抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第5期目次及摘要

“直线电机设计、控制及系统集成”专题

“直线电机设计、控制及系统集成专题”特约主编寄语

作者：徐伟教授

双三相永磁直线同步电机的推力波动及抑制

作者：蒋钱；卢琴芬；李焱鑫

摘要：基于有限元模型,分析了双三相永磁直线同步电机的推力波动,其包括两个由直线结构引起的分量,一个分量是由铁心开断引起的磁路不对称所产生,另一个分量由绕组空间位置不对称引起的电感不对称所产生。针对前者,采用优化铁心边端齿的方法来抑制;针对后者,则提出不等匝数绕组结构来抑制,并通过优化得出了性能最佳的匝数配合。最后,计算优化的电机结构每相绕组自感和互感,显示了电感对称性得到了提高,表明该方法能降低推力波动。最后通过样机验证了模型的准确性。

开绕组磁场调制永磁直线电机的单位功率因数弱磁控制

作者：宋鑫鑫；赵文祥；成瑀

摘要：磁场调制永磁直线（FMPML）电机因其低成本、高推力密度、高效率等优点,适合于长行程应用等领域。但是,该类电机功率因数较低,增大了电源的无功压力;固定直流母线电压时,调速范围较窄。针对上述问题,提出一种飞跨电容开绕组FMPML电机的单位功率因数弱磁控制策略。通过单位功率因数调制策略,解耦电机运行所需有功功率、无功功率,降低电源逆变器无功压力,使之运行于单位功率因数。结合反馈弱磁控制策略扩展控制系统调速范围。通过仿真与实验验证所提控制策略的有效性。

直线感应电机效率优化控制技术综述

作者：徐伟；肖新宇；董定昊；唐一融；胡冬等

摘要：直线感应电机因不需要中间转换及传动装置而直接产生推力的特点,成为直线驱动场合的首选,现已在交通、军事、工业等领域得到广泛应用。但因受磁路开断、半填充槽、大气隙等影响,直线感应电机存在运行效率低等问题。为此,亟需采用效率优化控制方法合理控制其励磁水平,降低相关损耗,从而提升直线感应电机运行效率。该文归纳了国内外直线感应电机效率优化控制技术的研究现状,分析总结了迄今所存在的关键问题,并讨论了未来直线感应电机高效控制技术的发展方向。

平板型永磁直线同步电机推力特性的优化设计

作者：李雄松；崔鹤松；胡纯福；刘晓；黄守道

摘要：为了抑制永磁直线同步电机的推力波动,提升平均推力,以12槽10极平板型永磁同步直线电机为研究对象,对电机的设计参数进行优化。首先,采用Taguchi法的敏感性分析,从12个设计参数中选出6个敏感参数,确定为优化变量。然后,通过Kriging模型辅助的多目标粒子群优化,获得推力波动和平均推力的Pareto前沿。结果显示,与原始电机相比,优化后的永磁同步直线电机的推力波动减小了64%,且平均推力提升了6.6%。配合斜极,推力波动减小量可进一步达到92%。最后通过实验验证了电机性能的改善。

永磁电动悬浮系统三维解析建模与电磁力优化分析

作者：巫川；李冠醇；王东

摘要：电磁力准确计算是对Halbach阵列永磁电动悬浮系统进行研究和优化的基础,结构优化是提高系统性能和减少工程化建设成本的关键。建立包含类似直线电机横向端部和纵向端部效应的三维电磁场解析模型,通过对比2-D、3-D解析模型计算结果与3-D有限元仿真结果,验证了所建解析模型的准确性和可靠性。基于三维解析模型对永磁电动悬浮系统进行优化分析,研究结构参数对优化指标的影响,首次量化导体板宽度和永磁体宽度对系统横向端部效应的作用,总结出基于参数分析的系统优化设计方法。最后利用多目标粒子群优化算法对系统进行优化,通过对比参数分析系统优化设计解和优化算法设计解的性能,证明提出的优化方法快速可靠。

基于生物智能环状耦合的嵌入式永磁同步直线电机高精度位置协同控制研究

作者：王璨；李国冲；杨桂林；王冲冲；潘剑飞

摘要：基于永磁同步直线电机的多电机协同定位驱动系统,由于高推力密度比、响应快等特点,被广泛应用于各种高精密工业加工制造领域。针对集成永磁同步直线电机（IPMSLM）系统,借鉴生物领域激素调节原理,结合生物智能控制（BIC）与滑模变结构（SMVS）控制算法,提高IPMSLM系统中单电机的定位精度与鲁棒性。基于Lyapunov稳定性原理,设计环状耦合位置协同控制器,在确保全局稳定的同时,进一步提高IPMSLM整个系统的协同定位精度。在RT-Lab半实物仿真平台进行空载和变负载实验,结果表明,所设计的BIC-SMVS位置控制算法,使得单电机的定位精度达到±4µm;基于Lyapunov的环状耦合协同控制算法,可实现系统协同误差控制精度在±6µm以内。

次级断续时直线感应牵引电机的分段式等效电路与特性分析

作者：吕刚；罗志昆；曾迪晖；周桐

摘要：提出分段式等效电路模型,分析了次级断续时直线感应牵引电机特有的电磁现象及其特性。首先,建立次级断续时直线感应电机的物理模型,根据初级、次级的耦合情况将初级通过断续区域的过程分为九个阶段。其次,提出分段式等效电路模型,分析次级断续时等效电路参数的变化情况。然后,考虑初级铁心有限长、横向和纵向端部效应、趋肤效应和初级半填充槽的影响,根据电磁场分析模型和各阶段求解时的积分区间,求出次级断续时推力、气隙传递的无功功率、次级板涡流损耗、机械效率和等效电路参数。最后,将不同频率和速度下计算的推力、次级断续时推力和效率的动态变化曲线与实验测量结果对比,分析了电机的特性变化情况,验证了等效电路的正确性。

永磁直线同步电机空载反电动势和推力的解析计算

作者：王明杰；贾宛英；张志艳；徐伟；司纪凯

摘要：针对目前永磁直线同步电机（PMLSM）磁场解析模型的复杂性,为了提高解析模型的计算效率,采用改进的二维气隙相对磁导函数,以计算考虑齿槽效应时电机的空载反电动势和推力。首先建立无槽PMLSM解析模型,提出改进的二维气隙相对磁导函数以解决切向气隙相对磁导分布,根据有槽PMLSM解析模型计算出电机开槽时的气隙磁通密度法向和切向分布。基于磁场解析模型得到不同极槽配合下电机的空载反电动势和推力,探讨极槽配合、不同槽宽及绕组分布对电磁参数的影响,并用有限元法证明了解析法的正确性。该文提出的方法在保证准确度的前提下,适用于整数槽、分数槽绕组PMLSM的电磁参数计算,具有求解方法简便、计算量小、通用性好的特点,有利于电机的快速电磁设计和性能优化。

长定子直线同步电机齿槽效应的计算与影响

作者：章九鼎；卢琴芬

摘要：采用解析算法计算常导高速磁悬浮列车长定子直线同步电机（LSM）的电磁性能,计算模型考虑了长定子的齿槽结构,在LSM的一对极下,沿运动方向建立磁导率方程和励磁磁动势方程,然后根据傅里叶级数展开法求解方程,得到气隙磁通密度沿运动方向的分布,显示了齿槽效应的影响。之后,基于有限元模型计算不同运行速度下齿槽效应对力特性、励磁绕组感应电动势与铁心损耗的影响。结果发现,齿槽效应会导致推力波动增大,励磁绕组中产生感应电压,励磁铁心损耗增大,且随着速度的增加这些影响越明显。

基于速度前瞻的双轴直线电机交叉耦合控制策略

作者：李争；肖宇；孙鹤旭；周硕；王群京

摘要：为进一步提高双轴直驱型工作平台的加工精度,减小平面轮廓误差,并增强整体系统结构鲁棒性和响应速度,提出一种基于速度前瞻型双轴直线电机交叉耦合控制策略。首先建立基于双轴直线电机的数学模型,并改进自适应插补算法,设计能够适应广泛路径类型的交叉耦合轮廓误差控制器。同时利用双环滑模控制算法设计单轴电机控制器,该控制器可以提高电机对干扰做出反应的速度,并及时调整输出。为降低机械冲击和结构振动,利用速度前瞻控制器,提前根据曲率变化对路径进行S型速度规划,给出插补速度,实现了柔化运动过程,减小系统机械振荡的目的。实验结果表明,该控制方法能够明显地提高系统的控制性能,减小系统的轮廓误差,提高控制精度。

直线式移相变压器两类纵向边端效应分析

作者：赵镜红；许浩；孙盼；马远征；王蕾

摘要：直线式移相变压器磁路开断导致边端效应,引起气隙磁场畸变。该文首先阐述了直线式移相变压器基本原理,着重分析两类纵向边端效应,推导出第一类纵向边端效应影响下磁动势分布情况,求出第二类纵向边端效应影响下气隙磁场解析表达式,得到影响气隙磁场畸变程度的参数。通过仿真验证了直线式移相变压器磁动势和气隙磁场分布,量化分析移相变压器相关参数对边端效应的影响;最后通过有限元仿真和样机实验分析不同负载下基于直线式移相变压器的多重叠加逆变系统的输出性能,进一步证明通过合理选取变压器设计参数可以有效削弱两类纵向边端效应对气隙磁场和工作性能的影响。

电工理论

带可变遗忘因子递推最小二乘法的超级电容模组等效模型参数辨识方法

作者：谢文超；赵延明；方紫微；刘树立

摘要：为了准确地辨识风力发电机变桨系统后备电源中超级电容模组等效模型的参数,解决由于“数据饱和”现象所产生增益下降过快的缺点,建立超级电容模组三分支等效电路模型,提出一种带可变遗忘因子的递推最小二乘法（RLS）的超级电容模组等效电路模型参数辨识方法,然后建立超级电容模组多方法参数辨识的Simulink仿真模型,并进行仿真与分析。结果表明：该方法充电后静态阶段的综合误差为0.19%,比电路分析法的综合误差降低了6.92%,比分段优化法的综合误差降低了0.09%。整个充放电过程的综合误差为1.22%,比电路分析法降低了9.5%,比分段优化法降低了1.6%。带可变遗忘因子的RLS法比电路分析法和分段优化法拥有更高的辨识精度。

单相四柱式变压器直流偏磁下的温升试验及仿真分析

作者：王泽忠；李明洋；宣梦真；黄天超；李冰

摘要：基于定制的单相四柱式变压器试验模型,进行直流偏磁下的温升试验,得到结构件表面不同位置的温度随直流偏磁电流增大的变化规律。建立损耗计算模型,计算直流偏磁下各结构的损耗。建立温度场计算模型,给定结构件表面导热系数表达式;有限元软件考虑变压器油的材料参数随温度的变化,将导热系数作为未知变量之一进行求解;计算得到直流偏磁下的结构件的温度分布。试验模型的损耗、温度仿真结果与试验测量结果的误差较小,验证了计算模型和计算方法的正确性。

电机及其系统

基于双滑模估计的主从结构共轴双电机模型预测直接转矩控制无速度传感器控制策略

作者：肖雄；王浩丞；武玉娟；张勇军；周艳丽等

摘要：该文以典型的主传动刚性连接共轴双电机为对象,针对双电机主从结构下的高性能控制进行研究,提出一种基于双滑模估计的共轴双电机主从结构无速度传感器模型预测直接转矩控制（MPDTC）策略,在优化双电机转矩动、稳态均衡性能的基础上进行无速度传感器控制,提高系统整体的容错性能。该策略在MPDTC的基础上引入二步反馈补偿预测以提高系统动态性能,并且进一步减小主,从转矩差,同时在传统滑模观测器的基础上设计带随速因子的Sigmoid函数进行单电机转速与转子位置辨识,并结合MPDTC进一步设计基于双滑模估计的共轴电机速度观测器。将仿真结果与多种控制方法进行叠加比较,并在主传动实验平台上进行实验验证,结果表明所提出的主从控制改进策略能进一步抑制稳态转矩脉振和主从电机转矩差,同时能对速度、负载阶跃下的转速进行良好跟踪,尤其是故障下的无速度控制性能良好。

考虑储能自适应调节的双馈感应发电机一次调频控制策略

作者：颜湘武；崔森；常文斐

摘要：双馈感应发电机在常规超速减载控制下虽然可保留部分有功备用参与系统调频,但存在风电机组发电效益降低、转速调节范围减小及桨距角控制起动频繁等问题。为此,该文结合双馈风电机组网侧变流器的控制特性,提出计及超级电容储能荷电状态（SOC）控制的双馈感应发电机的惯量与一次调频自适应控制策略。在维持储能SOC的基础上结合惯性与下垂控制优势,提出可随频率偏差值和频率偏差变化率变化而自动调整两种调频控制参与调频的比例系数模型,实现两种调频模式的平滑切换,提升一次频率调节效果,提高单台风电机组的致稳性和抗扰性。最后通过仿真实验表明双馈感应发电机的惯量支撑和一次频率调节能力及发电效益较常规一次频率控制具有明显提高,为双馈感应发电机的改造升级提供了新思路。

电力系统与综合能源

基于频率偏移面积的功率缺额计算及低频减载整定

作者：刘克天；张钧；李军；陈凡

摘要：针对现有低频减载功率缺额计算不准确、各轮次切负荷量一经整定就固定等缺点,提出一种基于频率偏移面积的功率缺额计算方法和低频减载整定方案。首先,对扰动后同一时刻各母线频率偏移面积与系统惯性中心频率偏移面积近似相等的基本假设进行理论证明;然后,建立惯性中心频率偏移面积与功率缺额之间的关系,低频减载通过测量母线频率偏移面积便可计算功率缺额,设计功率缺额计算程序启动机制,并提出基于缺额大小的低频减载整定方案,低频减载各轮次切负荷量根据功率缺额的大小而改变;最后,分别使用IEEE 39及IEEE 145母线系统对功率缺额计算方法和低频减载方案的有效性进行了验证。算例分析表明：基于频率偏移面积的功率缺额计算方法能够准确计算系统的功率缺额;基于功率缺额大小的低频减载整定方案,在提高系统最低频率及频率恢复速度方面具有一定的优势。

磁控式并联电抗器容量调节暂态过程及其对匝间保护的影响

作者：郑涛；刘校销

摘要：磁控式并联电抗器（MCSR）可实现无功功率的大范围平滑调节,但现有研究中MCSR容量调节暂态特性及其对保护的影响尚不清晰。因此,该文对MCSR容量调节过程展开研究,首先分析了磁控式并联电抗器的稳态运行特性,引入磁饱和度概念,在此基础上,对其容量调节暂态过程特性展开讨论。调容暂态过程中,由于心柱间磁饱和度的差异,三相控制绕组电流及控制绕组总电流的基波分量将会增加,导致基于控制绕组总电流基波分量的匝间保护误动。为解决该问题,根据MCSR调容过程中三相控制绕组电流基波分量平均值近似相等的特点,利用三相控制绕组电流基波分量差异度,可以准确识别出容量调节过程,从而有效解决了MCSR容量调节过程中匝间保护误动的问题。基于Matlab/Simulink的仿真及1.5kV MCSR样品的动模实验,验证了所提方案的正确性。

电气化交通

电气化铁路牵引变电所群贯通供电系统及其关键技术

作者：李群湛；王辉；黄文勋；解绍锋；马庆安

摘要：结合电气化铁路外部电源供电方式及牵引供电系统供电方式,提出一种牵引变电所群贯通供电系统,并研究相关关键技术方案。首先,根据负序补偿方式将牵引变电所群贯通供电方案分为集中式补偿和分布式补偿两类,其中,集中式补偿方案分为N模式和N+1模式。其次,针对无功型负序补偿方式,将其分为二端口和三端口补偿模式,以YNd11联结变压器为例阐述负序补偿的基本原理,并介绍集中式补偿方案的潮流控制系统。然后,介绍贯通牵引网分段保护与状态辨识技术方案。最后,探讨外部电源方案,并以某线路实测数据为例,研究树形结构下的均衡电流情况,结果表明,构成树形结构的供电方式能够最大限度实现无均衡电流供电。

基于状态估计的高速受电弓鲁棒预测控制

作者：张静；宋宝林；谢松霖；张翰涛；刘志刚

摘要：受电弓-接触网系统在高速列车获取电能的过程中起着至关重要的作用,受电弓与接触网之间连续、平稳的接触状态是保证高速列车高质量获取电能的关键因素。随着列车运行速度提高,弓网之间的振动更加剧烈,受流质量变差。为减小弓网振动,提高受流质量,提出一种基于状态估计的受电弓鲁棒预测控制策略。首先,为获得复杂电磁环境下的受电弓状态,给出一种基于鲁棒卡尔曼滤波器的受电弓状态估计方法;然后,将接触力跟踪误差的积分增广至受电弓-接触网系统状态空间方程中,并在考虑控制变量和输出变量约束的基础上,设计鲁棒预测控制器;最后在非线性受电弓-接触网模型中,验证控制器在不同工况下的有效性和鲁棒性。仿真结果表明,所提的状态估计方法能精确获得受电弓状态,控制器能在受电弓参数摄动的情况下,减小受电弓-接触网接触力的标准差,提高高速列车受电弓-接触网受流质量。

具备电压补偿功能的不停电过分相系统及控制方法

作者：袁佳歆；倪周；肖非然；闵永智

摘要：不停电过分相系统可保证机车连续供电,避免机车运行速度降低和遭受冲击电压电流。为进一步提高不停电过分相系统的可靠性和改善牵引供电网末端电压波动,该文提出一种基于三相模块化多电平变换器（MMC）的分相区不停电过分相系统（UPT）及其控制策略。首先,基于三相MMC的分相区UPT拓扑结构及其工作原理,分析了机车通过分相区域导致的牵引网末端电压波动原理和UPT的无功电压补偿能力;然后,在机车经过分相区的全过程中,分析UPT的电流传输特性,以保证两侧供电臂负荷有功分量线性变化;接着,提出了UPT的有功、无功以及整体的控制策略;最后,进行仿真分析和小容量实验。理论分析和实验结果表明：UPT能保证机车在不停电状态下平稳通过分相区,两侧供电臂负荷实现线性平稳变化,同时有效地解决了电压波动的问题。

科研快讯

内置式永磁电机转子硅钢片叠装错位对气隙磁场的影响

作者：尧磊；秦雪飞；蔡顺；沈建新

摘要：内置式永磁电机的永磁体与转子硅钢片采用间隙配合,硅钢片在叠装成铁心时往往会出现细微错位。该文运用磁路法与三维有限元法进行分析计算,表明虽然间隙配合会减小气隙磁通密度,但是叠装错位反而可以弥补磁通密度损失。