机,采用PI控制策略,通过仿真与实验结果验证了理论分析的正确性。

一种单级全桥PFC变换器变压器偏磁抑制策略

单相单级全桥PFC变换器变压器双向励磁,具有功率密度高和电气隔离等特点,适用于中大功率场合,但该变换器由于其工作方式的特殊性,存在特有的变压器偏磁现象。通过对单级全桥PFC变换器的工作原理与变压器偏磁产生机理进行分析,得出每1/4工频周期内磁化曲线中心点偏移情况,并递推得到偏移量的最大值。在此基础上,提出一种正负半周对称的数字抑制策略,通过设计开关管的时序,使每个开关周期内变压器正负向励磁时间相等,进而消除了变压器偏磁;与传统偏磁抑制方式相比,该策略不增加电路的复杂程度与系统的体积、重量,实现较为容易。最后,通过搭建额定输出电压/电流为48V/12A的样机验证了所提出的偏磁抑制策略的可行性。

低电压逆变器并联改进下垂控制技术

低电压逆变器并联系统在容量不等和线路阻抗不同的情况下,针对输出无功功率无法实现精确分配,并出现较大无功环流的问题,提出了一种改进的逆变器并联下垂控制方法。该方法中采用了线路压降补偿和电压反馈相结合来解决逆变器输出无功功率分配精确度低和系统环流较大的问题,在分析中综合考虑了无功功率分配精度和电压跌落的约束关系确定控制方法中的虚拟阻抗值。通过仿真和实验分析,该方法可以实现无功功率的精确分配,能有效抑制逆变器并联时引起的无功环流问题,同时加快了系统的动态响应速度,提高系统的稳定性和可靠性。

基于期望电压矢量的永磁同步电机快速速度预测控制

针对传统永磁同步电机速度预测控制系统的价值函数速度与电流项权重系数难以确定,且采用遍历方式选择控制电压矢量导致计算量大这2个缺点,提出一种基于期望电压矢量的快速速度预测控制方法。利用泰勒级数对电机速度模型进行离散化,获得期望电压矢量;将价值函数中转速和d轴电流的误差项均转化为电压量纲,避免了权重系数的调整;利用Clark变换计算期望电压矢量的角度,得到期望电压矢量所在的局部扇区。将构成该局部扇区的基本电压矢量作为备选电压矢量,代入价值函数计算,令价值函数最小的备选电压矢量作为控制电压矢量调节逆变器。仿真和实验结果表明,所提出的方法无需调节权重,就可达到传统方法在最佳权重时的系统稳态误差,便于实际应用,且计算步骤节省约55%。

前后轴双电机电动汽车转矩分配优化策略

针对前后轴双电机电动汽车的效率提升问题,在对前后轴双电机方案效率特性研究的基础上,设计了基于电机效率最优和基于电池效率最优的前后轮双电机转矩分配方法。研究发现这两种效率最优的方法在转矩分配上存在冲突现象,因此,采用一种多目标粒子群优化算法求得同时兼顾电机效率和电池效率的最优策略,从而避免两种策略同时工作时出现的竞争现象。仿真和实验结果表明,采用多目标粒子群优化算法的前后轴双电机转矩分配方案可以提高电动汽车的系统效率和续航里程。整车动力学分析表明,采用多目标粒子群优化算法的前后轴双电机转矩分配方案不会对整车的稳定性和平顺性产生影响。

第二十二届电机与系统国际会议ICEMS 2019征稿通知

由中国电工技术学会主办、哈尔滨工业大学承办的第二十二届电机与系统国际会议(ICEMS2019)将于2019年8月11日至14日在哈尔滨举办。ICEMS为本领域顶级国际学术会议,主题聚焦电机与驱动控制系统及其应用,旨在为来自世界各地的学术、研发和产业界人士提供一个展示和分享国际最新学术动态和技术成果的平台。ICEMS2019将为每位参会者提供口头和海报展示的机会,并创造舒适愉悦的交流氛围,我们期待与您在哈尔滨相遇!

永磁同步电机定子绕组温度估计的信号注入策略优化

针对永磁同步电机定子绕组在线温度估计策略与信号注入的优化展开研究,分析电机的电气、机械与热特性等参数以及负载在信号注入下对温度估计精度和输出转矩脉动的影响,提出直流电压注入法3要素(信号注入大小、持续注入时长、注入时间间隔)的优化设定策略,以及提出由频率自适应陷波器和低通滤波器组成的实时信号处理模型以提高估计精度,实现准确温度观测的同时降低信号注入对电机运行性能的影响。在不同工况下的研究结果验证了理论分析的正确性与优化策略的有效性,为基于信号注入法的永磁同步电机定子温度在线观测在工程上的应用提供了指导。

变负载空间机械臂混沌运动分析与控制

针对空间机械臂在轨服役时操作任务复杂多样且外部扰动随机等因素可能引起系统动力学特性和控制性能发生变化这一问题,研究了其负载不确定及外部扰动与重力释放的耦合影响引起的系统混沌运动,讨论了一种基于模糊幂次趋近律的快速滑模变结构控制方法。首先应用相图法、庞加莱映射法和最大李亚普诺夫指数法,分析系统在地面和空间两种环境的不同工况中,可能出现的混沌现象,及该情况下负载质量参数范围。通过对传统滑模面分析和比较,设计了一种快速非线性滑模面,根据模糊控制理论,设计模糊幂次趋近律,在实现混沌状态有效抑制的前提下,提高了系统的趋近运动速度。最后,通过与常规控制策略的对比仿真研究,验证了所提控制方案的有效性。

油田抽油机用感应电动机三维瞬态温度场计算分析

针对传统油田用电机容易造成大功率电机拖动低负载而造成的能源浪费问题,通过对原有的Y2-200L2-6感应电动机进行改进设计,实现了小机座号感应电机输出大启动转矩的目的。建立了改进后电机的二维有限元模型,对其进行电磁性能计算,进而得到电机各部分损耗,即电机热源分布情况。对电机温度场做出合理的基本假设,并给出相应的边界条件,以电机热源为载荷条件,对改进后电机的三维瞬态温度场利用有限元法进行分析,得到电机三维温度场的分布情况。然后,搭建样机的实验测试平台,得出样机的实验结果,并与三维瞬态温度场的仿真结果进行对比,分析对比差异,以此验证计算方法的准确性与改进方案的可行性。

一种四自由度复合结构无轴承开关磁阻电机及绕组优化设计

基于径向磁轴承(radial magnetic bearing,RMB)偏置绕组和开关磁阻电机(switched reluctance motor,SRM)电枢绕组的共绕组结构形式,提出一种四自由度复合结构无轴承开关磁阻电机(hybridstructure bearingless switched reluctance motor,HBSRM)。其旋转控制与SRM相同,悬浮控制与磁轴承相似,且旋转和悬浮可独立解耦控制。详述HBSRM结构和原理的基础上,基于等效磁路方法,推导了其悬浮力模型。为消除上述HBSRM的悬浮力不均衡和耦合问题,提出了一种新型绕组结构形式,新结构悬浮力模型和有限元仿真结果均证明了其有效性。给出了新结构绕组的优化设计方法,引入了一个电源压降系数,以考虑RMB部分等效偏置绕组感应电动势导致的SRM部分等效绕组端电压的下降,并给出了各绕组匝数计算公式和优化设计过程,有限元仿真证明了该方法的正确性。

一种异步电机自适应线性神经元速度观测器

针对电动汽车驱动用交流异步电机的无速度传感器矢量控制系统,提出一种自适应线性神经元(ADALINE)速度观测器。首先建立三相异步电机的数学模型,然后在电压模型与电流模型所构成参考自适应(MRAS)速度观测器的基础上,以转子磁链的广义误差作为速度观测器的输入,利用ADALINE算法作为系统自适应律,推导出神经网络权重的自动修正方法,保证在宽调速范围内均能获得准确的电机速度观测值。最后通过建立仿真模型与搭建实验平台进行验证,结果一致表明在高速和低速情况下速度观测值均能准确跟随实际值,动态性能良好,证明所提出的理论分析以及观测器实现方法的可行性与正确性。