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电工技术学报 2013年第03期杂志 文档列表

电工技术学报杂志永磁电机专题三

变速永磁同步发电机系统及控制策略1-8

摘要：变速、变负载的永磁同步发电机一般需要电力电子装置进行整流与直流稳压,由此构成了基本的永磁同步发电机系统。该系统既可提供直流电源,也可经逆变后提供交流电源或并入交流电网。本文对基本永磁同步发电机系统的常见结构与控制策略进行综述,分析了其优缺点。

分数槽集中绕组永磁电机在模块化级联电机系统上的应用9-16

摘要：模块化级联电机系统是将一个电机单元作为一个模块,多个电机模块串联起来工作的系统,只改变电机数目便可满足不同功率的需求,分数槽集中绕组电机适合作为模块化级联电机系统的单模块电机。本文通过分析分数槽集中绕组永磁电机的槽极数的配合规律,设计了满足系统性能指标的两台不同性能的单模块电机,并对其磁动势进行谐波分析。通过仿真计算了涡流损耗,分析了槽口宽度和永磁体分块对涡流损耗的影响,得到了系统的效率Map图。最后,对系统进行了实验验证,并与一参考样机对比,结果表明,模块化级联电机系统采用分数槽集中绕组永磁电机,能有效减小电机尺寸,降低电机重量,提高系统的转矩密度。

基于预测无差拍算法的永磁同步发电机无传感器控制17-26

摘要：针对永磁同步发电机（PMSG）提出了一种基于预测无差拍算法的高性能无传感器控制方案。为了获得出色的无传感器控制性能,提出对引入无差拍控制器的估算反电动势进行串联补偿,在改善系统稳定性的同时,实现了定子电流的无静差跟踪。随后,基于Luenberger算法对定子电流超前预测,补偿数字控制一拍滞后的影响,并在维持系统稳定性的前提下,根据离散控制模型设计控制器参数,以改善定子电流环的动态响应及其适应电机参数变化的鲁棒性。在此基础上,基于估算反电动势的同步锁相环（SRF-PLL）能够快速、准确地观测转子的位置角和转速信息,并实现电机控制的同步定向和速度反馈调节。最后,基于10kW永磁同步发电机建立模拟的直驱式发电机组,对本文所提控制方案的有效性和可行性进行了仿真分析和实验验证。

永磁同步电机无参数整定自抗扰控制器27-34

摘要：提出了一种无需参数整定的自抗扰控制器（NMT-ADRC）。ADRC具有不依赖被控对象模型、无超调、鲁棒性强的优点,越来越受到学术界和工业界的重视。然而,ADRC的非线性反馈控制器（NLSEF）采用近似最速反馈控制（fhan）函数时需要整定三个参数,但这三个参数没有明确的物理意义,只能采取试凑法,整定效果依赖于操作者的经验。针对这一问题,依据fhan函数的特点分析了ADRC的NLSEF控制机理,提出了NMT-ADRC控制器。在这种结构下,NLSEF不包含需要调整的参数,故无需参数整定就可以从理论上达到良好的控制效果。为验证提出算法的有效性,NMT-ADRC被应用到PMSM控制系统中。仿真和实验结果表明,NMT-ADRC控制器可以有效控制PMSM的转速和转矩。

分块式Halbach型磁钢的永磁同步电机解析35-42

摘要：基于复数气隙磁导,构建了考虑齿槽影响、分块式Halbach型磁钢的永磁同步电机（PMSM）的主磁场、电枢反应磁场、反电动势的解析模型,基于沿槽边Maxwell应力法构建了PMSM的齿槽转矩解析模型,以上几个解析模型考虑了极间隔断对分块式Halbach型磁钢PMSM磁场及性能的影响,通过有限元分析（FEA）与实验验证了解析模型的正确性与实用性。在对解析模型分析的基础上,提出一种性能优于传统分块式Halbach型磁钢的新方案,并通过FEA与实验的方法验证其优越性。

定子无铁心轴向磁场永磁电机的解析设计43-49

摘要：对定子无铁心轴向磁场永磁电机而言,最准确的设计方法是三维有限元法,但该方法异常耗时。为解决这一问题,本文提出一种解析设计方法。首先推导出了定子无铁心轴向磁场永磁电机的空载磁场三维解析模型。在此基础上,使用绕组函数法推导出电机的反电动势波形解析式,根据绕组端部长度估算值等参数计算出电感、电阻,分析了电机的各项损耗并给出其各自的计算公式;然后根据电机等效电路推导了其稳态性能的表达式;最终使用该设计方法设计了三种不同功率级别、不同绕组形式的样机。样机试验测量结果与计算值相吻合,验证了设计方法的正确性。

永磁同步电机改进电流预测控制50-55

摘要：高性能永磁同步电机伺服系统要求有快速响应的电流内环以保证系统的高动态性能。传统PI调节器容易出现超调及振荡调整过程,应用场合受到限制。传统的预测控制策略可实现快速的动态响应同时避免超调,但依赖被控对象的精确数学模型。本文提出了一种改进的永磁同步电机电流环预测控制方法,利用相邻周期的两个预测模型相减来消除恒定项,实现对电流的闭环控制。相对于传统预测控制,改进方法仅使用一个电机参数,有效降低了对模型参数准确性的依赖,同时闭环结构可避免出现稳态误差。相对于PI调节器,改进方法在实现对电流指令快速跟踪的同时可避免超调和振荡调整过程,动态控制性能更优。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

一种基于转矩角的永磁同步电机直接转矩控制56-62

摘要：针对电动汽车用永磁同步电机,提出一种基于转矩角的直接转矩控制策略,并研究了其中磁链与转矩角的限幅要求。所述方法以电机转矩角控制为出发点,利用转矩闭环调节直接得到所发电压矢量幅值,根据定子磁链闭环调节并结合转矩角前馈调整所发电压矢量角度,并通过空间矢量调制得到驱动信号,同时对转矩角实时观测和限制,以保证电机稳定运行。该方法不仅具有对电感参数变化不敏感和鲁棒性较强的优点,而且控制结构简单。实验结果表明该方法有效、可行。

考虑偏心及绕组耦合的无轴承永磁同步电机建模63-70

摘要：在阐述无轴承永磁同步电机转子悬浮机理的基础上,根据电机磁路原理,建立了无轴承永磁同步电机电感矩阵解析模型。基于该解析模型和电磁场虚位移原理,推导了无轴承永磁同步电机的较为精确的数学模型。该解析模型充分考虑了转子偏心以及两套绕组的耦合关系,能有效地描述电机产生的径向悬浮力和电磁转矩。为了验证该模型的正确性和可行性,在一台表面贴装式无轴承永磁同步电机上进行了的实验研究。实验结果表明利用该模型能够有效地提高无轴承永磁同步电机稳定悬浮运行的稳态精度和动态响应速度。

六相永磁容错磁通切换电机及其单相故障的容错控制71-79

摘要：为了提高永磁电机的可靠性和容错性,研究了一种六相永磁容错磁通切换电机（FaultTolerant Flux Switching Permanent Magnet Motor,FTFSPM）。该电机继承了永磁磁通切换电机的结构特点和功率密度优势,同时具备故障隔离和抑制短路电流的能力。通过有限元仿真研究了该电机电感特性和转矩特性,分析了电机的电磁性能和容错能力。为使该电机在单相故障时仍能提供平滑转矩,提出了容错电流优化控制策略。开路故障时,利用扩展坐标变换,通过控制转子同步旋转坐标系下的交轴电流、零序电流,实现转矩脉动的补偿,同时优化转矩铜耗比。针对短路故障,提出一种故障分解补偿法,对短路电流及绕组正常电流缺失引起的转矩脉动或转矩缺失分别进行补偿,进而矢量合成,实现容错控制的同时,避免了复杂的在线计算。在原理样机上进行了带载实验及容错实验,证明了所研究的永磁容错磁通切换电机的转矩输出能力和容错性能,同时验证了所提容错控制策略的有效性。

具有冗余特性的永磁容错电机短路故障分析与控制80-86

摘要：为了提高电力推进系统的可靠性,提出了带冗余特性三相永磁容错电机驱动系统的拓扑结构。为了研究绕组短路故障和逆变器开关短路故障对该驱动系统输出电磁转矩特性的影响,本文在分析两种短路故障等效电路的基础上,建立了短路电流和阻碍转矩的数学模型,通过仿真揭示了逆变器开关短路故障对驱动系统输出转矩特性的影响比绕组短路故障更严重的结论,并给出通过控制逆变器的开关状态将开关短路故障转化为绕组短路故障的实现方法。针对短路故障降低驱动系统平均输出电磁转矩和增大转矩脉动的问题,提出了基于稳态数学模型的最佳电流故障控制策略。仿真和实验结果验证了所提出的故障控制策略的有效性。

基于迭代学习与小波滤波器的永磁直线伺服系统扰动抑制87-92

摘要：针对迭代学习控制（ILC）算法抑制永磁直线同步电机（PMLSM）周期性扰动时存在非周期分量影响问题,提出一种迭代学习控制算法与小波滤波器相结合的扰动抑制方法。通过重构输入误差信号,剔除非周期分量,从而使设计的PMLSM伺服系统迭代学习控制器快速收敛,减少了迭代次数。提出通过实验确定ILC中L形滤波器参数的方法。实验结果表明,与不带小波滤波器及传统PID比较,所提出的控制方法能够使系统的跟踪效果更好,且保证了在较少迭代次数下,被控系统的输出轨迹能精确地收敛到期望轨迹。

准谐振控制器在抑制永磁同步电动机共模电压上的应用93-98

摘要：由PWM变流器产生的高频共模电压会在电动机转轴上感应出高幅值轴电压,并形成轴承电流,缩短电动机使用寿命。本文以常用的电压源型SPWM变流器为例,从共模电压的产生机理出发,根据共模电压是由一系列特定频率的谐波组成这一特性,提出了一种基于准揩振控制器的共模电压的抑制方法。根据理想的谐振控制器在谐振频率处增益无穷大,可以使与谐振频率具有相同频率的正弦信号实现零稳态误差控制的特点,在传统的PI控制的基础上并联谐振控制器,对共模电压中高幅值部分进行重点补偿,可以抑制输出共模电压。通过Matlab仿真和实验结果证明了该方法的有效性。

永磁-感应子式混合励磁发电机三维暂态温度场的计算与分析107-113

摘要：根据传热学理论,建立了永磁-感应子式混合励磁发电机电磁稳态条件下三维暂态温度场求解模型;给出了基本假设及相应的边界条件,确定了电机各部分的导热系数及表面散热系数;根据电磁场计算,得出了电机定子铁心损耗、绕组铜耗、转子涡流损耗及机械损耗等热源的分布;采用有限元法对电机三维暂态温度场进行了计算,分析了励磁电流、电机转速及负载类型对电机温度场的影响。通过样机实验对温度场的计算结果进行验证。

表贴式永磁电机转子偏心空载气隙磁场解析114-121

摘要：针对表贴式永磁电机转子偏心问题,建立了一种基于边界摄动法的静态偏心解析模型,采用矢量磁位推导偏心空载气隙磁场磁通密度解析表达式,解析模型中的偏心扰动量无量纲。磁通密度和不平衡磁拉力的解析结果与有限元分析结果相比较,证实了偏心模型的正确性和有效性。

永磁风力发电机三维温度场计算及分析122-126

摘要：为判断永磁风力发电机定子绕组及永磁体运行时的稳定性,准确计算电机内的温度场非常重要,以一台100kW,100r/min的径向磁通永磁同步风力发电机为例,采用三维有限元法对发电机的温度场进行计算,并分析在计算中某些关键因素对温度场计算结果的影响。通过对计算结果与实验数据的比较分析,验证了计算方法的正确性;得出了一些有意义的结论,可为永磁同步风力发电机的设计提供参考。

电工技术学报杂志电机与电器

一种切向/径向混合励磁无刷同步发电机系统127-133

摘要：混合励磁电机具有两路磁源：永磁体与励磁绕组,因此兼具功率密度高、调磁方便的优点。本文针对一种新型切向/径向混合励磁同步发电机进行了研究,通过对磁路的分析得到了永磁磁通与电励磁磁通关系,从理论上研究了混合励磁发电机主气隙磁场的可调性。同时,研究了结构参数对电机性能的影响,为该电机的进一步优化提供了依据。由于该种电机在无励磁时仍有输出电压,针对这一特点进行了无刷化设计。比起传统三级式无刷化电机,运用该种电机作为主发电机的无刷化系统省去副励磁机/外部电源,减小了电源系统的体积重量。同时,由于永磁磁通的存在,解决了传统电励磁电机作为起动机时励磁困难的问题。本文对无刷励磁发电系统进行建模,分析了旋转整流器对励磁机输出励磁电压的影响,分析了旋转整流器的两种工作状态。最后,制作了相应的实验样机,对无刷励磁系统进行了实验。实验结果证明系统设计的正确性,其设计流程和方法对于无刷励磁发电系统具有一定的参考价值。

330MW蒸发冷却汽轮发电机冷却技术的特点及性能134-139

摘要：我国大型发电机蒸发冷却技术的研发已有60多年的历史,近年来实现了由实验室试验研究阶段向工业化、商品化应用的转变。本文以300MW量级蒸发冷却汽轮发电机为研究对象,讲述了蒸发冷却汽轮发电机的特点,并依据两相流与传热理论,采用有限元法对定子三维温度场进行数值计算,给出了在发电机温度场求解域中的温度分布规律。并以此为依据完成了样机设计和制造,将计算结果与样机型式试验结果进行比较,表明浸泡在蒸发冷却介质中的电机定子绕组层间最高温升低于42K,铁心温升最高15K,远低于汽轮发电机冷却技术要求的温升限制,说明300MW级汽轮发电机应用蒸发冷却技术是可行的。也验证了仿真计算的准确性,为以后同类型更大容量电机设计提供了理论依据。